大型露天矿胶带排土参数优化的研究

收稿日期:2002-12-29作者简介:王轶男(1968-),男,吉林松原人,鞍钢集团鞍山矿业公司计划部,工程师。

矿物开采大型露天矿胶带排土参数优化的研究王轶男1 郑少文1 李军才2(1 鞍钢集团鞍山矿业公司,辽宁鞍山114001;2 北京科技大学土木与环境工程学院,北京100083)摘要:综合运用模糊数学、运筹学、极限平衡理论及CAD 技术,提出露天矿胶带排土系统的优化方法,并对大孤山铁矿胶带排土参数进行了优化。

关键词:胶带排土;多目标决策;极限平衡;CA D中图分类号:T D 854 7 文献标识码:A 文章编号:1671-8550(2003)02-0022-040 引言随着我国矿山事业的发展及采矿技术的进步,大型深凹露天矿将逐渐增加,排土新工艺、新技术和许多大型排土设备将得到广泛的应用。

其中汽车-破碎机-胶带运输机-排土机排土的应用就是其中之一。

随着矿山开采水平的逐年下降,岩石运距、排土场容量、排土场稳定性与占地的矛盾日益突出,直接影响着矿山企业的直接经济效益。

因此,国家 八五 科技攻关项目(项目编号85-521-01-01)设立胶带排土参数优化的研究专题,并结合鞍钢大孤山铁矿的实际开展工作,这不仅对鞍钢所属矿山已采用或将要采用的胶带排土生产具有实际意义,而且对全国露天矿山将要采用胶带排土生产也具有普遍指导意义。

1 胶带排土场最终排土高度的初步确定1 1 矿山岩石合理流向、运量的计算根据采场和剥离岩土的分布情况,可实现分散或集中排土。

为使露天矿排岩的经济合理,必须进行排土规划工作。

在矿山开拓运输系统确定的条件下,排土工作要达到经济合理的运距和在服务年限内剥离岩石的总费用最低。

排土规划还要考虑排土场的容积和数量,排土场与采场的相对位置,地形条件及对环保的影响等。

排土场设计工作应进行平面规划和竖向规划,当选择多个排土场分散排土时,要进行平面规划,达到岩石流向、流量的合理分配。

在一个排土场内,由于它与采场存在着一定的高差关系,应进行竖向规划。

1 1 1 平面规划数学模型的建立剥离岩土运往排土场时,应对其流量、流向进行合理规划,即用最小的运距和排土费用。

目标函数:Z m i n = ni=1 ij=1 mk=1G (i,j,k)L (i,j,k)(1)式中 ni=1 1j=1G (i,j,k) G 1(k)1j=1 mk=1G (i,j,k) G 2(i)G (i,j,k) 0L (i,j,k) 0G 1(k) 0G 2(i) 0G (i,j,k) 采场第i 个台阶第j 个岩石区段到第k 排土场的运输量;L (i,j,k) 采场第i 个台阶第j 个岩石区段到第k 排土场的运距;G 1(k) 排土场的接收能力;G 2(i) 采场内第i 个水平的岩石量;n 采场内剥离水平总数;m 排土场的总数;22矿 业 工 程Mining Engineering第1卷 第2期2003年4月i 每一开采水平划分的岩石区段数;Z 岩石运输功。

采场内岩石区段的运距,可采用下式进行计算。

为了计算每一分层岩石区段的中心点,可根据质心的积分公式来计算:x0= xd x d yd x d y=x i x i y ix i y iy0= y d x d yd x d y=y i x i y ix i y i(2)式中 x0、y0 分层岩石区段的质心座标; x i、 y i 任一足够小的长方形的长和宽;x i、y i 任一足够小的长方形的几何中心座标。

岩石区段重心至本水平台阶出口的水平距离L1:L1=(x1-x0)(x1-x0)-(y1-y0)(y1-y0)(3)式中 x1、y1 台阶出口座标;x0、y0 岩石区段的重心座标。

程序总体思想:根据采掘进度计划的安排,将每年开采的岩石区段边界输入计算机,然后计算机自动进行方块的划分、面积计算、体积计算、岩量计算、重心计算。

1 12 竖向规划模式大孤山铁矿胶带排土场采用水平分层堆置方式。

1 1 3 计算胶带排土场堆置容量设计排土场总容量时,应与露天矿的总剥离量一致。

经过排土场的选择和规划,根据排弃岩石的物理力学性质及初步确定的排土参数,计算排土场的有效容积:V=v0 k sk c(4)式中 v0 排弃岩土的实方数;k s 岩石松散系数;k c 排弃岩石的沉降系数;V 排土场有效容积。

1 2 胶带排土场境界及最终标高的确定根据露天矿山的特点,本次研究把矿山运输线路分为采场内部线路、连接采场至排土场之间的外部固定线路和排土场内部线路3部分。

以此为基础,对内部线路、外部固定线路和排土场线路分别建立线路数据模型,用计算机生成规则线路数据文件,通过计算机计算每一开采岩块的岩量、重心等,模拟每一开采岩石块运往排土场的运距,作为优化计算的基础。

在排土优化中,以最小运输功为目标进行优化,实际上是优化运输网路中的最短路。

对于具体的矿山,在岩石运输系统中,外部固定路线是一定的,对运输功起主导作用的是采场内部线路及排土场线路的长短。

对于采场内部线路,在划分开采岩块时要按照采掘进度计划的要求,在运距的计算上要按开采岩块的开采顺序来计算。

对于胶带排土场线路,其长短主要取决于首排区的确定和排土方案的选择。

因此,首排区的确定及采用不同排土方法和扩展方式对整个排土方案有重要影响。

同一排土场采用不同的排土方法及排土方式具有不相同的指标。

如,运输功的大小、排土场的容积、占地的面积、稳定程度及投资等。

根据大孤山铁矿铁路排土场现有标高为130 ~160m,所以胶带排土场境界线的圈定工作是在标高130m水平上进行的。

根据胶带排土场境界确定软件计算得知,初始标高为250m,可满足采场岩石的排放。

2 大孤山铁矿合理胶带排岩工艺研究2 1 胶带排土场岩段模型的建立设矿山有n个胶带排土场,每个胶带排土场有m种排土方案。

用限定条件对要评价的n m 个方案进行评价,最后留下n 个方案进行多目标决策,从中确定符合上述准则的最优方案。

在所有的对比方案中排岩量是一定值,应以在评价期限内的最低费用为准则:tt=1nn=1A nt(1+E)t(5)式中 A nt 完成与第t年排土有关的第n项排土费用;t 排土场总服务年限;n 排土各种费用的种类;E 不同年限费用换算系数。

P t>V t;P t、V t 按采矿计划排土场第t 年的接受能力及计划排岩量;H m ax>H0;H max 按排土场排土作业安全条件选取的排土场总高度;H0 根据排土场稳定条件而选取的排土场总高度;H kmax>H k;H kmax 按排土场排土作业安全条件而选取的排土场台阶高度;H k 按排土场排土作业稳232003年第2期 王轶男等 大型露天矿胶带排土参数优化的研究定条件而选取的排土场台阶高度;B kt>B m i n;B kt 按排土场稳定条件而确定的台阶平盘实际宽度;B min 按排土场作业安全条件而确定的最小容许宽度。

首先,输入排土场的平面境界、排土场总高度、排土场台阶高度、排土设备生产能力等;其次,根据任一结构的排土场,选用不同的排土方法(矩形、扇形、矩形+扇形、扇形+矩形)以及不同的排土方式(上排、下排、混排),分别计算排土场台阶高度、排土带宽度、排土台阶工作平盘宽度,计算组成作业区和台阶单元岩段(排土条带)的位置以及数量和几何位置。

2 2 胶带排土工艺的初选根据胶带排土场选用的任一不同的排土方式及排土方法,计算机输出以下数据:排土带长度、宽度、移动胶带运输机至块段的距离、块段所占面积、排土带岩石量,计算每一作业区的块段数,排土场在排土境界内的体积及底面积;排土场的有效容积。

根据不同的排土方式及方法、矿山的排土设备型号及种类,挑选在工艺上能实现的,同时能满足约束条件的N 个胶带排土场工艺及参数。

根据大孤山铁矿胶带排土场的实际情况,初选以下几种胶带排土方案:直达排土场最终标高进行下排土方案(134~230m)。

整个扇形一次后退式下排;整个扇形二次后退式下排。

第二种分期排土方案(134~200~ 230m)。

整个扇形一次后退式下排;整个扇形二次后退式下排。

针对上面提到的4种胶带排土方案,分别计算: 岩石运输功; 各段胶带运输机的长度及设备总投资; 移道总次数; 各种工艺过程形成边坡后安全系数。

说明:岩石运输功=采场内运输功+外部固定线路运输功+胶带排土场运输功。

运距计算可采用下式进行计算:L n=L0+K H0(6)式中 L n 折算后的运距;L0 实际运距;K 比例系数;H 提升高度。

汽车运输:K=0 03;铁路运输:K=0 22;胶带运输机:K=0 015。

半固定线路年运输功为:排土机年生产能力 (半固定路堤斜坡长度+0 015 提升高度)。

转载胶带机年运输功:排土机年生产能力 (转载胶带长度+0 015 提升高度)。

设备投资计算采用下列参数:移动胶带运输机胶带宽度B=1 4m;移动胶带运输机设备费用0 9万元/m。

半固定胶带运输机胶带宽度B=1 4m;卸料车C1=72万元;转载受料装置B2=31500元;半固定胶带运输机C1=6758元/m;转载胶带机C3=30833元/m;卸料车C2=81万元; PLK2200排土机:386 5万元;推土机:61 2万元;移设机EJ320:85万元;检修车ED 140:7 91万元;随车液压吊BS2:1 97万元。

3 排土方案的最佳选择对于具体的矿山,正确地选择排土方案是一项重要而又复杂的过程。

因为胶带排土工艺选择的是否合理,直接影响到一系列的经济技术指标,如,岩石运排费用、投资、排土场的稳定性、排土场占地面积及环境保护等。

这里既包括经济因素又包含着社会效果。

很难用一个精确的公式来区别各排弃方案效果的好坏。

本次研究采用多目标决策方法来对不同的胶带排土工艺及参数等诸多因素进行定量分析,从中找到最优的胶带排土工艺及最优参数。

4 结语根据所编制的 大型露天矿胶带排土参数CAD优化软件包 ,优化结果如下:排土方式。

根据大孤山铁矿胶带排土场的实际情况,推荐采用分层分期二次后退式扇形排土方式。

排土方法。

考虑到排土机在排弃作业过程中供电的方便,并减少排土机的行走,推荐为下排排土方法。

扩展方式。

按扇形方式扩展。

排料臂合理仰俯角度的确定:根据唐钢石人沟铁矿的经验和大孤山铁矿的实际情况,上24矿 业 工 程 第1卷 第2期排时仰角为10 ~12 ,下排时俯角为0 ~2 时是合理的。

这时卸载半径大,可增加排土条带的宽度,提高排土效率。

排土段高。

上排段高由排土机的结构尺寸决定,考虑到设备技术和安全条件,大孤山铁矿采用PLK 2200排土机上排段高为14m 。

下排段高根据排土场基底的承载能力和稳定性确定,大孤山铁矿一期下排段高为42m ;二期下排段高为28m 。

排土带宽度。