層狀礦床露天開采工藝系統(tǒng)的優(yōu)化選擇

1、層狀礦床露天開采工藝系統(tǒng)的優(yōu)化選擇張瑞新張幼蒂李新春嚴霄惠(中國礦業(yè)大學徐州221008摘要將層狀礦床所包含的物料劃分成松軟層、巖石層和有用礦物層等三種類型,提出了露天開采工藝的指標評價體系,并應用專家系統(tǒng)、計算機模擬、系統(tǒng)分析及評價等方法,建立了層狀礦床露天開采工藝的優(yōu)化決策模型,并應用該模型對HWS露天礦開采工藝系統(tǒng)進行了優(yōu)化。關鍵詞露天礦開采工藝層狀礦床優(yōu)化決策1概述我國可供露天開采的煤田,其開采條件大都比較復雜,復蓋層厚、煤層多、結構復雜、剝采比較大。同一礦田,不同深度的開采物料性質和賦存條件差別較大,單一形式的開采工藝顯然難以滿足優(yōu)化設計和生產的需求,因此,為選擇適用的開采工藝,可以

2、將露天開采的物料按其硬度或可挖掘性以及有用性歸納為下列三種類型:采掘設備可直接挖掘的松軟物料,如表土、風化巖層等;采掘設備難以直接挖掘,而需預先松碎的巖石層,如硬或中硬巖層等;有用礦物層,如煤層;一般來說,這三類物料的開采工藝不同,鑒于此,露天礦開采工藝的優(yōu)化應按所開采的物料類型分別進行研究。作者在對影響露天礦開采工藝選擇的主要因素進行系統(tǒng)分析的基礎上,提出了礦床露天開采工藝的定量綜合評價指標體系,并應用專家系統(tǒng)技術、計算機模擬技術等建立了層狀礦床露天開采工藝系統(tǒng)優(yōu)化決策模型。該優(yōu)化模型通過對松軟層、巖石層和煤層的開采工藝的分部優(yōu)化來達到露天礦開采工藝系統(tǒng)總體優(yōu)化的目標。2露天礦開采工藝系統(tǒng)優(yōu)

3、化選擇模型露天礦開采工藝系統(tǒng)的優(yōu)化選擇模型是應用專家系統(tǒng)技術、計算機模擬技術、系統(tǒng)分析及評價等方法,建立智能性決策支持系統(tǒng)。圖1為該模型系統(tǒng)的組成及相互關系,其實現(xiàn)過程可以歸納為如下三個階段:(1模型系統(tǒng)準備階段:建立礦床地質模型、地質數(shù)據(jù)庫、采礦設備及技術數(shù)據(jù)庫、工藝評價綜合數(shù)據(jù)庫。建立工藝類型選擇、開采設備選擇及主要作業(yè)參數(shù)選擇的專家知識庫和智能推理控制系統(tǒng);(2開采工藝方案的初選階段:首先對礦床的不同的物料層進行定量評價,然后選擇若干個可行的工藝方案,最后對主要開采工藝設備和主要開采技術參數(shù)等進行選擇;(3工藝方案的評價與優(yōu)化決策階段:通過露天礦開采的模擬模型,對工藝系統(tǒng)和設備進行技術經

4、濟評價,以確定最佳開采工藝。2.1礦床地質模型礦床地質模型是工藝系統(tǒng)評價和決策的基礎。主要包括松軟層、巖石層和礦層的地質模型和地質數(shù)據(jù)庫,并具有對各個開采層的內部結構與空間分布狀態(tài)進行量和質的估算分析,繪制地3本課題為自然科學基金資助項目質圖件、輸出等功能模塊,從而形成開采工藝決策所需的專用數(shù)據(jù)庫。 圖1露天開采工藝系統(tǒng)優(yōu)化選擇模型結構圖2.2露天開采工藝系統(tǒng)可行方案的初選露天開采工藝方案初選模型主要包括工藝形式的選擇、主要開采設備的選擇、主要技術參數(shù)的確定等功能。其實現(xiàn)過程是依據(jù)礦床開采工藝綜合評價指標體系,在知識庫對礦床開采技術條件進行定量評價的基礎上,首先選擇出可能的開采工藝系統(tǒng)方案,然

5、后進一步選擇采裝、運輸、排棄環(huán)節(jié)的主要開采工藝設備和主要開采技術參數(shù)。顯然開采工藝評價指標體系是整個決策系統(tǒng)的核心,工藝類型的選擇則是主體。2.2.1露天開采工藝系統(tǒng)類型的初選 露天礦開采工藝系統(tǒng)類型的選擇是按圖2所示的決策網(wǎng)絡分層進行的。其分層結構及工藝性綜合評價的指標體系簡要敘述如下:第一層:目標層。即露天開采工藝系統(tǒng)可行方案的選擇;第二層:分目標層。即松軟層、巖石層和煤層露天開采可行方案的選擇;第三層:方案可行性評判指標層。露天開采工藝綜合評價指標體系是在分析工藝選擇的內外部主要影響因素的基礎上提出的。包括下列6項一級指標和17級二級指標,其中一級指標的前三項為內部影響因素,后三項為外部

6、影響因素。(1界面特征:界面系指松軟物料層、巖石層和有用礦物層的上下分界面,特征指標主要包括開采層的上下界面的平均傾角、起伏程度(包括地貌特征。用以反映工藝設備作業(yè)場所的空間工作條件。(2物料性質:主要包括開采物料的切割阻力、承載能力和含水性。用以反映物料采掘、運輸?shù)碾y易程度。(3為了較準確地描述開采物料的結構特征,對各個剝采層的不同物料組分按其構成比例、對工藝的影響程度,分為主采層和輔采層,并以主采層和輔助層的平均厚度、開采層數(shù)及其分布規(guī)律為二級指標。用以反映開采物料的內部結構和組分,突出反映分采的難易程度。對煤礦而言,主采層為煤層,其指標為平均矸石厚度、矸石層數(shù)、矸石分布規(guī)律。(4運排條件

7、:包括采場深度、平面尺寸、內外排比例、運輸排土距離等指標。宏觀反映采、運、排三者的空間關系,突出對運輸條件的描述。(5剝采強度:指松軟物料層、巖石層和煤層的年剝采量,主要包括有用礦物年生產能力、剝采比和松軟物料占總剝離量的比例。反映出采剝量對設備效率的要求。(6氣候條件:包括年平均降水量、凍結天數(shù)、最大凍深等,反映氣候對設備作業(yè)的影響程度。圖2露天開采工藝系統(tǒng)優(yōu)化決策網(wǎng)絡圖在此,知識的運用采取IF -THEN 規(guī)則形式,推理控制系統(tǒng)按照開采物料的類型調用知識庫,激活規(guī)則,完成各開采工藝的定量綜合評價,從而選擇出可行的開采系統(tǒng)方案。2.2.2開采工藝設備及主要作業(yè)參數(shù)的選擇開采工藝類型的各個可行

8、方案一經確定,決4策系統(tǒng)就可按照圖1所示的過程選擇出與各方案相應的各個工藝環(huán)節(jié)的各種主要開采設備及其適應的作業(yè)參數(shù)。設備的選擇是由系統(tǒng)調用專家知識庫、地質數(shù)據(jù)庫、采礦設備數(shù)據(jù)庫等實現(xiàn)的。其過程是首先選擇采掘設備、然后由知識庫匹配以相應的運輸設備、排棄設備、主要輔助設備,并給出各種主要設備的主要作業(yè)參數(shù)。2.3開采模擬擇優(yōu)決策模型該模型包括對露天礦開采過程的計算機模擬和技術指標、經濟指標的計算和評價。按照所選擇的主要工藝系統(tǒng)及設備對設計或專項研究提供的開采方案,由計算機模型模擬其開采過程,得出礦巖量、運輸距離、設備數(shù)量等,進而完成投資、成本估算和經濟評價,從各方案中,優(yōu)選出最佳的開采工藝系統(tǒng)。3

9、HWS 露天礦開采工藝系統(tǒng)的優(yōu)化選擇HWS 露天礦位于內蒙古自治區(qū)準格爾煤田中部,規(guī)劃年產原煤量12Mt/a 。地表為典型的黃土高原地貌,區(qū)內沖溝發(fā)育,較大的溝谷已使基巖 直接出露。松軟物料層主要為黃土,巖層為中硬巖圖3開采物料分層示意圖石,煤層為含有多層夾矸的復合煤層。由于受地表沖溝、土巖分界線、煤層頂?shù)装迤鸱挠绊?表土和上下部巖石的剝離臺階不穩(wěn)定、不連續(xù),對設備作業(yè)有一定的影響。在對該礦首采區(qū)開采工藝系統(tǒng)優(yōu)化時將該礦的物料按垂深方向分成圖3所示的幾部分。其主要特征按決策指標匯總于表1。根據(jù)剝、采層的開采技術條件,認為可能的剝離工藝方案有下列8種:A :單斗鏟汽車工藝;B :輪斗鏟膠帶排土

10、機工藝;C :單斗鏟裝載倉膠帶排土機工藝;D :單斗鏟汽車端幫半移動破碎機膠帶機排土機工藝;E :單斗鏟汽車工作線中部半移動破碎機膠帶機排土機工藝;F :單斗鏟移動破碎機膠帶機排土工藝;G:吊斗鏟倒堆工藝;H :懸臂排土橋工藝;可能的采煤工藝方案只有兩種,即:I :單斗鏟汽車破碎機溜井平巷膠帶機斜井膠帶機洗煤廠(精煤出口;J :露天采煤機汽車溜井平巷膠帶機斜井膠帶機地面儲煤場(直接供給用戶;通過決策模型分析、評價,從上列可能的剝、采工藝方案中獲得若干可行的工藝方案,然后再經模擬開采和進一步分析、評價,即得出優(yōu)化工藝方案(見表1。4主要結論4.1本文將層狀礦床露天開采的對象分成松軟層、巖石層和有

11、用礦物層等三類,提出了進行露天開采工藝性綜合評價的6個方面17項的評價指標體系是優(yōu)化露天礦開采工藝系統(tǒng)的基礎。4.2應用專家系統(tǒng)、計算機模擬、系統(tǒng)分析及評價等方法,建立的層狀礦床露天開采工藝系統(tǒng)優(yōu)化選擇的模型,可以實現(xiàn)不同物料層開采工藝類型、開采設備和主要作業(yè)參數(shù)的選擇優(yōu)化。4.3通過實例研究,認為HWS 露天礦首采區(qū)表土臺階、上部巖石臺階、下部巖石臺階以采用最機動的單斗鏟汽車工藝為宜;中部巖石臺階運距大,應采用半連續(xù)式的開采工藝,即單斗鏟移動破碎機膠帶機排土機工藝;上下部復雜煤層的開采工藝是露天采煤機汽車溜井平巷膠帶機斜井膠帶機地面儲煤場;中部厚煤層的開采工藝是單斗鏟汽車破碎機溜井平巷膠帶機

12、斜井膠帶機洗煤廠洗選。4.4本模型系統(tǒng)尚待進一步的拓展和完善。文中對HWS 露天礦開采工藝優(yōu)化選擇所得出的結5論也是初步研究后得出的,僅供參考。表1HWS露天礦剝采層特征指標及優(yōu)化得出的開采工藝系統(tǒng)研究層松軟層巖石層煤層界面特征上界面:黃土地貌沖溝發(fā)育、地形起伏較大,工作面不連續(xù);下界面:土巖界面有一定起伏。上部巖層與表土接觸界面有一定起伏,被沖溝切割,工作面不連續(xù);中部巖層上下界面為人為劃定較穩(wěn)定、界面平緩;下部巖層受煤層起伏影響,下界面起伏較大;煤層平均傾角8-10;煤層沿傾斜方向頂板、底板起伏較大。物料性質物料松軟、可直接采掘;承載能力小;含水量少。巖石為中硬性,需松碎后可采裝;承載能力

13、大,含水量少。煤屬硬煤,需松碎后可采裝;承載能力大,含水量少。結構狀態(tài)主要為黃土,含有少量硬結核、樹根等物;平均厚度為12m,厚度分布變化較大。上部巖層平均:20-30m;中部巖層平均:60m;下部巖層平均:20-30m;平均純煤厚度26m;主要分三層煤,上下層平均厚度約為8m、5m,含有多層夾矸,結構復雜,中層厚度約15m,含矸少,結構簡單;煤層與矸層的變化較大,其分布規(guī)律略。運排條件首采區(qū)長5km,寬1.5-2.0km;開采深度在10-30m;表土近距離兩翼外排,運距約1.5km;開采深度為100-140m;上部層外排距離較近;其余層外排距離較大,3-4km;轉入內排后,運距約2-3km;

14、煤平均開采深度為100-140m;運到地面運距較大,平均約3-4km;剝采強度平均年剝離量為7Mm3,占土巖剝離總量的12-18%;平均剝采比4.65m3/t;年剝巖量約50-70Mm3;年平均推進度為300-360m;年產原煤12Mt/a;氣候條件為干旱地區(qū),年平均凍結期約6個月,最大凍深1.5m;同左同左工藝可行工藝:A、B、C最優(yōu)工藝:A可行工藝優(yōu)化結果上部巖石:A,D,F A中部巖石:A,D,E,F F下部巖石:A,G,H A可行工藝優(yōu)化結果上、下煤層:I,J J中部煤層:I,J I致謝:參加實例研究工作的尚有中國礦業(yè)大學的于汝綬教授、李曙光高工,顧正洪副教授。參考文獻1張瑞新,張幼蒂

15、.露天采礦優(yōu)化決策的新途徑.中國礦業(yè)大學學報.1994,No.3.2Zhang Y oudi.Zhang Ruixin et al,An intelligent system for opti2 mum decision-making in surface mining,the24th APCOM,Canada,Oct.1993.3張達賢,張幼蒂編.露天采礦新工藝.中國礦業(yè)大學出版社. 1992.10,徐州.4于汝綬.露天礦設計理論分析.中國礦業(yè)大學出版社,1988,10,徐州.5沈陽煤礦設計院.準格爾礦區(qū)二期工程總體規(guī)劃.1989.10(收稿日期:1998-02-12(下轉15頁6ISEP陰

16、柱,從陰柱出來的物料經段間加壓泵加壓后,再進入陽柱,然后再經過陰柱,物料完成精制過程,進入貯槽。(2頂水將需進行再生樹脂柱中的山梨醇頂出,置換出來的料液進入給料罐。(3用酸液再生陽樹脂,用堿液再生陰樹脂。(4用水徹底清洗樹脂中殘余的酸和堿。(5用酸液再生陰樹脂,用堿液再生陽樹脂,進行交叉再生。(6再生廢液排放至治理站。樹脂柱與ISEP閥連續(xù)同步旋轉。4.2連續(xù)離子交換(ISEP系統(tǒng)與間歇離子交換系統(tǒng)比較比較結果見下表。連續(xù)離交系統(tǒng)與間歇固定床離交系統(tǒng)比較項目間歇離交連續(xù)離交設備臺數(shù)62設備投資42萬元34萬美元再生劑消耗燒堿NaOH(100%kg/a 鹽酸HCl(31%kg/a29250033

17、00002016074787頂水用量(t/a30521123洗水量(m3/a90004068廢水量(m3/a106306000樹脂消耗量陰樹脂m3/次陽樹脂m3/次9.69.62.062.06產品質量品質不均品質均一工藝特點間歇生產,人工操作連續(xù)生產,儀表自控運行時間:每年7200h若:陽離子樹脂20000元/m3,5年壽命陰離子樹脂32000元/m3,2年壽命HCl(31%費用450元/tNaOH(100%費用1600元/t工業(yè)用水1元/t廢液處理2元/t則年估計節(jié)約費用:約83萬元5結語生產實踐證明,連續(xù)離子交換(ISEP系統(tǒng)與傳統(tǒng)固定床式離子交換系統(tǒng)相比具有運行費用低,產品品質均一,操作

18、簡單,污水量少等優(yōu)點。雖然連續(xù)離子交換(ISEP系統(tǒng)比固定床式離子交換系統(tǒng)一次性投資高出數(shù)倍,但該系統(tǒng)運行費用低,據(jù)初步估算,以2萬t/a山梨醇裝置為例,一年比固定床式可節(jié)約83萬元,34年即可收回全部投資,同時,企業(yè)可獲得成本較低、質量穩(wěn)定的產品,可以有效地增強企業(yè)的市場競爭力。(收稿日期:1998-10-22Application of continuous Ion ExchangeResin System in Sorbitol ProductionZhang MeiXiang ZIhenchang(Lianyungang Design&Research Institute,th

19、e Ministry of Chemical IndustryAbstractThe operation principle,features of the continuous ionexchange resin system and its application in sorbitol production weredescribed.A economic and technology comparison between the sys2tem and traditional fixed-bed ion exchange resin system was made.K eyw ordscontinuous ion exchange resin system,sorbitol,Resinregeneration(上接6頁Selection of Surface MiningT echnology for Layered Deposits Zhang Ruixin Zang Y oudi Li xinchun