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层状矿床露天开采工艺系统的优化选择 Ξ 张瑞新 张幼蒂 李新春 严霄惠 中国矿业大学 徐州221008 摘要 将层状矿床所包含的物料划分成松软层、 岩石层和有用矿物层等三种类型,提出了露天开采工艺的指标评 价体系,并应用专家系统、 计算机模拟、 系统分析及评价等方法,建立了层状矿床露天开采工艺的优化决策模型,并应 用该模型对HWS露天矿开采工艺系统进行了优化。 关键词 露天矿 开采工艺 层状矿床 优化决策 1 概述 我国可供露天开采的煤田,其开采条件大都 比较复杂,复盖层厚、 煤层多、 结构复杂、 剥采比较 大。同一矿田,不同深度的开采物料性质和赋存 条件差别较大,单一形式的开采工艺显然难以满 足优化设计和生产的需求,因此,为选择适用的开 采工艺,可以将露天开采的物料按其硬度或可挖 掘性以及有用性归纳为下列三种类型 采掘设备可直接挖掘的松软物料,如表土、 风化岩层等; 采掘设备难以直接挖掘,而需预先松碎的岩 石层,如硬或中硬岩层等; 有用矿物层,如煤层; 一般来说,这三类物料的开采工艺不同,鉴于 此,露天矿开采工艺的优化应按所开采的物料类 型分别进行研究。作者在对影响露天矿开采工艺 选择的主要因素进行系统分析的基础上,提出了 矿床露天开采工艺的定量综合评价指标体系,并 应用专家系统技术、 计算机模拟技术等建立了层 状矿床露天开采工艺系统优化决策模型。该优化 模型通过对松软层、 岩石层和煤层的开采工艺的 分部优化来达到露天矿开采工艺系统总体优化的 目标。 2 露天矿开采工艺系统优化选择模型 露天矿开采工艺系统的优化选择模型是应用 专家系统技术、 计算机模拟技术、 系统分析及评价 等方法,建立智能性决策支持系统。图1为该模 型系统的组成及相互关系,其实现过程可以归纳 为如下三个阶段 1模型系统准备阶段建立矿床地质模型、 地质数据库、 采矿设备及技术数据库、 工艺评价综 合数据库。建立工艺类型选择、 开采设备选择及 主要作业参数选择的专家知识库和智能推理控制 系统; 2开采工艺方案的初选阶段首先对矿床的 不同的物料层进行定量评价,然后选择若干个可 行的工艺方案,最后对主要开采工艺设备和主要 开采技术参数等进行选择; 3工艺方案的评价与优化决策阶段通过露 天矿开采的模拟模型,对工艺系统和设备进行技 术经济评价,以确定最佳开采工艺。 2. 1 矿床地质模型 矿床地质模型是工艺系统评价和决策的基 础。主要包括松软层、 岩石层和矿层的地质模型 和地质数据库,并具有对各个开采层的内部结构 与空间分布状态进行量和质的估算分析,绘制地 3 试验研究 IM 第二层分目标层。即松软层、 岩石层和煤层 露天开采可行方案的选择; 第三层方案可行性评判指标层。露天开采 工艺综合评价指标体系是在分析工艺选择的内外 部主要影响因素的基础上提出的。包括下列6项 一级指标和17级二级指标,其中一级指标的前三 项为内部影响因素,后三项为外部影响因素。 1界面特征界面系指松软物料层、 岩石层 和有用矿物层的上下分界面,特征指标主要包括 开采层的上下界面的平均倾角、 起伏程度包括地 貌特征。用以反映工艺设备作业场所的空间工 作条件。 2物料性质主要包括开采物料的切割阻 力、 承载能力和含水性。用以反映物料采掘、 运输 的难易程度。 3为了较准确地描述开采物料的结构特征, 对各个剥采层的不同物料组分按其构成比例、 对 工艺的影响程度,分为主采层和辅采层,并以主采 层和辅助层的平均厚度、 开采层数及其分布规律 为二级指标。用以反映开采物料的内部结构和组 分,突出反映分采的难易程度。对煤矿而言,主采 层为煤层,其指标为平均矸石厚度、 矸石层数、 矸 石分布规律。 4运排条件包括采场深度、 平面尺寸、 内外 排比例、 运输排土距离等指标。宏观反映采、 运、 排三者的空间关系,突出对运输条件的描述。 5剥采强度指松软物料层、 岩石层和煤层 的年剥采量,主要包括有用矿物年生产能力、 剥采 比和松软物料占总剥离量的比例。反映出采剥量 对设备效率的要求。 6气候条件包括年平均降水量、 冻结天数、 最大冻深等,反映气候对设备作业的影响程度。 图2 露天开采工艺系统优化决策网络图 在此,知识的运用采取IF - THEN规则形 式,推理控制系统按照开采物料的类型调用知识 库,激活规则,完成各开采工艺的定量综合评价, 从而选择出可行的开采系统方案。 2. 2. 2 开采工艺设备及主要作业参数的选择 开采工艺类型的各个可行方案一经确定,决 4 试验研究 IM B 轮斗铲 胶带 排土机工艺; C单斗铲 装载仓 胶带 排土机工艺; D单斗铲 汽车 端帮半移动破碎机 胶 带机 排土机工艺; E单斗铲 汽车 工作线中部半移动破碎 机 胶带机 排土机工艺; F单斗铲 移动破碎机 胶带机 排土工 艺; G吊斗铲倒堆工艺; H悬臂排土桥工艺; 可能的采煤工艺方案只有两种,即 I单斗铲 汽车 破碎机溜井 平巷胶带机 斜井胶带机 洗煤厂精煤出口 ; J 露天采煤机 汽车 溜井 平巷胶带机 斜井胶带机 地面储煤场直接供给用户 ; 通过决策模型分析、 评价,从上列可能的剥、 采工艺方案中获得若干可行的工艺方案,然后再 经模拟开采和进一步分析、 评价,即得出优化工艺 方案见表 1 。 4 主要结论 4. 1 本文将层状矿床露天开采的对象分成松软 层、 岩石层和有用矿物层等三类,提出了进行露天 开采工艺性综合评价的6个方面17项的评价指 标体系是优化露天矿开采工艺系统的基础。 4.2 应用专家系统、 计算机模拟、 系统分析及评 价等方法,建立的层状矿床露天开采工艺系统优 化选择的模型,可以实现不同物料层开采工艺类 型、 开采设备和主要作业参数的选择优化。 4. 3 通过实例研究,认为HWS露天矿首采区表 土台阶、 上部岩石台阶、 下部岩石台阶以采用最机 动的单斗铲 汽车工艺为宜;中部岩石台阶运距 大,应采用半连续式的开采工艺,即单斗铲 移动 破碎机 胶带机 排土机工艺;上下部复杂煤层 的开采工艺是露天采煤机 汽车 溜井 平巷胶 带机 斜井胶带机 地面储煤场;中部厚煤层的 开采工艺是单斗铲 汽车 破碎机溜井 平巷胶 带机 斜井胶带机 洗煤厂洗选。 4. 4 本模型系统尚待进一步的拓展和完善。文 中对HWS露天矿开采工艺优化选择所得出的结 5 试验研究 IM 下界面土岩界面 有一定起伏。 上部岩层与表土接触界面有一定起伏, 被冲沟切割,工作面不连续; 中部岩层上下界面为人为划定较稳定、 界面平缓; 下部岩层受煤层起伏影响,下界面起伏 较大; 煤层平均倾角8 - 10℃;煤层沿倾斜方向顶 板、 底板起伏较大。 物 料 性 质 物料松软、 可直接采掘; 承载能力小; 含水量少。 岩石为中硬性,需松碎后可采装; 承载能力大,含水量少。 煤属硬煤,需松碎后可采装; 承载能力大,含水量少。 结 构 状 态 主要为黄土,含有少量硬结核、 树根等 物;平均厚度为12m ,厚度分布变化较 大。 上部岩层平均20 - 30m; 中部岩层平均60m; 下部岩层平均20 - 30m; 平均纯煤厚度26m;主要分三层煤,上下层 平均厚度约为8m、5m ,含有多层夹矸,结构 复杂,中层厚度约15m ,含矸少,结构简单; 煤层与矸层的变化较大,其分布规律略。 运 排 条 件 首采区长5km ,宽1. 5 - 2. 0km;开采深 度在10 - 30m;表土近距离两翼外排, 运距约1. 5km; 开采深度为100 - 140m; 上部层外排距离较近;其余层外排距离 较大,3 - 4km;转入内排后,运距约2 - 3km; 煤平均开采深度为100 - 140m;运到地面运 距较大,平均约3 - 4km; 剥 采 强 度 平均年剥离量为7Mm3,占土岩剥离总 量的12 - 18 ; 平均剥采比4. 65m3/ t ; 年剥岩量约50 - 70Mm3; 年平均推进度为300 - 360m; 年产原煤12Mt/ a ; 气 候 条 件 为干旱地区,年平均冻结期约6个月, 最大冻深1. 5m; 同左 同左 工 艺 可行工艺 A、B、C 最优工艺A 可行工艺优化结果 上部岩石A ,D ,FA 中部岩石A ,D ,E ,FF 下部岩石A ,G,HA 可行工艺优化结果 上、 下煤层I ,JJ 中部煤层I ,JI 致谢参加实例研究工作的尚有中国矿业大 学的于汝绶教授、 李曙光高工,顾正洪副教授。 参考文献 1 张瑞新,张幼蒂.露天采矿优化决策的新途径.中国矿业大学学 报. 1994 ,No. 3. 2 Zhang Youdi. Zhang Ruixin et al ,An intelligent system for opti2 mum decision - making in surface mining ,the 24th APCOM ,Canada , Oct. 1993. 3 张达贤,张幼蒂编.露天采矿新工艺.中国矿业大学出版社. 1992. 10 ,徐州. 4 于汝绶.露天矿设计理论分析.中国矿业大学出版社,1988 ,10 , 徐州. 5 沈阳煤矿设计院.准格尔矿区二期工程总体规划. 1989. 10 收稿日期1998 - 02 - 12 下转15页 6 试验研究 IM P化工矿物与加工 1999年第3期 ISEP阴柱,从阴柱出来的物料经段间加压泵加压 后,再进入阳柱,然后再经过阴柱,物料完成精制 过程,进入贮槽。 2顶水将需进行再生树脂柱中的山梨醇顶 出,置换出来的料液进入给料罐。 3用酸液再生阳树脂,用碱液再生阴树脂。 4用水彻底清洗树脂中残余的酸和碱。 5用酸液再生阴树脂,用碱液再生阳树脂, 进行交叉再生。 6再生废液排放至治理站。 树脂柱与ISEP阀连续同步旋转。 4. 2 连续离子交换ISEP系统与间歇离子交换 系统比较 比较结果见下表。 连续离交系统与间歇固定床离交系统比较 项 目 间歇离交 连续离交 设备台数 6 2 设备投资42万元34万美元 再生剂消耗 烧碱NaOH100 kg/ a 盐酸HCl31 kg/ a 292500 330000 20160 74787 顶水用量t/ a30521123 洗水量 m 3 / a 90004068 废水量 m 3 / a 106306000 树脂消耗量 阴树脂m3/次 阳树脂m3/次 9. 6 9. 6 2. 06 2. 06 产品质量品质不均品质均一 工艺特点 间歇生产, 人工操作 连续生产, 仪表自控 运行时间每年7200h 若阳离子树脂20000元/ m3,5年寿命 阴离子树脂32000元/ m3,2年寿命 HCl31 费用450元/ t NaOH100 费用1600元/ t 工业用水1元/ t 废液处理2元/ t 则年估计节约费用约83万元 5 结语 生产实践证明,连续离子交换ISEP系统与 传统固定床式离子交换系统相比具有运行费用 低,产品品质均一,操作简单,污水量少等优点。 虽然连续离子交换ISEP系统比固定床式 离子交换系统一次性投资高出数倍,但该系统运 行费用低,据初步估算,以2万t/ a山梨醇装置为 例,一年比固定床式可节约83万元,3～4年即可 收回全部投资,同时,企业可获得成本较低、 质量 稳定的产品,可以有效地增强企业的市场竞争力。 收稿日期1998 - 10 - 22 Application of continuous Ion Exchange Resin System in Sorbitol Production Zhang Mei Xiang ZIhenchang Lianyungang Design Research Institute , the Ministry of Chemical Industry Abstract The operation principle ,features of the continuous ion exchange resin system and its application in sorbitol production were described. A economic and technology comparison between the sys2 tem and traditional fixed - bed ion exchange resin system was made. Keywords continuous ion exchange resin system ,sorbitol ,Resin regeneration 上接6页 Selection of Surface Mining Technology for Layered Deposits Zhang Ruixin Zang Youdi Li xinchun Yan Xiaohui China University of Mining and Technology Abstract The materials exploited in layered deposits are divided into three kinds ,i. e. soft seam ,rock seam and useful mineral seam. The comprehensive technical uation index system of the exploitation materials is put forward in this pa2 per and an optimum selection model for surface mining tech2 nology is built up by the use of the s of expert sys2 tem ,computer simulation , system analysis and uation , etc. In the end ,this model is applied to optimize the surface mining technology of HWS Surface Coal Mine. Keywords surface mine , surface mining technology ,opti2 mum decision2making. 51 技术经验 IM P化工矿物与加工 1999年第3期