第02章礦田開采境界與產(chǎn)量規(guī)模的優(yōu)化

2-1第二章礦田開采境界與

產(chǎn)量規(guī)模的優(yōu)化主要內(nèi)容：

第一節(jié)露天礦開采境界的優(yōu)化第二節(jié)礦田劃分與礦山產(chǎn)量規(guī)模的優(yōu)化重難點：理解掌握礦田劃分與礦山產(chǎn)量規(guī)模的優(yōu)化2-2第二節(jié)礦田劃分與礦山產(chǎn)量規(guī)模的優(yōu)化2.1礦山產(chǎn)量規(guī)模的影響因素及其合理確定1.礦山產(chǎn)量規(guī)模的影響因素(1)市場需求市場調(diào)查的目的是了解用戶對產(chǎn)品質(zhì)和量的要求，同時需要搞清產(chǎn)品到達(dá)用戶手中的可能途徑和運輸距離、本礦建成后可能占有的市場份額、它要競爭對手的產(chǎn)品與實力，并相應(yīng)作出市場預(yù)測。(2)資源條件一是礦山本身的自然條件；二是礦山生產(chǎn)所需的原材料以及動力供給條件。

(3)技術(shù)條件建礦時期生產(chǎn)工藝設(shè)備的制造水平、維修條件、可獲得人力資源的素質(zhì)、管理水平、礦石外運條件等都可能成為制約礦山生產(chǎn)規(guī)模的重要約束。

(4)經(jīng)濟(jì)條件礦山建設(shè)規(guī)模越大，需要的大型、先進(jìn)設(shè)備往往也越多，所需的基建投資就越多。新建礦山，特別是地理位置較差的礦山，外部配套工程所需資金數(shù)額也較大，都與建礦時期國家經(jīng)濟(jì)水平密切相關(guān)?？色@得的建設(shè)資金往往成為礦山建設(shè)規(guī)模的重要制約因素。

(5)其他條件礦山生產(chǎn)對環(huán)境的影響較大，如可能占用大量耕地，破壞生態(tài)環(huán)境，造成地下水位乃至地表沉降，嚴(yán)重影響附近居民生活等。2-32-42.合理確定礦山產(chǎn)量規(guī)模從確定礦山產(chǎn)量規(guī)模的角度出發(fā)，可將礦山規(guī)模劃分為有約束規(guī)模和無約束規(guī)模兩大類：1〕有約束規(guī)模是指經(jīng)過調(diào)查分析后對于礦山生產(chǎn)規(guī)模有明顯的不可抗拒的約束條件，這些條件明示礦山不可能到達(dá)和突破某一規(guī)模的限制，如中小型礦井、小儲量露天礦等。2〕無約束規(guī)模指發(fā)現(xiàn)的大型礦田，其開采條件較好，儲量豐富，需求前景看好，適于大規(guī)模開采，而短期內(nèi)尚難發(fā)現(xiàn)明顯的制約其規(guī)模的約束條件。在考慮確定礦山的產(chǎn)量規(guī)模時，通常做法是根據(jù)主要約束條件確定。例如市場需求量、按技術(shù)條件可能到達(dá)的最大能力、按經(jīng)濟(jì)條件可能到達(dá)的最大能力、符合有關(guān)政策法規(guī)的規(guī)定等。2-53.國內(nèi)外關(guān)于優(yōu)化礦山產(chǎn)量規(guī)模的主要方法有：①泰勒準(zhǔn)那么(經(jīng)濟(jì)壽命準(zhǔn)那么)：把境界內(nèi)的礦石儲量與效勞年限歸結(jié)為經(jīng)驗公式，間接地給出一定資源條件下的最優(yōu)規(guī)模：式中T……礦山經(jīng)濟(jì)壽命，a;Q……境界內(nèi)礦石儲量，Mt。②平均利潤率準(zhǔn)那么：優(yōu)化礦山生產(chǎn)能力的準(zhǔn)那么應(yīng)使礦山投資取得不低于平均利潤率的經(jīng)濟(jì)效益，即生產(chǎn)規(guī)模保證礦床開采過程中正、負(fù)現(xiàn)金流量貼現(xiàn)值平衡；③經(jīng)濟(jì)規(guī)模準(zhǔn)那么：通過計算各種規(guī)模條件下礦山累計投入量和累計利潤，從而計算出各種規(guī)模的利潤率，最后找出利潤率最高的規(guī)模為最正確經(jīng)濟(jì)效益規(guī)模；④本錢優(yōu)先準(zhǔn)那么：最小費用法(或稱計算本錢法)，以單位投資本錢、單位經(jīng)營本錢和產(chǎn)量規(guī)模之關(guān)系，從中找出最低本錢規(guī)模為合理規(guī)模；⑤資源利用率準(zhǔn)那么：優(yōu)化礦山生產(chǎn)能力和效勞年限的目標(biāo)應(yīng)使礦石儲量的終值最大；⑥收益率準(zhǔn)那么：礦山最優(yōu)效勞年限或生產(chǎn)能力確實定應(yīng)使其凈現(xiàn)值或內(nèi)部收益率到達(dá)最大。2-62-7礦山生產(chǎn)規(guī)模(儲量、效勞年限)與本錢(收益)之關(guān)系的四項研究結(jié)果單位投資單位本錢計算本錢2-84.規(guī)模經(jīng)濟(jì)理論與經(jīng)濟(jì)規(guī)模1)規(guī)模經(jīng)濟(jì)所謂規(guī)模經(jīng)濟(jì)，是指建設(shè)工程在一定的范圍內(nèi)擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模而使單位生產(chǎn)本錢下降獲得的利益。它表現(xiàn)為規(guī)模的“收益遞增〞現(xiàn)象，即在投入要素規(guī)模較小時，報酬增加的幅度大于要素投入規(guī)模增加的幅度。但是，這種隨生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大而帶來的“經(jīng)濟(jì)〞并不是無限的。規(guī)模到達(dá)一定的程度，如果再繼續(xù)擴(kuò)大規(guī)模、規(guī)模經(jīng)濟(jì)就不再出現(xiàn)、甚至?xí)箚挝槐惧X上升而出現(xiàn)“收益遞減〞，這是規(guī)模不經(jīng)濟(jì)的結(jié)果。2)經(jīng)濟(jì)規(guī)模是指在產(chǎn)品生產(chǎn)系統(tǒng)各生產(chǎn)要素合理配置的情況下，能取得經(jīng)濟(jì)效益的生產(chǎn)規(guī)模。這里的“規(guī)模〞不是指某一種生產(chǎn)要素投入的集中度(如多少勞動力、多少資金等)，而是指諸多生產(chǎn)要素的綜合產(chǎn)出能力。因此，經(jīng)濟(jì)規(guī)模不是一個點，而是一個范圍。2-95.最優(yōu)產(chǎn)量規(guī)模確實定所謂礦山最優(yōu)產(chǎn)量規(guī)模包含兩層意義：一是理論意義上的最優(yōu)，即經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析后，可以得到無約束條件下的最正確產(chǎn)量規(guī)模；二是經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析后，由于宏觀約束條件的限制，達(dá)不到理論意義上的最優(yōu)值，只能尋求滿足一定約束條件的最大值，此時的規(guī)模為一定約束條件下的最大規(guī)模，準(zhǔn)確稱照應(yīng)為合理規(guī)模。由于該生產(chǎn)規(guī)模已經(jīng)是在技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析后所能到達(dá)或接近最優(yōu)理論規(guī)模的最大值，因此也是一定意義上的最正確規(guī)模，在大多數(shù)情況下，所謂的最優(yōu)規(guī)?？赡芎茈y到達(dá)理論意義上的最正確，而是滿足—定約束條件的最大可能值。2-10生產(chǎn)規(guī)模最優(yōu)：總本錢——規(guī)模總收益——規(guī)模(1)確定礦山最優(yōu)產(chǎn)量規(guī)模的模型①目標(biāo)函數(shù)：Ap→OPt.即總本錢最低：C＝f(Ap)→min(2-2-2)或總收益最大：B＝f(Ap)→max(2-2-3)②約束條件預(yù)先假設(shè)自變量

式中aij......第j項約束條件的第i項變量系數(shù)；xij……第j項約束條件的第i項變量；Apj......第j項約束條件所能到達(dá)的最大生產(chǎn)能力預(yù)先假設(shè)自變量生產(chǎn)規(guī)模最優(yōu)：總本錢——規(guī)?？偸找妗?guī)模2-11(2)主要建模步驟①選擇可滿足用戶需求的合理開采工藝及設(shè)備；②確定合理的開采程序及開采參數(shù)；③在一定儲量條件下按某一確定規(guī)模進(jìn)行投資與本錢估算，建立規(guī)模與本錢(利潤)之函數(shù)關(guān)系；④不同規(guī)模條件下本錢(利潤)估算；⑤繪制規(guī)模與本錢(利潤)曲線；⑥對曲線進(jìn)行規(guī)模經(jīng)濟(jì)分析，確定滿足各參數(shù)之合理匹配條件的經(jīng)濟(jì)規(guī)模。2-12(3)實例分析安家?guī)X露天煤礦位于山西省朔州市平朔礦區(qū)的中南部，東西寬約8km，南北長約8.5km，煤炭地質(zhì)儲量21.88億t，可采原煤儲量16.5億t，總剝離量8.82億m3。區(qū)內(nèi)含煤6層，主采煤層3層。煤種以氣煤為主，煤層厚約30m，傾角多為10°以下。剝離物巖性以亞粘土、砂巖為主，主要為軟巖至中等堅硬巖石。礦區(qū)內(nèi)主要為黃土丘陵地形，剝離物厚度一般為100～200m，有公路、鐵路與外部相通，開采條件根本具備。①開采工藝經(jīng)過各種可行開采工藝方案的比較，選擇大型單斗電鏟-汽車為剝離主要采運設(shè)備，采煤為單斗電鏟-汽車運至端幫破碎經(jīng)運煤巷道中的膠帶輸送機(jī)運至地面選煤廠。剝離物初期外排，形成內(nèi)排空間后逐步過渡為全面內(nèi)排。主要開采設(shè)備如下：采剝20m3、30m3單斗挖掘機(jī)；運輸154t、172t自卸式汽車；排土415KW履帶式推土機(jī)；穿孔ф150mm、ф250mm鉆機(jī)。開采臺階高度15m.最短工作線長度500m。2-13②本錢估算本錢估算參照安太堡露天礦的實際統(tǒng)計資料，按照露天礦的本錢估算特點，分穿爆、采裝、運輸、排土、其他環(huán)節(jié)分別估算。各環(huán)節(jié)單位本錢指標(biāo)選取如下：穿爆1.54元／m3，采裝1.74元／m3；運輸2.16元／m3·km排卸0.41元／m3；其他3.67元／m3；銷售費35.5元／t。固定資產(chǎn)折舊根據(jù)各主要設(shè)備的拆舊年限分別計算。煤的運距由采煤工作面運至端幫巷道，通過運煤膠帶運至選煤廠。內(nèi)排運距是一項影響經(jīng)濟(jì)效果的重要參數(shù)，與開采深度及拉溝長度(坑底工作線長度)有密切關(guān)系。因此，首先根據(jù)上述各環(huán)節(jié)本錢指標(biāo)，按不同采深、拉溝長度進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化拉溝長度時各環(huán)節(jié)本錢計算如下：1)穿爆c1＝c11(1/dc+n)R12)采裝c2＝c21(1/dc+n)3)運輸c3＝c31(L2/dc+nL1)4)排卸c4=c41·n5)折舊c5=K·k/(Ap·yr)6)其他本錢c62-14200~220160~1802-152.2礦田儲量、礦山產(chǎn)量規(guī)模與礦山效勞年限的綜合優(yōu)化1.實例研究與分析2.礦田儲量、礦山產(chǎn)量規(guī)模及其效勞年限的合理匹配原那么在研究礦山最憂產(chǎn)量規(guī)模時，除考慮技術(shù)、經(jīng)濟(jì)因素之外，合理劃分礦田儲量，使之與合理產(chǎn)量規(guī)模、效勞年限相匹配也是一個不容無視的重要問題，三者之間匹配的原那么應(yīng)是：①礦田儲量能使相應(yīng)產(chǎn)量規(guī)模的經(jīng)濟(jì)效益到達(dá)或接近最優(yōu)值；②能使開采范圍適合于井田尺寸的優(yōu)化要求；②礦田儲量與效勞年限的匹配接近主要固定資產(chǎn)折舊年限的最小公倍數(shù)或其整數(shù)倍。3.對有關(guān)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的一些討論在礦田儲量、礦山產(chǎn)量規(guī)模及其效勞年限之間的關(guān)系上，有關(guān)部門技術(shù)政策及設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中有一些具體規(guī)定。例如《露天煤礦工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定如表2-2-6所示。2-162-172.3礦山產(chǎn)量規(guī)模與邊界品位(略〕2.4露天礦剝采關(guān)系的動態(tài)優(yōu)化(略〕2.5井田劃分及井型的優(yōu)化確定1.井田劃分的技術(shù)分析井田劃分方案的提出，首先應(yīng)該根據(jù)地質(zhì)條件和煤層賦存狀況，按技術(shù)可能性、合理性和設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)的規(guī)定進(jìn)行分析，使其滿足以下幾項根本要求。①盡量以影響礦井開拓巷道布置的落差大的斷層、地質(zhì)構(gòu)造、河流湖泊作為井田境界。②考慮地形、地貌、地物的實際情況，使井田范圍內(nèi)有適宜的井口位置，便于工業(yè)場地布置和鐵路接軌。③力求同—井田內(nèi)的煤層開采條件相近。④井田走向長度與井型相適應(yīng)，一般小型井不少于1.5km，中型并不少于4.0km型并不少于7.0km。⑤有足夠的可采儲量，使井型與效勞年限滿足設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定和要求。⑥初期淺部井與后期深部井田的分界線，以開采深度800~1000m為界，深部礦井的井型大于淺部礦井的井型。2-182.井田劃分的優(yōu)化模型當(dāng)?shù)V區(qū)或礦區(qū)內(nèi)的某一局部，在較大的面積上不受地質(zhì)條件限制，按技術(shù)可能性有假設(shè)干個方案存在時，需要從經(jīng)濟(jì)上進(jìn)行綜合分析比照，從中選擇最優(yōu)方案。優(yōu)化準(zhǔn)那么取多工程標(biāo)的綜合指標(biāo)最優(yōu)。模型的結(jié)構(gòu)、優(yōu)化步驟和方法，概括如下。1)單一礦井指標(biāo)集假設(shè)礦井評價指標(biāo)數(shù)目取為m項，表述每個礦井狀況的指標(biāo)集合為X，即：X＝{x1,x2,…..,xm}如：{產(chǎn)量，本錢，工期，工程量，費用，…}2)方案指標(biāo)集在給定的區(qū)域內(nèi)、井田劃分的方案數(shù)目為n種，每種方案所劃分的井田數(shù)目為p個，那么對每個方案皆有p個礦井指標(biāo)集合：X1={x11,x12,……,x1m}該方案第一礦井指標(biāo)集X2={x21,x22,……,x2m}該方案第二礦井指標(biāo)集……Xp={xp1,xp2,……,xpm}該方案第p礦井指標(biāo)集2-193)對方案指標(biāo)集進(jìn)行綜合為了對不同的井田劃分方案進(jìn)行比較，需要將方案中p個礦井某項指標(biāo)的集合x1,x2,……，xp化為一個表達(dá)該方案的綜合評價指標(biāo)集合：{y1,y2,……,ym}其中yi的取值根據(jù)該項指標(biāo)的性質(zhì)采用不同的計算方法：①取各礦井指標(biāo)xk的合計值，例如生產(chǎn)能力指標(biāo)，礦區(qū)生產(chǎn)能力為各礦井生產(chǎn)能力之和，即i礦井第k個指標(biāo)〔列〕②取各礦井指標(biāo)xk的加權(quán)平均值，例如噸煤投資指標(biāo)與礦井生產(chǎn)能力Ak有關(guān)，礦區(qū)建設(shè)的噸煤投資指標(biāo)按下式計算：

③取各個礦井指標(biāo)xk中的最小值(或最大值)，例如建井工期，當(dāng)以礦井最早出煤生產(chǎn)為準(zhǔn)時，即yi=min{xki,k=1,2,……,p}〔2-2-23〕對每一個方案將有一組綜合評價指標(biāo)集合：Yj＝{yij,i=1,2,……,m}(j=1,2,……,n)(n為方案總數(shù))2-204)評價模型根據(jù)不同的井型劃分方案得出綜合評價指標(biāo)集合Yj后，用多目標(biāo)決策方法便可得出其中的最優(yōu)方案。即式中Fj......第j方案的綜合評價指標(biāo)；n......參與比較的方案數(shù)目;фi......各項評價指標(biāo)的權(quán)系數(shù)，i=1,2,……,m;m……礦井評價指標(biāo)的數(shù)目；yij……策j方案的第i項指標(biāo)值；yi0......所有方案的第i項指標(biāo)中的最優(yōu)值；δij......第j個方案第i項指標(biāo)的相對偏差；maxyij,minyij……fij系列中的最大值和最小值。2-215〕權(quán)值確定根據(jù)已有的礦井設(shè)計方案優(yōu)化模型，所采用的礦井評價指標(biāo)取為8項，即m＝8。各項指標(biāo)內(nèi)容及其可供參考選用的權(quán)系數(shù)見表2-2-7。表2-2-7評價指標(biāo)和權(quán)系數(shù)2-226〕綜合評價按這一指標(biāo)系列確定礦區(qū)內(nèi)井田劃分方案的評價指標(biāo)時，根據(jù)具體指標(biāo)的性質(zhì)和特點分別采用不同的計算方法為三個中的一個方法如Ak……第k個礦井的生產(chǎn)能力；Zk……第k個礦井的地質(zhì)條件。7〕舉例某一給定區(qū)域內(nèi)可能有的井田劃分方案舉例如圖2-2-9所示，這時n＝4，相應(yīng)于方案編號j的取值為1，2，3，4時的井田數(shù)目p值為2，2，3，5。3.井型確定原那么與步驟(1)生產(chǎn)集中化準(zhǔn)那么集中生產(chǎn)主要指采煤工作面、采區(qū)、水平、礦井的集中，即四個集中，表達(dá)為較小的空間內(nèi)，以較少的工程，占用較少的設(shè)備，用最少的勞動消耗，取得最正確的經(jīng)濟(jì)效益。井型方案確定：2-23煤層賦存等地質(zhì)條件生產(chǎn)技術(shù)條件采煤工藝方法

先進(jìn)技術(shù)

生產(chǎn)組織合理合理工作面長度和產(chǎn)量輔助生產(chǎn)能力校驗確定采煤面生產(chǎn)能力規(guī)劃法各采區(qū)、水平和整個礦井生產(chǎn)能力井型(2)礦井生產(chǎn)能力方案的形成

礦井生產(chǎn)能力AK取決于采區(qū)生產(chǎn)能力Aqj和礦井同時生產(chǎn)的采區(qū)數(shù)目N0.按生產(chǎn)集中準(zhǔn)那么，一般生產(chǎn)礦井為單水平生產(chǎn)，故礦井生產(chǎn)能力與水平生產(chǎn)能力相同。目前，我國生產(chǎn)礦井同時生產(chǎn)的采區(qū)數(shù)以2~4個為宜〔分區(qū)開拓的礦井那么為分區(qū)內(nèi)同時生產(chǎn)的采區(qū)數(shù)〕。設(shè)礦井生產(chǎn)能力方案至少為AK(2)AK(3)和AK(4)，從中選擇合理方案AK，個別高產(chǎn)礦井可取AK(1)，特大型礦井可取N0>4的方案。1〕當(dāng)?shù)V井內(nèi)所有采區(qū)生產(chǎn)能力相同2)當(dāng)?shù)V井內(nèi)各采區(qū)生產(chǎn)能力不相同此時，礦井一般取2~4個面同時生產(chǎn)，通過對Ak(N0)取整數(shù)值，使之略Aq=Aqj=Aq(j+1)(j=1,2,…,m)Aq(2)=2Aq

Aq(3)=3Aq

Aq(4)=4Aq

Ak(N0)=N0Aq

Ak(N0)≠N0Aq

(3)井型方案的校核當(dāng)?shù)V井提升、運輸、通風(fēng)、排水、地面生產(chǎn)系統(tǒng)等輔助環(huán)節(jié)的生產(chǎn)能力，缺乏以制約礦井生產(chǎn)能力時，可不必校驗。關(guān)鍵是要礦井具有一定的效勞年限，并有較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果，并取用標(biāo)準(zhǔn)的井型。對于不同的井型方案Ak(N0)〔N0＝2，3，…〕，均有相應(yīng)的效勞所限Tk(N0):井型效勞年限的校核如下：

上述礦井生產(chǎn)能力是按單水平生產(chǎn)考慮的，水平效勞年限TS取決于水平內(nèi)劃分的采區(qū)數(shù)目N，采區(qū)平均效勞年限TQ和同時生產(chǎn)的采區(qū)數(shù)N0，即

Tk(N0)=小于同時生產(chǎn)的采區(qū)生產(chǎn)能力之和，保存一定的富裕能力，當(dāng)各采區(qū)開采的先后時間間隔很長時，計算Ak(N0)時應(yīng)以前期開采的采區(qū)生產(chǎn)能力為主。25b.按采區(qū)一水平正常接替所需的年限校核同時生產(chǎn)的采區(qū)數(shù)目注：為保證穩(wěn)定生產(chǎn)，要求N>N0并且能使生產(chǎn)采區(qū)具有一定次數(shù)的正常接替，一般大型礦井應(yīng)取TS≥(3~4)TQ(TQ很大時除外)。水平效勞年限不僅必須大于新水平開拓準(zhǔn)備時間〔包括產(chǎn)量遞增期和遞減期間的影響〕，而且要有一個比較穩(wěn)定的生產(chǎn)時期。大中型礦井新水平開拓準(zhǔn)備時間約為8~10年，考慮一定的穩(wěn)產(chǎn)時間，通常要求TS≥15~20年。按設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，對上述井型計算值A(chǔ)k(N0)加以標(biāo)準(zhǔn)化，向靠近的標(biāo)準(zhǔn)歸類，常見的有：0.3Mt/a,0.45Mt/a,0.6Mt/a,0.9Mt/a,1.2Mt/a,1.5Mt/a,1.8Mt/a,3.0Mt/a,4.0Mt/a,5.0Mt/a.C.井型的標(biāo)準(zhǔn)化2-274.井型優(yōu)化模型(1)早期經(jīng)濟(jì)數(shù)學(xué)模型當(dāng)井型方案的選擇關(guān)系重大，需要進(jìn)行比較詳細(xì)的經(jīng)濟(jì)分析比照，從中優(yōu)選方案時，便要采用編制經(jīng)濟(jì)數(shù)學(xué)模型的方法，通過對有關(guān)費用的計算后求得解答。這一模型屬單項參數(shù)的優(yōu)化模型。早期的研究中，對井型優(yōu)化的經(jīng)濟(jì)數(shù)學(xué)模型提出了根本觀點，以井型A為變量，計算有關(guān)的費用工程合并歸納后，形成簡單的函數(shù)表達(dá)式，最后以求極值的方法得出經(jīng)濟(jì)上合理的井型。例如：①以噸煤本錢CT最低為優(yōu)化準(zhǔn)那么：正比+反比+固定②以噸煤折算費用ST=CT+KTEk最低為優(yōu)化準(zhǔn)那么(折算費用=本錢+噸煤投資*折算系數(shù))式中