哈爾烏素露天煤礦破碎站移設(shè)規(guī)劃研究

劉玲，王忠鑫，董濤，楊漢宏，翟正江

（1.中煤科工集團(tuán)沈陽設(shè)計研究院有限公司，遼寧沈陽110015；2.神華準(zhǔn)能集團(tuán)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古鄂爾多斯017000）

哈爾烏素露天煤礦破碎站移設(shè)規(guī)劃研究

劉玲1，王忠鑫1，董濤1，楊漢宏2，翟正江2

（1.中煤科工集團(tuán)沈陽設(shè)計研究院有限公司，遼寧沈陽110015；2.神華準(zhǔn)能集團(tuán)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古鄂爾多斯017000）

根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)狀，進(jìn)行移設(shè)規(guī)劃研究。提出了橫向和縱向上技術(shù)可行的多個布置方案，建立數(shù)學(xué)模型，并對各方案的技術(shù)可行性、經(jīng)濟(jì)合理性和對遠(yuǎn)期的影響進(jìn)行了研究論證，最終確定了破碎站下一個合理布置位置為地表境界南部+1 075 m水平南坪溝附近，最優(yōu)移設(shè)步距為2.05 km，移設(shè)周期為5 a左右。

破碎站；移設(shè)規(guī)劃；移設(shè)步距

0 引言

近年來，單斗-卡車-半移動式破碎站-帶式輸送機(jī)半連續(xù)開采工藝廣泛應(yīng)用于各大露天礦，半連續(xù)系統(tǒng)及裝備制造技術(shù)得到了長足發(fā)展，系統(tǒng)可靠性不斷提高，以電代油和減少環(huán)境污染等優(yōu)越性突出。隨著采剝工程位置的推進(jìn)，破碎站會逐漸出現(xiàn)滯后生產(chǎn)的局面，導(dǎo)致卡車運距增加，卡車數(shù)量增多，生產(chǎn)成本隨之增大，破碎站布置的合理性直接影響露天礦的經(jīng)濟(jì)效益和生產(chǎn)組織管理。結(jié)合露天礦具體情況研究半移動破碎站的布設(shè)位置及移設(shè)周期和步距，建立破碎站移設(shè)規(guī)劃的優(yōu)化模型和計算方法具有重要的理論及現(xiàn)實意義，國內(nèi)學(xué)者在這方面也做了大量的研究并取得一定成果[1-6]。對哈爾烏素露天礦既有的一、二號煤破碎站的下一個布置位置方案及定期移設(shè)規(guī)劃進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。

1 哈爾烏素露天礦概況

哈爾烏素露天煤礦位于準(zhǔn)格爾煤田中部，與黑岱溝露天煤礦相鄰。礦區(qū)為黃土丘陵地貌，沖溝發(fā)育，主要可采煤層為6#煤層。露天礦生產(chǎn)規(guī)模為35.00 Mt/a，剝離采用單斗-卡車開采工藝，采煤采用單斗-卡車-半移動式破碎站-帶式輸送機(jī)半連續(xù)開采工藝。

哈礦共有3套煤破碎系統(tǒng)，全部位于首采區(qū)的南側(cè)地表位置，一、二號破碎站于達(dá)產(chǎn)時期投入使用，目前即將面臨移設(shè)。黑岱溝、哈爾烏素露天礦的開采現(xiàn)狀如圖1。

2 一、二號破碎站移設(shè)位置確定

2.1 移設(shè)規(guī)劃方案

圖1 兩礦開采現(xiàn)狀示意圖

2.1.1 坑下破碎站

考慮基底的穩(wěn)定性，內(nèi)排臺階上不宜布置破碎站，坑下破碎站可布置在煤層頂、底板及端幫基巖上。優(yōu)點是可減少土方工程量，縮短卡車運距，節(jié)省卡車運費。缺點是剝、采、排運輸系統(tǒng)受到制約，需留溝內(nèi)排，剝離物的運距和排棄位置發(fā)生變化，運輸費用增加。另外，破碎站和帶式輸送機(jī)移設(shè)會相對頻繁。

2.1.2 地面破碎站

地面破碎站的優(yōu)點是不影響剝、采、排運輸系統(tǒng)。缺點是運煤卡車的運距增加，運輸費用增大；受地形地貌影響，破碎站場地平場時會發(fā)生一定的土方工程量。

綜上所述，各方案在技術(shù)上均可行，為了確定最佳方案，還需要進(jìn)行經(jīng)濟(jì)可行性論證。

2.2 各方案經(jīng)濟(jì)對比分析

2.2.1 坑下破碎站方案

坑下破碎站位置的選擇主要為橫向和縱向。橫向即首采區(qū)的南部和北部，縱向即煤層的頂板、底板和端幫。

1）橫向布置方案技術(shù)分析。破碎站位于坑下均需留溝排棄，煤車運距在南部和北部是相同的。黑、哈兩礦推進(jìn)方向一致，哈礦超前，黑礦推進(jìn)時對哈礦回填區(qū)進(jìn)行二次剝離，如果破碎站位于北側(cè)，留溝排棄部分有益于減少黑礦的二次剝離量，不足之處是帶式輸送機(jī)布置由北至南橫跨整個工作面，增加了帶式輸送機(jī)長度。

以破碎站位于煤層底板為基礎(chǔ)，分析破碎站位于南部（方案1）和位于北部（方案2）所產(chǎn)生的效益及對生產(chǎn)帶來的影響。兩方案位置如圖2和圖3。

橫向布置方案存在差異的主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

圖2 破碎站位于南部煤層底板位置示意圖

圖3 破碎站位于北部煤層底板位置示意圖

表1 橫向布置方案受影響的技術(shù)指標(biāo)

式中：N為費用差值，萬元；N1為方案1增加費用總計，萬元；N2為方案2增加費用總計，萬元；Q為受影響內(nèi)排工程量，萬m3；K為增加運距，km；G為帶式輸送機(jī)長度，m；Y為卡車單位運輸成本，取2.2元/m3·km；F為每延米帶式輸送機(jī)投資，取0.5萬元/m；E為黑礦減少的二次剝離工程量，萬m3；j為黑礦剝離單價，取2.0元/m3·km，運距為2.0 km；QM為運煤量，取19.5 5 Mt；d為膠帶單位運輸成本，取0.125元/t·km。兩方案各項費用計算結(jié)果見表2。

破碎站位于坑下時，如不增加額外投資建設(shè)鋼橋[7]，方案1剝離物雙環(huán)運輸通路被切斷，運距增大，根據(jù)表2可知，方案2比方案1節(jié)省12 453.94萬元。因此，坑下破碎站從橫向角度分析方案2的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于方案1。

表2 各項費用計算結(jié)果對比萬元

3）縱向布置方案技術(shù)分析?？v向上可行的破碎站位置為煤層頂板、底板及端幫。位于煤層頂、底板均影響卡車提升高度。但是位于底板時，重車下運可降低卡車運輸費用，且剝離和采煤工程不會受破碎站位置制約而滯后，對整個采、運、排生產(chǎn)環(huán)節(jié)影響最小。

破碎站位于端幫對內(nèi)排留溝影響小，但煤的提升高度和運距較大。根據(jù)上述情況，提出以下4種可行的坑下破碎站位置方案。

方案1：煤層底板948 m水平。破碎站位于煤層底板948 m水平位置示意圖如圖4。內(nèi)排土場全留溝排棄。帶式輸送機(jī)的布置考慮黑礦下一年的推進(jìn)度，留出相應(yīng)的推進(jìn)距離和安全距離，帶式輸送機(jī)的爬升角度為11°，滿足規(guī)范要求[8]。內(nèi)排土場1 130 m及以上水平，受橫貫整個工作面帶式輸送機(jī)影響，不能正常的跟進(jìn)排棄，內(nèi)排土場需排棄至1 235 m水平。

圖4 破碎站位于煤層底板948 m水平位置示意圖

方案2：端幫運輸平盤1 055 m水平。破碎站位于端幫運輸平盤1 055 m水平位置示意圖如圖5。安裝破碎站時，需要擴(kuò)幫保證卸載平臺及維修作業(yè)的要求。內(nèi)排土場半留溝排棄，帶式輸送機(jī)布置同樣考慮黑礦下一年推進(jìn)度，爬升角度較緩為5°，增加了帶式輸送機(jī)長度。內(nèi)排土場1 130 m及以上水平受橫貫整個工作面帶式輸送機(jī)影響，內(nèi)排土場需排棄至1 235 m水平。

方案3：端幫運輸平盤1 130 m水平。破碎站位于端幫運輸平盤1 130 m水平位置示意圖如圖6。考慮兩礦內(nèi)排留溝現(xiàn)狀，煤破碎站選定在與留溝平盤一致的標(biāo)高，即位于北端幫1 130 m水平。破碎站布置時，需要擴(kuò)幫保證卸載平臺及維修作業(yè)的要求。帶式輸送機(jī)受黑礦下一年推進(jìn)度影響，爬升角度較緩為3°。內(nèi)排土場1 130 m及以上水平，不能正常的跟進(jìn)排棄，需排棄至1 235 m水平。

圖5 破碎站位于端幫運輸平盤1 055 m水平位置示意圖

圖6 破碎站位于端幫運輸平盤1 130 m水平位置示意圖

方案4：煤層頂板986 m水平

積極拓寬渠道，打造多元、穩(wěn)定的業(yè)務(wù)及市場鏈條。石羊河流域行業(yè)取耗水總量控制與地下水超采區(qū)管理方案研究、甘肅省水利水電工程計價依據(jù)修編主要問題研究，均獲甘肅省水利科技進(jìn)步獎一等獎。寧夏鹽環(huán)定揚黃工程受水區(qū)城鄉(xiāng)水務(wù)一體化方案及工程水價測算有關(guān)成果被地方政府采用。開展廣東省現(xiàn)代水利發(fā)展戰(zhàn)略、引漢濟(jì)渭水權(quán)置換、南水北調(diào)東中線一期工程兩部制水價、西藏水生態(tài)補(bǔ)償實施方案、引黃入晉供水管理體制、廣西病險水庫綜合效益拓展等項目研究，取得了良好的社會、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益，得到充分肯定和歡迎。

破碎站位于煤層頂板986 m水平位置示意圖如圖7。壓煤量約330萬m3。內(nèi)排土場全留溝排棄。帶式輸送機(jī)受黑礦下一年推進(jìn)度影響，爬升角度為8°。內(nèi)排1 130 m以上水平排土受限，需排棄至1 235 m水平。縱向布置方案受影響的技術(shù)指標(biāo)見表3。

圖7 破碎站位于煤層頂板986 m水平位置示意圖

4）縱向布置方案經(jīng)濟(jì)分析

表3 縱向布置方案受影響的技術(shù)指標(biāo)

①受影響內(nèi)排量增加的費用：

式中:NB為受影響內(nèi)排工程增加費用，萬元；T為剝離提升高度增加值，m；V為提升高度每增加1 m運輸成本增加值，取0.024元/m3·m。

②擴(kuò)幫量增加的費用：

擴(kuò)幫部分工程量運輸至內(nèi)排土場，運輸距離和提升高度不受煤破碎系統(tǒng)影響，只考慮增加的剝離費用。

式中:Nk為擴(kuò)幫工程增加費用，萬元；QK為擴(kuò)幫工程量，萬m3。

③黑礦減少二次剝離工程費用：

④運煤系統(tǒng)增加費用：

式中：NM為運煤系統(tǒng)增加費用，萬元；KM為煤車運輸距離，km；TM為運煤提升高度增加值，m。

根據(jù)公式（2）、（3）、（4）和（5）計算得出各個方案增加費用見表4。根據(jù)表4可知，方案3增加費用相對最少為30 124.72萬元，方案3最優(yōu)。

表4 各方案增加費用計算表萬元

2.2.2 地面破碎站

1）位置確定。

首采區(qū)南部地勢低于北部，且本礦生產(chǎn)系統(tǒng)位于首采區(qū)南側(cè)，故地面破碎站可選擇在南部合適的水平，2018年末剝采排工程位置如圖8所示。

由圖8可知,南部端幫工程位置受南坪溝影響，最上面一個臺階標(biāo)高為+1 055～+1 070 m水平，上部+1 100 m水平臺階在南坪溝處已經(jīng)尖滅，尖滅距離約210 m，運煤出口從南坪溝處運至地面，可降低煤的提升高度。根據(jù)采掘臺階分布，破碎站卸載平臺標(biāo)高確定為+1 075 m較為合理。

圖8 2018年末剝采排工程位置示意圖

2）地面破碎站增加費用

式中：ND為地面破碎站增加費用，萬元；其它符號含義同上。

破碎站場地平整挖方工程量約20萬m3，該費用較少可計入破碎站移設(shè)費用。此時，運煤距離為2.5 km，提升高度為84 m。帶式輸送機(jī)增加長度為2.2 km，根據(jù)公式（6）可計算運煤費用為11 596.07萬元。

坑下破碎站方案計算得出坑下北端幫+1 130 m水平方案最優(yōu)，增加費用為30 124.72萬元，對比分析可知，破碎站布置在地面的方案增加的費用最少，本研究推薦破碎站下一個移設(shè)位置位于首采區(qū)南幫地面+1 075 m水平，如圖8所示。

3 一、二號破碎站移設(shè)步距

3.1 影響因素分析

3.1.1 煤系統(tǒng)運輸費用。

1）提升高度。本礦煤層傾角10°，提升高度對運輸費用的影響可忽略不計。

2）運輸距離。運煤卡車從坑下經(jīng)工作幫（或內(nèi)排土場）移動坑線到達(dá)+1 075 m水平運輸平盤，從坑下到地面垂直方向的運輸距離是一定的，水平運輸距離隨著工作線推進(jìn)逐年變化。

3.1.2 移設(shè)費用

主要考慮破碎站的拆裝費、土建工程、膠帶投資、設(shè)備改造、機(jī)電、地勘、購地等方面，計算得出單臺破碎站移設(shè)整體費用為3 000萬元/臺。

3.2 移設(shè)步距

3.2.1 計算原則

根據(jù)本礦運輸系統(tǒng)，破碎站的最大服務(wù)范圍如圖9所示。破碎站的移設(shè)步距應(yīng)為工作幫方向確定合理步距的2倍。

圖9 破碎站服務(wù)范圍示意圖

3.2.2 合理移設(shè)步距確定

破碎站在工作幫方向服務(wù)期分別取1～4 a不等，服務(wù)期小于4 a時，無需新增運煤設(shè)備。合理移設(shè)步距應(yīng)為運輸增加費用與破碎站移設(shè)費用相等時的步距。

經(jīng)計算，運輸增加費用和破碎站移設(shè)一次總費用凈現(xiàn)值對比結(jié)果見表5。根據(jù)表5可知，卡車增加的運輸費用與移設(shè)一次總費用的平衡點為3～4 a之間，所以工作幫方向破碎站最佳服務(wù)期為3 a，考慮內(nèi)排土場以及兩組破碎站的重心位置，服務(wù)年限基本可延長1～2 a，一、二號破碎站自2018年第一次移設(shè)后，以后年份較為合理的移設(shè)步距應(yīng)為2.05 km，移設(shè)周期為5 a左右。

表5 運輸增加費用和破碎站移設(shè)一次總費用凈現(xiàn)值萬元

4 結(jié)論

從橫向和縱向2方面進(jìn)行多方案比選，建立數(shù)學(xué)模型，確定技術(shù)可行經(jīng)濟(jì)合理的破碎站位置位于南部地表+1 075 m水平。移設(shè)周期因礦而已，以企業(yè)實現(xiàn)最大經(jīng)濟(jì)效益為基本點，通過凈現(xiàn)值法確定本礦合理的移設(shè)步距為2.05 km，合理移設(shè)周期為5 a年左右。

［1］李新旺，段起超，張瑞新，等.安太堡露天礦半固定式破碎站布設(shè)水平的優(yōu)化［J］.中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2006，35（6）：752-756.

［2］陳樹召.大型露天煤礦他移式破碎站半連續(xù)工藝系統(tǒng)優(yōu)化與應(yīng)用研究［J］.煤炭學(xué)報，2012，37（3）：533-534.

［3］車兆學(xué)，翟正江，楊云浩.露天礦破碎站移設(shè)步距的研究［J］.中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2001，30（4）：399-402.

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［6］劉勇.安太堡露天煤礦后期破碎站移設(shè)位置確定［J］.露天采礦技術(shù)，2006（3）：20-21.

［7］張慶民.2 500 t/h礦用半移動式破碎站總體鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計［J］.煤炭工程，2004（9）：24-26.

［8］GB 50197—2015.煤礦工業(yè)露天礦設(shè)計規(guī)范［S］.

【責(zé)任編輯：解連江】

Research on transfer plan of crushing station in Ha'erwusu Open-pit Coal Mine

LIU Ling1,WANG Zhongxin1,DONG Tao1,YANG Hanhong2,ZHAI Zhengjiang2
(1.China Coal Technology and Engineering Group Shenyang Design&Research Institute,Shenyang 110015,China；2.Shenhua Group Zhungeer Energy Co.,Ltd.,Ordos 017000,China.)

According to the production status,the article carries out transfer planning research,proposes a number of layout schemes which are feasible in the horizontal and vertical directions,and establishes mathematical model,studies and demonstrates the technical feasibility,economic rationality and long-term impact of the various programs.The final reasonable location of the crushing station is for the surface of the south+1 075 m level near Nanpinggou.The optimal shift step distance is 2.05 km,and the shift period is about 5 years.

crushing station;transfer planning;shift step distance

TD824

B

1671－9816（2017）08－0005－05

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.08.002

劉玲，王忠鑫，董濤，等.哈爾烏素露天煤礦破碎站移設(shè)規(guī)劃研究［J］.露天采礦技術(shù)，2017，32（8）：5-9.

2017-03-13

中國煤炭科工集團(tuán)科技創(chuàng)新基金面上項目資助（2016ZYMS019）；

劉玲（1986—），女，滿族，遼寧人，工程師，學(xué)士，2009年畢業(yè)于遼寧工程技術(shù)大學(xué)礦物資源工程專業(yè)，現(xiàn)就職于中煤科工集團(tuán)沈陽設(shè)計研究院有限公司任項目總設(shè)計師，主要從事采礦工程設(shè)計與科研工作。