哈尔乌素露天煤矿单斗—卡车工艺优化研究.pdf

硕士学位论文硕士学位论文 论文题目论文题目哈尔乌素露天煤矿单斗卡车工艺优化研究 英文题目英文题目Optimization Study in Haerwusu Surface Mine Single Bucket Excavator-truck System 学位类学位类别别 工学硕士 研 究 生 姓研 究 生 姓 名名 宫玉成 学号学号 201002087 学科学科领域领域名称名称 采矿工程 指导教指导教师师 韩万东 职称职称 教授 协助指导教协助指导教师师 职称职称 2013 年 6 月 8 日 分类号分类号 TD824 密密 级级 公开 U D C 学校代码学校代码 1012710127 独独 创创 性性 说说 明明 本人郑重声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得内蒙 古科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示 了谢意。 关于关于学位学位论文使用授权的说明论文使用授权的说明 本人完全了解内蒙古科技大学有关保留、使用学位论文（纸质版和 电子版）的规定，即本人唯一指定研究生院有权保留送交学位论文在 学校相关部门存档，允许论文在校内被查阅和借阅，可以采用影印、缩 印或其他复制手段保存论文。在论文作者同意的情况下，研究生院可以 转授权第三方使用查阅该论文。 （保密的论文在解密后应遵循此规定）（保密的论文在解密后应遵循此规定） 内蒙古科技大学硕士学位论文 I 摘 要 单斗卡车工艺以其机动灵活、适应性强、生产能力大、初期投资省等优点得 到了露天采矿界的普遍认可和广泛使用[1]。现在国内的主要露天矿中均以单斗卡 车工艺为主，随着最近二十年来在全国露天矿的大量应用，使该工艺得到了飞速发 展，同时也产生了大量亟待解决的新问题，对理论的研究提出了新的要求。针对目 前单斗卡车工艺在生产中的迅速应用，加快该工艺的理论研究就变得日益迫切。 论文对哈尔乌素露天煤矿的地质状况进行了概括，总结哈尔乌素露天煤矿的工 艺现状，哈尔乌素露天煤矿剥离采用单斗卡车工艺系统，采煤采用单斗卡车地 面半固定破碎站半连续开采工艺；对经济合理剥采比进行研究和分析，讨论现行计 算经济合理剥采比在方法上存在的不足，并总结出综合因素经济合理剥采比。以综 合因素经济合理剥采比重新圈定哈尔乌素露天矿的开采境界，重新圈定的境界变大， 可开采矿量增多；以露天煤矿净效益值为准则，建立单斗卡车工艺系统工作线长 度优化模型，得出哈尔乌素露天煤矿最优工作线长度为 2000m；根据生产规模和设 备大小的关系确定 495HR 电铲和 395BI 为备选电铲，从技术可行和经济合理的角度 分析，得出单斗卡车工艺选用的电铲型号为 495HR；露天煤矿每年要完成 65Mm3 剥离量，计算出电铲数量为 6 台；根据“大铲配大车”的原则确定 495HR 电铲配载 重为 326t 的 MT5500 卡车和载重 220t 的 SF39900 卡车，以勺容比和车铲比为依据， 并考虑卡车能力对电铲能力的影响，综合分析经济效益确定卡车型号为额定载重为 326t 的 MT5500 卡车，并计算出所需卡车数量为 42 台；采用传统方法确定露天煤矿 台阶高度范围为 14m-20m，采用多目标规划模糊评判法，以损失率、贫化率、平均 运距、爆破费用、采矿剥离量为决策目标，得出确定台阶高度的决策矩阵，以专家 评判法来确定各因素权重，最终确定露天矿合理台阶高度为 16m，结合露天矿经验 确定采掘带宽度为 30m，以采矿作业方式确定工作平盘宽度为 76m。 论文针对哈尔乌素露天煤矿单斗卡车工艺系统进行优化研究，研究结果将优 化哈尔乌素露天煤矿的单斗卡车工艺系统，提高哈尔乌素露天矿的经济效益，进 而促进露天采矿事业的发展。 关键词露天煤矿；单斗卡车工艺；经济剥采比；设备选型；开采参数 内蒙古科技大学硕士学位论文 II Abstract Thesis take Haerwusu surface mine in late 2012 as object of study, which shovel- struck-technology was optimized by surface mining theory, fuzzy mathematics , economic theory, systems engineering s and so on. Thesis summarizes the Haerwusu open-pit coal mine geological conditions and technology of the status quo. Haerwusu open-pit coal mine stripping using discontinuous process, coal using semi-continuous process. To study and analysis on the stripping ratio, current computing stripping ratio on the of comprehensive factors and summarizes the economic stripping ratio, then obtained reasonable economic stripping ratio of Haerwusu surface mine and re-delimited mining limits. In thesis, the value of the surface mine’s net benefit as criterion, working length model of shovel-struck-technology was established, and calculated that working length of Haerwusu surface mine is 2000m. From the print of technology feasibility and economical, and connecting with the production scale and equipment show that the size of single bucket-process of excavator truck model for 495HR. Thesis is based on ratio of trucks to shovels and ration of shovel’s volume to truck’s, through the technical and economic analyzed, come to that rock stripping system selected 6 sets 60.4m3 shovels and 42 sets 326T trucks. Last, used multi-objective programming and fuzzy uation s. Established Optimization models of bench height, strip width and minimum width of working bench, Obtained the bench height is 16m, strip width is 30m and minimum width of working bench is 76m. In thesis, shovel-struck system under composite system of Haerwusu surface mine was studied, the results will optimize shovel-struck system, and promote the development of open pit mining. Key WordsKey Wordssurface mine; shovel-struck system; economic stripping ratio; equipment selection; mining parameters 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 1 - 目目 录录 摘 要 ................................................................................................................................ I Abstract ..................................................................................................................................II 1 绪论 ................................................................................................................................... 1 1.1 选题背景 ................................................................................................................. 1 1.2 研究现状综述 ......................................................................................................... 2 1.3 研究内容与方法 ..................................................................................................... 3 1.3.1 主要研究内容 ............................................................................................... 3 1.3.2 主要研究方法 ............................................................................................... 4 1.4 研究目的与意义 ..................................................................................................... 5 1.5 本章小结 ................................................................................................................. 5 2 哈尔乌素露天煤矿概况 ................................................................................................... 6 2.1 地质概况 ................................................................................................................. 6 2.1.1 位置及交通 ................................................................................................... 6 2.1.2 自然地理 ....................................................................................................... 9 2.1.3 含煤地层 ..................................................................................................... 11 2.1.4 可采煤层 ..................................................................................................... 11 2.2 露天矿生产现状 ................................................................................................... 13 2.2.1 露天矿概况 ................................................................................................. 13 2.2.2 露天矿工艺现状 ......................................................................................... 13 2.3 本章小结 ............................................................................................................... 14 3 露天矿工作线长度的确定 ............................................................................................. 15 3.1 露天矿开采境界 ................................................................................................... 15 3.1.1 圈定原则 ..................................................................................................... 15 3.1.2 综合因素经济剥采比 ................................................................................. 15 3.1.3 圈定结果 ..................................................................................................... 21 3.2 哈尔乌素露天煤矿工作线长度优化 ................................................................... 23 3.3 本章小结 ............................................................................................................... 26 4 单斗卡车工艺设备选型及数量计算 ......................................................................... 27 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 2 - 4.1 生产规模与设备大小的关系 ............................................................................... 27 4.2 单斗卡车工艺年铲运能力分析 ....................................................................... 28 4.3 电铲型号的确定 ................................................................................................... 29 4.3.1 电铲能力计算 ............................................................................................. 29 4.3.2 电铲数量计算 ............................................................................................. 31 4.3.3 方案比较 ..................................................................................................... 31 4.4 卡车型号的确定 ................................................................................................... 32 4.4.1 勺容比与车铲比 ......................................................................................... 33 4.4.2 卡车能力对电铲能力影响分析 ................................................................. 36 4.4.3 经济效益分析 ............................................................................................. 38 4.5 本章小结 ............................................................................................................... 41 5 工作面参数优化 ............................................................................................................. 42 5.1 台阶高度的确定 ................................................................................................... 42 5.1.1 传统台阶高度的确定 ................................................................................. 42 5.1.2 多目标目标规划的模糊评判原理介绍 ..................................................... 43 5.1.3 基于多目标目标规划的模糊评判确定哈尔乌素露天矿台阶高度 ......... 45 5.2 采掘带宽度 ........................................................................................................... 51 5.3 最小平盘宽度 ....................................................................................................... 52 5.4 本章小结 ............................................................................................................... 53 6 结论与展望 ..................................................................................................................... 54 6.1 结论 ....................................................................................................................... 54 6.2 展望 ....................................................................................................................... 54 参考文献 ............................................................................................................................. 56 在学研究成果 ..................................................................................................................... 60 致 谢 ............................................................................................................................. 61 内蒙古科技大学硕士学位论文 1 1 绪论绪论 1.1 选题选题背景背景 煤炭是我国最丰富的能源矿产之一，在我国一次性能源结构中占有较大的比例， 在以后相当长的一段时间内，煤炭仍然在我国一次能源结构中占主导地位[2]，在 “十二五”期间，以及将来的很长一段时间内，根据我国煤炭工业发展的需要，将 新建或改扩建一批大型甚至特大型露天矿，到目前为止，我国已经完成或新建生产 能力在 10Mt/a 至 20Mt/a 的特大型露天煤矿愈 20 座，煤炭总产量在占全国煤炭产 量的比例将有明显的提高[3]。 近年来我国经济持续稳定发展，能源需求尤其是基础能源煤炭的需求逐年增加， 为国内煤炭企业的迅速发展提供了良好的机遇。随着国家西部大开发战略的实施， 西部经济发展突飞猛进，尤其是内蒙古自治区西部鄂尔多斯地区依靠丰富的煤炭资 源优势，已经成为我国重要的煤炭生产基地。 哈尔乌素煤炭分公司隶属于中国神华集团，由神华准格尔能源有限责任公司代 为管理。薛家湾镇是神华准格尔能源有限责任公司和准格尔旗政府所在地，位于鄂 尔多斯地区准格尔煤田中间位置。公司现有一个露天煤矿，即黑岱沟露天煤矿，同 时代管哈尔乌素露天煤矿，设计生产能力均为 20.00Mt/a（原煤），公司总体规模达 40.00Mt/a，两个露天煤矿生产情况正常，已有各种设施运转状态良好。 神华集团为实现“科学发展，再造神华，五年内经济总量翻番”的奋斗目标， 神华准格尔能源有限责任公司作为中国神华集团下属的子公司，决定对代管的哈尔 乌素露天煤矿进行扩能技术改造，在现有生产规模的基础上，2011 年将公司的露天 矿生产规模扩至 31.00Mt/a。 中国神华哈尔乌素煤炭分公司哈尔乌素露天煤矿扩能技术改造的主、客观条件 已经成熟，做大做强哈尔乌素煤炭分公司的煤炭产业，对于鄂尔多斯地区变资源优 势为产业优势，进而转化为经济优势，具有十分重大意义，而且能给国家及神华集 团带来巨大的商机及经济效益，同时能够促进地方经济的快速发展，增加地方财政 税收和人员就业。 露天矿最主要的生产环节是采掘、运输、排卸（排土、卸矿），围绕着这三 个方面还有一系列的辅助生产环节如穿孔爆破、动力供应、防排水等等。单斗 卡车工艺随着最近二十年来在全国露天矿的大量应用，使该工艺得到了飞速发展， 内蒙古科技大学硕士学位论文 2 同时也产生了大量亟待解决的新问题，对单斗卡车工艺理论研究也提出了新的要 求[4]。针对现在单斗卡车工艺在现实中的迅速应用，加快该工艺的理论研究就变 得日益迫切。哈尔乌素露天煤矿剥离采用单斗卡车开采工艺，采煤采用单斗卡 车地面半固定破碎站半连续开采工艺，论文通过对单斗卡车工艺及其参数的优化 研究，以期达到提高工作效率的目的，为矿山创造更好的经济效益。 论文在此背景下展开，以哈尔乌素露天煤矿单斗卡车工艺为研究对象，进行 工艺参数优化。 1.2 研究现状研究现状综述综述 露天煤矿单斗卡车工艺以其机动灵活、适应性强、生产能力大、初期投资省 等优点，在露天煤矿中得到了普遍认可和广泛使用。文献[5]对临时排土桥、液压电 铲、卡车架线辅助供电系统、卡车调度系统这些技术进行了分析，并介绍了这几项 新技术在露天煤矿单斗卡车工艺中的最新进展及我国的适用性。 在献[6]中提出以单斗卡车工艺系统效率最高而确定的勺容比作为电铲与卡车 选型的基本准则，以露天矿总生产成本最低作为车铲匹配综合优化的新方法；给出 以电铲和卡车单位生产能力的折旧费用之比作为两者的权重之比，通过电铲作业时 间利用率、卡车载重利用率和卡车作业时间利用率来确定系统效率的计算方法。并 以黑岱沟露天煤矿的具体条件为基础进行了实例研究，总结得出不同的运输物料采 用不同型号的车铲组合方案。文献[7]中分析了露天矿单斗卡车工艺系统的车铲效 率，把排队论方法运用的计算当中，并以工艺系统综合收益最大为目标确定了最优 车铲比。 文献[8]以安太堡露天煤矿为实例总结了近水平煤层露天矿单斗卡车工艺分区 开采的经验，在矿床模型的建立、开采规划、方案比选中提出了新的见解，并得出 合理分区开采方案。文献[9]针对黑岱沟露天煤矿吊斗铲在技术改造过程中因吊斗铲 推迟作业，在吊斗铲投入前的东部高台阶的抛掷爆破量需用单斗卡车工艺完成， 经过多方案对比，提出东部高台阶单斗卡车工艺分区开采方案。文献[10]以霍林 河南露天煤矿单斗卡车工艺系统为研究对象，对不同卡车入换方式进行研究对比， 总结出卡车入换方式和设备生产效率之间的相互关系，为单斗卡车工艺缩短作业 循环时间，提高车铲利用率寻找新的方法。文献[11]从茂名油页岩露天矿的具体情 况出发，对单斗卡车开采工艺的设备选型提出了多种组合方案，针对该矿田的实 内蒙古科技大学硕士学位论文 3 际，最后得出采矿设备选型的结论。文献[12]对近几年来黑岱沟露天煤矿生产过程 中发生的事故进行统计分析，为确保露天矿的安全生产找出事故发生的原因，并提 出相应的防范措施。文献[13]介绍了单斗卡车开拓运输系统在安太堡露天煤矿的 应用，以及为了提高露天矿经济效益，对运输系统的合理规划和适时改造。 文献[14]对黑岱沟露天煤矿投入吊斗铲后，对吊斗铲和单斗卡车联合工艺工 作线长度的确定进行讨论，通过单斗卡车工艺计算出最大工作线长度，联合工艺 在此长度范围内取值，经济效益优于全汽车双环内排。文献[15]对单斗卡车工艺 的实时调度优化决策系统进行分析研究，并对应用效果进行预测研究。文献[16]在 对生产中的车辆调度方案分析的基础上，对单斗卡车工艺的调度模拟系统的理论进 行了进一步的研究。文献[17]给出单斗卡车工艺的露天矿中分时段卡车实时调度系统的 设计思路；扼要阐述主模块与各分模块的关系及各模块的功能和任务；详尽阐述了装车 区间、时间段接续等优化中用到的方法。文献[18]用计算机仿真事件步长法对装运环节 进行模拟。由模拟计算结果分析可知改变汽车的车铲比、汽车运行时间的负指数波动 值、呈正态分布的装车时间的标准差，都会改变生产的产量和汽车的等装车时间，模拟 计算结果与实际生产情况相吻合。 总之，煤层赋存条件的多样化，露天采矿技术的进步以及市场竞争机制，使单 斗卡车工艺系统得以日益发展，研究哈尔乌素露天煤矿具体条件下的单斗卡车 工艺的工作线长度、设备选型及数量计算、台阶参数设置对露天煤矿具有重要的理 论意义。 1.3 研究研究内容内容与与方法方法 1.3.1 主要研究内容主要研究内容 论文在对单斗卡车工艺系统研究成果的基础上，结合相关领域知识，以哈尔 乌素露天煤矿 2012 年末为典型工程状态，分析现行计算剥采比的原则，对剥采比进 行研究，重新圈定哈尔乌素露天煤矿的开采境界。在新境界的基础上，参考哈尔乌 素露天煤矿的具体地质条件，对单斗卡车工艺系统的合理工作线长度进行计算； 对单斗卡车工艺主要设备型号进行优化选择，并计算出设备数量；并对实体工作 面进行参数优化。论文主要研究内容包括如下几部分。 （1）露天矿开采境界 内蒙古科技大学硕士学位论文 4 对计算剥采比的方法进行研究，分析现行计算剥采比方法存在的不足，用综合 因素经济剥采比对哈尔乌素露天煤矿的开采境界进行重新圈定，在新境界的基础上 对单斗卡车工艺的合理工作线进行优化，计算出露天矿的合理工作线长度。 （2）露天矿主要设备选型及数量优化 由露天矿的生产规模来确定主要设备的级别，计算露天矿年剥离量，确定电铲 级别，并列出电铲可选型号，在完成露天矿的年剥离量的前提下，以电铲效率最高 为目标，通过比较确定电铲型号；由确定的电铲型号列出卡车可选型号，结合勺容 比、车铲比确定卡车型号及数量。 （3）露天矿台阶参数优化 利用设备参数确定露天煤矿台阶高度范围，以影响台阶高度确定的主要因素为 目标向量，确定台阶高度决策矩阵，确定台阶高度；在确定台阶高度后，利用采矿 作业方法确定采掘带宽度和最小工作平盘宽度。 1.3.2 主要主要研究方法研究方法 论文以哈尔乌素露天煤矿具体地质条件为基础，在单斗卡车已有研究成果的 基础上，综合运用相关露天采矿理论、数学建模等专业知识完成论文的主要研究内 容。论文拟采用的主要方法有 （1）采矿作业与数理分析相结合 作为一个复杂、开放的大系统来说，露天煤矿的开采存在许多复杂而又难以确 定的因素，使得采矿的定量分析缺少准确的数学理论基础，因此在定量与定性分析 中，尝试使用舍掉次要因素建立数学模型，对单斗卡车工艺的各种影响因素进行 综合分析。 （2）理论分析与实例研究相结合 采矿工程作为一门实践性非常强的学科，理论研究成果用于指导工程实践。同 时，新的科研成果也需要通过生产实践进行检验。论文以哈尔乌素露天煤矿 2012 年 末生产现状与实际资料为基础进行实例研究，验证各项研究内容、方法和成果的正 确性和有效性。 （3）系统方法 复杂的矿山生产工艺系统是由多个子系统组成，其中既有非结构的，也有局部 结构的和因果逻辑的，因此系统分析方法是论文研究所依据的重要方法之一。 内蒙古科技大学硕士学位论文 5 1.4 研究研究目的与意义目的与意义 单斗卡车工艺以其机动灵活、适应性强、生产能力大、初期投资省等优点得 到了露天采矿界的普遍认可和广泛使用。单斗卡车工艺系统在我国露天矿五十年 代就有较广泛的应用。上世纪 80 年代末，单斗卡车工艺在平朔安太堡露天煤矿的 成功应用，对我国露天矿事业的发展起了极大的推动作用，现在的主要露天矿中均 以单斗卡车工艺为主。单斗卡车工艺随着最近二十年来在全国露天矿的大量应 用，使该工艺得到了飞速发展，同时也产生了大量亟待解决的新问题，对理论研究 提出了新的要求。针对现在单斗卡车工艺在现实中的迅速应用，加快该工艺的理 论研究就变得日益迫切。 开采矿床赋存条件的多样化，采矿技术的进步以及市场竞争机制，使单斗卡 车工艺系统得以日益发展，论文研究哈尔乌素露天煤矿开采境界内的合理工作线长 度、设备选型及数量计算、剥离台阶参数设置具有重要的理论意义和实际价值。论 文将模糊数学和多目标决策理论应用于哈尔乌素露天煤矿单斗卡车工艺剥离工程， 完成剥离台阶参数确定的研究工作，更好地指导工程实践作业，从而达到其技术可 行、经济合理安全可靠的综合目标提高综合工艺下单斗卡车工艺的应用效果。 1.5 本章小结本章小结 本章从哈尔乌素露天煤矿现有开采的实际出发，阐述了论文的选题背景与意义； 介绍了该领域内已有的研究成果，并进行了相应的综合评述。在此基础上，给出了 论文的主要研究内容，以及采取的研究方法，描述了论文的整体结构与构架。 内蒙古科技大学硕士学位论文 6 2 哈尔乌素露天煤矿概况哈尔乌素露天煤矿概况 2.1 地质概况地质概况 2.1.1 位置及交通位置及交通 （1）位置 准格尔煤田位于内蒙古自治区鄂尔多斯市准格尔旗东部。其范围东起煤层露头， 西至 6 号煤层 600m 底板等高线，东西宽 21km，北至煤层露头，南至黄河之滨，南 北长 65km，面积 1022km2。煤田范围内有准格尔旗所辖四镇四乡（东孔兑镇、薛家 湾镇、魏家峁镇、马栅镇、窑沟乡、哈岱高勒乡、海子塔乡、长滩乡）。煤田北部 隔黄河与内蒙古自治区呼和浩特市托克托县、清水河县相邻，东部、南部分别与山 西省偏关县、河曲县相邻，西南部与山西省府谷县相邻，西部与鄂尔多斯市达拉特 旗、东胜区和伊金霍洛旗相接。哈尔乌素露天煤矿首采区位于准格尔煤田中部，距 内蒙古自治区鄂尔多斯市准格尔旗旗府所在地薛家湾镇直距约 13km。行政隶属准格 尔旗哈岱高勒乡，其地理坐标为东经11113′18″～11115′20″，北纬 3943′34″～3945′02″。 （2）交通 神华集团准格尔能源有限责任公司驻地薛家湾镇是准格尔旗旗府，也是距离本 区最近的城镇。薛家湾与本区直距 13km，从薛家湾乘汽车经大饭铺到达本区约 37 km，薛家湾对外交通比较方便。 ① 铁路 大