第02章矿田开采境界及产量规模的优化

1、2-1第二章第二章 矿田开采境界与矿田开采境界与产量规模的优化产量规模的优化主要内容：主要内容： 第一节第一节 露天矿开采境界的优化露天矿开采境界的优化 第二节第二节 矿田划分与矿山产量规模的优化矿田划分与矿山产量规模的优化重难点：重难点：理解掌握矿田划分与矿山产量规模的理解掌握矿田划分与矿山产量规模的 优化优化2-2第二节第二节 矿田矿田划分划分与矿山产量规模的优化与矿山产量规模的优化u2.1 矿山产量规模的影响因素及其合理确定矿山产量规模的影响因素及其合理确定1.矿山产量规模的影响因素矿山产量规模的影响因素 (1)市场需求市场需求 市场调查的目的目的是了解用户对产品质和量产品质和量的要求要

2、求，同时需要搞清产品到达用户手中的可能途可能途径径和运输距离运输距离、本矿建成后可能占有的市场份额市场份额、它要竞争对手的产品与实力，并相应作出市场预市场预测测。 (2)资源条件资源条件 一是矿山本身的自然条件自然条件；二是矿山生产所需的原材料原材料以及动力供应条件动力供应条件。 (3)(3)技术条件技术条件 建矿时期生产工艺设备生产工艺设备的制造水平、维修条件、可获得人力资源的素质、管理水平、矿石外运条件等都可能成为制约矿山生产规模的重要约束。 (4)(4)经济条件经济条件 矿山建设规模越大越大，需要的大型、先进设备往往也越多越多，所需的基建投资就越多。 新建矿山，特别是地理位置较差的矿山，

3、外部配套工程所需资金数额也较大，都与建矿时期国家经济水平密切相关。可获得的建设资金往往成为矿山建设规模的重要制约因素。 (5)(5)其他条件其他条件 矿山生产对环境的影响较大，如可能占用大量耕地，破坏生态环境，造成地下水位乃至地表沉降，严重影响附近居民生活等。 2-32-42.合理确定矿山产量规模合理确定矿山产量规模从确定矿山产量规模的角度出发，可将矿山规模划分为有约有约束规模和无约束规模束规模和无约束规模两大类：1）有约束规模有约束规模是指经过调查分析后对于矿山生产规模有明显的不可抗拒的约束条件，这些条件明示矿山不可能达到和突破某一规模的限制，如中小型矿井、小储量露天矿等。2）无约束规模无约

4、束规模指发现的大型矿田，其开采条件较好，储量丰富，需求前景看好，适于大规模开采，而短期内尚难发现明显的制约其规模的约束条件。 在考虑确定矿山的产量规模时，通常做法是根据主要通常做法是根据主要约束条件确定约束条件确定。例如市场需求量、按技术条件可能达到的最大能力、按经济条件可能达到的最大能力、符合有关政策法规的规定等。 2-53.国内外关于优化矿山产量规模的主要方法有：国内外关于优化矿山产量规模的主要方法有：泰勒准则泰勒准则(经济寿命准则经济寿命准则)：把境界内的矿石储量与服务年限归结为经验公式，间接地给出一定资源条件下的最优规模： 式中 T矿山经济寿命，a; Q境界内矿石储量，Mt。平均利润率

5、准则平均利润率准则： 优化矿山生产能力的准则应使矿山投资取得不低于平均利润率的经济使矿山投资取得不低于平均利润率的经济效益效益，即生产规模保证矿床开采过程中正、负现金流量贴现值平衡；经济规模准则经济规模准则： 通过计算各种规模条件下矿山累计投入量和累计利润，从而计算出各种规模的利润率，最后找出利润率最高的规模为最佳经济效益规模利润率最高的规模为最佳经济效益规模；4)2 . 01 (5 . 6QT成本优先准则成本优先准则： 最小费用法(或称计算成本法)，以单位投资成本、单位经营成本和产量规模之关系，从中找出最低成本规模为合理规模最低成本规模为合理规模；资源利用率准则：资源利用率准则： 优化矿山生

6、产能力和服务年限的目标应使矿石矿石储量的终值最大储量的终值最大；收益率准则：收益率准则： 矿山最优服务年限或生产能力的确定应使其净净现值或内部收益率达到最大现值或内部收益率达到最大。 2-62-7矿山生产规模(储量、服务年限)与成本(收益)之关系的四项研究结果 单位投资单位成本计算成本2-84.规模经济理论与经济规模规模经济理论与经济规模1)规模经济规模经济 所谓规模经济，是指建设项目在一定的范围内扩大生产规规模经济，是指建设项目在一定的范围内扩大生产规模而使单位生产成本下降获得的利益模而使单位生产成本下降获得的利益。它表现为规模的“收益递增”现象，即在投入要素规模较小时，报酬增加的幅度大于要

7、素投入规模增加的幅度。但是，这种随生产规模扩大而带来的“经济”并不是无限的。规模达到一定的程度，如果再继续扩大规模、规模经济就不再出现、甚至会使单位成本上升而出现“收益递减”，这是规模不经济的结果。2)经济规模经济规模 是指在产品生产系统各生产要素合理配置的情况下，能取在产品生产系统各生产要素合理配置的情况下，能取得经济效益的生产规模。得经济效益的生产规模。这里的“规模”不是指某一种生产要素投入的集中度(如多少劳动力、多少资金等)，而是指诸多生产要素的综合产出能力。因此，经济规模不是一个点，而是一个范围。 2-9 5.最优产量规模的确定最优产量规模的确定 所谓矿山最优产量规模包含两层意义： 一

8、是理论意义上的最优理论意义上的最优，即经过技术经济分析后，可以得到无约束条件下的最佳产量规模； 二是经过技术经济分析后，由于宏观约束条件的限制，达不到理论意义上的最优值，只能寻求满足一定约束条件的最大值，此时的规模为一定约束条件下的最大规模，准确称呼应为合理规模。由于该生产规模已经是在技术经济分析后所能达到或接近最优理论规模的最大值，因此也是一定意义上的最佳规模，在大多数情况下，所谓的最优规在大多数情况下，所谓的最优规模可能很难达到理论意义上的最佳，而是满足模可能很难达到理论意义上的最佳，而是满足定约束条定约束条件的最大可能值。件的最大可能值。 2-10生产规模最优：总成本规模总收益规模(1)

9、确定矿山最优产量规模的模型确定矿山最优产量规模的模型目标函数： ApOPt.即即总成本最低： Cf(Ap)min (2-2-2)或总收益最大： Bf(Ap)max (2-2-3)约束条件预先假设自变量 式中 aij.第j项约束条件的第i项变量系数； xij第j项约束条件的第i项变量； Apj.第j项约束条件所能达到的最大生产能力 nipjijijNjAxa1),.,2 , 1( ,)(/预先假设自变量生产规模最优：总成本规模总收益规模2-11(2)主要建模步骤主要建模步骤选择可满足用户需求的合理开采工艺及设备；确定合理的开采程序及开采参数；在一定储量条件下按某一确定规模进行投资与成本估算，建立

10、规模与成本(利润)之函数关系；不同规模条件下成本(利润)估算；绘制规模与成本(利润)曲线；对曲线进行规模经济分析，确定满足各参数之合理匹配条件的经济规模。 2-12(3)实例分析实例分析 安家岭露天煤矿位于山西省朔州市平朔矿区的中南部，东西宽约8km，南北长约8.5km，煤炭地质储量21.88亿t，可采原煤储量16.5亿t，总剥离量8.82亿m3。区内含煤6层，主采煤层3层。煤种以气煤为主，煤层厚约30 m，倾角多为10以下。剥离物岩性以亚粘土、砂岩为主，主要为软岩至中等坚硬岩石。矿区内主要为黄土丘陵地形，剥离物厚度一般为100200 m，有公路、铁路与外部相通，开采条件基本具备。 开采工艺开

11、采工艺 经过各种可行开采工艺方案的比较，选择大型单斗电铲-汽车为剥离主要采运设备，采煤为单斗电铲-汽车运至端帮破碎经运煤巷道中的胶带输送机运至地面选煤厂。剥离物初期外排，形成内排空间后逐步过渡为全面内排。 主要开采设备如下： 采剥 20 m3、30 m3单斗挖掘机； 运输 154t、172t自卸式汽车； 排土 415KW履带式推土机； 穿孔 150 mm、250 mm钻机。 开采台阶高度15m.最短工作线长度500 m。 2-13成本估算成本估算 成本估算参照安太堡露天矿的实际统计资料，按照露天矿的成本估算特点，分穿爆、采装、运输、排土、其他环节分别估算。各环节单位成本指标选取如下：穿爆 1.

12、54元m3，采装 1.74元m3；运输 2.16元m3km排卸 0.41元m3；其他 3.67元m3；销售费 35.5元t。 固定资产折旧根据各主要设备的拆旧年限分别计算。 煤的运距由采煤工作面运至端帮巷道，通过运煤胶带运至选煤厂。内排运距是一项影响经济效果的重要参数，与开采深度及拉沟长度(坑底工作线长度)有密切关系。因此，首先根据上述各环节成本指标，按不同采深、拉沟长度进行优化。优化拉沟长度时各环节成本计算如下各环节成本计算如下： 1) 穿爆穿爆 c1c11(1/dc+n)R1 2) 采装采装 c2c21(1/dc+n) 3) 运输运输 c3c31(L2/dc+nL1) 4) 排卸排卸 c4

13、=c41n 5) 折旧折旧 c5=Kk/(Apyr) 6) 其他成本其他成本 c6 2-142002201601802-152.2 矿田储量、矿山产量规模与矿山服务年限的综合优化矿田储量、矿山产量规模与矿山服务年限的综合优化1.实例研究与分析实例研究与分析2.矿田储量、矿山产量规模及其服务年限的合理匹配原则矿田储量、矿山产量规模及其服务年限的合理匹配原则 在研究矿山最忧产量规模时，除考虑技术、经济因素之外，合理划分矿田储量，使之与合理产量规模、服务年限相匹配也是一个不容忽视的重要问题，三者之间匹配的原则应是： 矿田储量能使相应产量规模的经济效益达到或接近最优值； 能使开采范围适合于井田尺寸的优

14、化要求； 矿田储量与服务年限的匹配接近主要固定资产折旧年限的最小公倍数或其整数倍。 3.对有关设计规范规定的一些讨论对有关设计规范规定的一些讨论 在矿田储量、矿山产量规模及其服务年限之间的关系上，有关部门技术政策及设计规范中有一些具体规定。例如露天煤矿工程设计规范中规定如表2-2-6所示。 2-162-172.3 矿山产量规模与边界品位矿山产量规模与边界品位(略）略）2.4 露天矿剥采关系的动态优化露天矿剥采关系的动态优化(略）略）u2.5 井田划分及井型的优化确定井田划分及井型的优化确定 1.井田划分的技术分析井田划分的技术分析 井田划分方案的提出，首先应该根据地质条件和煤层赋存状况，按技术

15、可能性、合理性和设计规范中有关的规定技术可能性、合理性和设计规范中有关的规定进行分析，使其满足以下几项基本要求。尽量以影响矿井开拓巷道布置的落差大的断层、地质构造、河流湖泊作为井田境界。考虑地形、地貌、地物的实际情况，使井田范围内有适宜的井口位置，便于工业场地布置和铁路接轨。力求同井田内的煤层开采条件相近。井田走向长度与井型相适应，一般小型井不少于1.5km，中型并不少于4.0 km型并不少于7.0 km。有足够的可采储量，使井型与服务年限满足设计规范的规定和要求。初期浅部井与后期深部井田的分界线，以开采深度8001000 m为界，深部矿井的井型大于浅部矿井的井型。 2-18 2.井田划分的优

16、化模型井田划分的优化模型 当矿区或矿区内的某一部分，在较大的面积上不受地质条件限制，按技术可能性有若干个方案存在时，需要从经济上进行综合分析对比，从中选择最优方案。 优化准则取多项目标的综合指标最优。模型的结构、优化步骤和方法，概括如下。1)单一矿井指标集单一矿井指标集若矿井评价指标数目取为m项，表述每个矿井状况的指标集合为X，即：Xx1,x2,.,xm 如：产量，成本，工期，工程量，费用，2)方案指标集方案指标集在给定的区域内、井田划分的方案数目为n种，每种方案所划分的井田数目为p个，则对每个方案皆有p个矿井指标集合： X1=x11,x12,x1m 该方案第一矿井指标集 X2=x21,x22

17、,x2m 该方案第二矿井指标集 Xp=xp1,xp2,xpm 该方案第p矿井指标集2-193)对方案指标集进行综合对方案指标集进行综合为了对不同的井田划分方案进行比较，需要将方案中p个矿井某项指标的集合x1,x2,，xp化为一个表达该方案的综合评价指标集合：y1,y2,ym其中yi的取值根据该项指标的性质采用不同的计算方法： 取各矿井指标xk的合计值合计值，例如生产能力指标，矿区生产能力为各矿井生产能力之和，即 i矿井第k个指标（列） 取各矿井指标xk的加权平均值加权平均值，例如吨煤投资指标与矿井生产能力Ak有关，矿区建设的吨煤投资指标按下式计算： 取各个矿井指标xk中的最小值最小值(或最大值

18、或最大值)，例如建井工期，当以矿井最早出煤生产为准时，即yi=minxki,k=1,2,p （2-2-23）对每一个方案将有一组综合评价指标集合： Yjyij,i=1,2,m (j=1,2,n) (n为方案总数) pkkiixy1pkkpkkikiAxAy112-204)评价模型评价模型根据不同的井型划分方案得出综合评价指标集合Yj后，用多目多目标决策方法标决策方法便可得出其中的最优方案。即式中 Fj.第j方案的综合评价指标； n.参与比较的方案数目; i.各项评价指标的权系数，i=1,2,m; m矿井评价指标的数目； yij策j方案的第i项指标值； yi0.所有方案的第i项指标中的最优值；

19、ij.第j个方案第i项指标的相对偏差； maxyij, minyijfij系列中的最大值和最小值。 ijijiijijmiiijmiijjjyyyymFnjFFminmax)(,.,2 , 1,min0121min2-215）权值确定）权值确定根据已有的矿井设计方案优化模型，所采用的矿井评价指标取为8项，即m8。各项指标内容及其可供参考选用的权系数见表2-2-7。表2-2-7 评价指标和权系数 2-226）综合评价）综合评价按这一指标系列确定矿区内井田划分方案的评价指标时，根据具体指标的性质和特点分别采用不同的计算方法为三个中的一个方法如三个中的一个方法如 Ak第k个矿井的生产能力； Zk第k

20、个矿井的地质条件。7）举例）举例 某一给定区域内可能有的井田划分方案举例如图2-2-9所示，这时n4，相应于方案编号j的取值为1，2，3，4时的井田数目p值为2，2，3，5。 pkkpkkkkpkkpkkikipkkiiZxZypkyyiAxAyixy116611111,.,2 , 1,min5 , 3 , 2,8 , 7 , 2,u3.井型确定原则与步骤井型确定原则与步骤(1)生产集中化准则生产集中化准则 集中生产主要指采煤工作面、采区、水平、矿井的集中，集中生产主要指采煤工作面、采区、水平、矿井的集中，即四个集中即四个集中 ，体现为较小的空间较小的空间内，以较少的工程，占用较少的设备，用最

21、少的劳动消耗，取得最佳的经济效益。井型方案确定井型方案确定：2-23煤层赋存等煤层赋存等地质条件地质条件生产技术条件生产技术条件采煤工艺方法采煤工艺方法 先进技术先进技术 生产组织合理生产组织合理合理工作面长合理工作面长度和产量度和产量辅助生产能力辅助生产能力校验校验确定采煤面生确定采煤面生产能力产能力规划法各采区、水平和整个矿井生产能力各采区、水平和整个矿井生产能力井型井型(2)矿井生产能力方案的形成矿井生产能力方案的形成 矿井生产能力AK取决于采区生产能力Aqj和矿井同时生产的采区数目N0.按生产集中准则，一般生产矿井为单水平生产，故矿井生产能力与水平生产能力相同。目前，我国生产矿井同时生

22、产的采区数以24个为宜（分区开拓的矿井则为分区内同时生产的采区数）。 设矿井生产能力方案至少为AK(2) AK(3) 和AK(4)，从中选择合理方案AK，个别高产矿井可取AK(1)，特大型矿井可取N04的方案。1）当矿井内所有采区生产能力相同所有采区生产能力相同2) 当矿井内各采区生产能力不相同各采区生产能力不相同此时，矿井一般取24个面同时生产，通过对Ak(N0) 取整数值，使之略取整数值，使之略Aq=Aqj=Aq(j+1) (j=1,2,m),m)Aq(2) =2Aq Aq(3) =3Aq Aq(4) =4Aq Ak(N0)=N0Aq Ak(N0)N0Aq (3)井型方案的校核井型方案的校

23、核 当矿井提升、运输、通风、排水、地面生产系统等辅助环节的生产能力，不足以制约矿井生产能力时，可不必校验。关键是要矿井具有一定的服务年限，并有较好的技术经济效果，并取用标准的井型。 对于不同的井型方案Ak(N0) （N0 2，3，），），均有相应的服务所限Tk(N0) :井型服务年限的校核如下：井型服务年限的校核如下： 上述矿井生产能力是按单水平生产考虑的，水平服务年限上述矿井生产能力是按单水平生产考虑的，水平服务年限TS 取决于水平取决于水平内划分的采区数目内划分的采区数目N，采区平均服务年限，采区平均服务年限TQ 和同时生产的采区数和同时生产的采区数N0 ，即即 Tk(N0)= 小于同时生

24、产的采区生产能力之和，保留一定的富裕能力，当各采区开采的小于同时生产的采区生产能力之和，保留一定的富裕能力，当各采区开采的先后时间间隔很长时，计算Ak(N0) 时应以前期开采的采区生产能力为主。时应以前期开采的采区生产能力为主。)(0)5 . 13 . 1 (NkAZ2525. .满足设计规范对矿井最低服务年限要求满足设计规范对矿井最低服务年限要求b.b.按采区一水平正常接替所需的年限校核同时生产按采区一水平正常接替所需的年限校核同时生产 的采区数目的采区数目NTTNTNTNNTSQNiQiQs01001注：为保证稳定生产，要求NN0 并且能使生产采区具有一定次数的正常接替，一般大型矿井应取T

25、S (34)TQ (TQ 很大时除外)。 水平服务年限不仅必须大于新水平开拓准备时间（包括产量递增期和递减期间的影响），而且要有一个比较稳定的生产时期。 大中型矿井新水平开拓准备时间约为810年，考虑一定的稳产时间，通常要求TS 1520年。 按设计规范，对上述井型计算值按设计规范，对上述井型计算值Ak(N0)加以标准化，向靠近的标准归类，常加以标准化，向靠近的标准归类，常见的见的有：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.C.井型的标准化井型的标准化2-27u 4.井型优化模型井型优化模型(1)早期经济数学模型 当井型方案的选择关系重大，需要进行比较详细的经济分析对比，从中优选方案时，便要采用编制经济数学模型的方法，通过对有关费用的计算后求得解答。这一模型属单项参数的优化模型。 早期的研究中，对井型优化的经济数学模型提出了基本观点，以井型A为变量，计算有关的费用项目合并归纳后，形成简单的函数表达式，最后以求极值的方法得出经济上合理的井型。例如： 以吨煤成本吨煤