随着露天矿矿山工程的发展,同一煤田相邻露天矿相互影响,相互制约的矛盾日益突出,成为一个不容忽视和回避的问题,我国很多大型露天煤田都存在两个相邻露天矿协调开采的问题。如内蒙古的白音华煤田、胜利煤田、准格尔煤田、东胜煤田,山西的平朔煤田等等,无一不存在相邻露天矿协调开采的问题。在这方面,目前还没有成熟的理论和技术,因此,专门从露天矿群时空关系及总体布局上系统地研究优化开发的理论与关键技术研究是十分必要和重要的课题,其成果对适合露天开采的大型煤田的合理开发具有重要的指导作用,对露天矿群的独立开发和协调开发也具有一定的理论指导意义和实用价值,论文以平朔矿区露天矿群开发工程实例验证了露天矿群设计理论与工程优化的效果。论文的主要研究成果如下:(一)完善了露天矿群的概念,并对其特征及优势进行研究与分析;在此基础上,总结出我国主要的适合露天矿群模式开采的大型煤田,并与国外主要产煤国家的典型露天矿群的现状进行简要对比。(1)完善了露天矿群的概念:露天矿群是对在同一个煤田或矿区内,由同一个法人主体对空间上邻近、开采时间上同步或重迭开发的多个露天矿的总称。露天矿群开发模式显然不同于传统的单一矿坑开发模式,应在开采境界、开采程序、开采工艺、基础设施、安全管理等设计理论和工程实施方面突出相关性和关联性以及共用性,实现资源开发的整体效益和生产系统的优化协调;(2)分析并总结出露天矿群的四大特征:①矿群内的露天矿在时空上相互关联,在境界上互为关联相互交叉,在时间上具有同步性,互为影响,从而成为一个有机的整体,实现了露天矿山之间真正意义上的联合开发;②矿群内各露天矿的生产系统和辅助设施共享程度大,存在生产、辅助资源共享,各矿之间基础设施、生产资料达到优化配置,减少重复建设,矿群模式开发主要目的就是达到经济上的最优,如果矿群中各矿之间没有各种资源的共享,实质上依然是单个露天矿的传统模式;③位于具有相似的自然、社会条件的同一区域,从而才有了共同开发和资源共享的客观基础;④一个法人模式下开发露天矿群,可以最大程度的提高资源回收率,同时各矿之间资源共享会更少阻碍,改变过去国家与地方划定的矿权边界重叠;(3)分析并总结出露天矿群模式开采的优势:①矿群集中开发,矿区总体规模迅速提升,如平朔矿区通过露天矿群开发模式,短时间内产量规模过亿吨;②矿群开采模式可调剂各个矿的剥采能力以保持稳定的矿区开发规模,提高矿区应对复杂地质条件的能力,保证年煤炭产量的稳定性;③共用基础设施,降低新建矿山成本;④矿群内部生产资料共享,如生产设备、排土场,统筹优化开拓运输系统等措施,可以有效降低矿群煤炭生产成本;⑤通过矿群开采程序的统筹优化,减少矿山转向,协同开采消除端帮,提高了资源回收率,提高了生产效率;⑥在内部可以最大程度的实现煤质搭配,优化产能结构,减小矿群对外部配煤资源的依赖程度;(4)对国内适合露天矿群模式开发的煤田基本情况进行总结,列出其资源储量及规划情况,并介绍了美国、澳大利亚、加拿大、印度的露天矿群开发情况。(二)提出露天矿群开发总规模概念及构成,并进一步分析露天矿群生产规模、露天矿群外购规模,进而总结构建确定各部分的技术路线及数学模型。(1)露天矿群开发总规模是指露天矿群对外销售煤炭的总规模,由露天矿群山生产规模和露天矿群外购规模两部分组成。2011年,神华集团自产煤2.82亿吨,商品煤销量3.87亿吨,全年外购商品煤1.05亿吨,同比增长56.15%,连续两年保持55%左右的增速,外购煤占煤炭销售量的比重27.21%,同比提高6个百分点,创历史新高。按照规划,神华集团在―十二五‖末期,外购煤总量要占据总销售量的40%以上;2011年,中煤集团全年原煤产量1.64亿吨,外购煤达3230万吨,是自产煤炭的19.70%,同比增长24.6%。外购煤炭在煤炭生产企业中的作用将越来越大,因此,本论文将其纳入露天矿群总规模,以便更加符合我国煤炭生产企业的实际运营情况;(2)露天矿群生产规模是指露天矿群内的各个矿山每年自行生产采出的煤炭总量,论文总结并建立了露天矿群生产规模的技术路线及确定方法,根据储量的限制确定上限规模,根据规模经济确定下限规模,将开采工艺、工作线长度与推进度、当地外包施工能力、辅助环节、投资融资额度、外部运输环境作为条件约束,然后在这些因素所确定的区间内通过技术经济比选,确定露天矿群经济合理的生产规模;(3)露天矿群外购规模是指矿山生产企业为了达到国家政策的要求,以及通过煤炭销售获取更高利润等目的,通过外购部分煤炭与自行生产的煤炭进行配煤后再进行销售,这部分的外购煤炭量就叫做露天矿群外购规模。(三)分析总结露天矿群开采程序基本类型及其特点,对露天矿群开采程序的优势及影响因素进行分析,从而进一步建立其评价指标体系、技术路线及数学模型,并以平朔露天矿群为例证。(1)将露天矿群开采程序基本类型分为三种:同向推进开采、相对推进开采及垂直方向推进开采,分析了各种优化类型的主要特点,并结合平朔矿群、白音华矿群的工程实践进行说明。论文同时分析了露天矿群开采程序的优势:①矿群统筹优化,减少采区转向次数;②协调开采端帮压煤,提高资源回收率;③共享排土空间,减少二次剥离量;④消除部分相邻端帮,减少边坡维护工作,尤其对软岩露天矿;⑤降低煤炭自燃隐患,有利于矿山安全生产工作;(2)分析并总结影响其优化的影响因素主要有:①不同矿之间开采工艺的差异;②开拓运输系统的影响;③对内外排土场的影响;④辅助生产环节的影响;⑤相邻露天矿时空位置的协调;⑥边坡稳定性的影响;(3)建立露天矿群开采程序评价指标体系,将整个指标体系分成两层,第一层:露天矿群层,包括“矿群阶段总煤量均衡性”,“矿群阶段剥采比波动性”“追加投资”三个指标;第二层:露天矿层,包括“露天矿总采煤量”,“露天矿总剥离量”,“外排量”,“外排综合运距”,“阶段采剥总量均衡性”,“阶段采煤量与剥离量相关性”,“安全生产隐患”,“开拓运输系统复杂程度”八个指标;(4)论文应用改进的复合理想解法进行开采程序的综合评价,传统理想解算法,只能针对一个矿多个方案进行评价,无法满足露天矿群开采程序评价的需要,论文在传统理想解算法的基础上,将多个理想解进行无量纲复合,从而适应了露天矿群开采程序优化评价的需要。(四)针对露天矿群的排土特点,提出了露天矿群排土优化的双层机制,露天矿群内排与外排的流向流量优化机制与“排土—产量”调节机制,并分别构建矿群内外排的流向流量优化模型,“排土——产量”反馈调节的流程及模型,从而达到降低矿群总成本的目的。(1)分析总结露天矿群排土优化的特点:①各露天矿的外排土场打破原有归属界限;②内排土场依旧由各矿排弃,且尽量排满;③矿群境界内的外排土场底面积可以扩展,不受露天矿境界约束;④尽量减少矿群境界外的外排土场;⑤根据流向流量优化结果,降低排弃成本高露天矿的产量,提高有内排空间矿的生产量,达到降低总成本的目的。(2)在此基础上,提出了露天矿群排土优化的双层机制,露天矿群排土流向流量优化与“排土—产量”的反馈调节,从露天矿群的角度出发,不受单个露天矿境界的限制,所有的外排土场可以提供给各个露天矿使用,尤其是相邻距离不大的两个露天矿之间,通过线性规划等优化算法,可以起到调节矿群流向流量的目的,减少运输功,同时,在排弃条件不好的露天矿,适当降低产量指标,在内排空间充足的露天矿,增大产量,通过这种协调方式,保持了矿群生产规模的稳定,又降低了矿群的总运输成本和排土成本,达到经济效益的提高,“排土—产量”的调节要充分考虑单个矿山的生产能力,适用于在露天矿群流向流量优化后的有限调节;(3)构建露天矿群内排、外排流向流量优化模型,首先在各个露天矿内进行内排的优化,根据总排弃量减掉全部内排量,得到矿群的总外排量,此时,外排土场不再具体归属于某一个露天矿山,露天矿可以向矿群内全部的外排土场排弃,以矿群总体运输功最小为目标函数进行优化,发挥露天矿群开采的优势;(4)构建了“排土—产量”的反馈调节模型,包括技术流程及数学公式,站在露天矿群的角度,统筹排土与产量的规划,在排弃条件不好的露天矿,适当降低产量指标,在内排空间充足的露天矿,增大产量,通过这种协调方式,保持了矿群生产规模的稳定,又降低了矿群的总运输成本和排土成本,达到经济效益的提高。