露天礦用排土橋工藝的研究

王赟

（中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司，山西太原030006）

露天礦用排土橋工藝的研究

王赟

（中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司，山西太原030006）

提出了露天煤礦開(kāi)采線擴(kuò)大、運(yùn)輸距離加長(zhǎng)后存在的問(wèn)題，闡述了排土橋運(yùn)輸工藝的配套設(shè)備、開(kāi)采方法及相關(guān)設(shè)備運(yùn)輸能力，說(shuō)明了其開(kāi)采特點(diǎn)，并與卡車運(yùn)輸工藝的運(yùn)行成本進(jìn)行了對(duì)比。

排土橋；排土機(jī)；露天煤礦；運(yùn)行成本

0 引言

據(jù)現(xiàn)有勘察資料顯示我國(guó)適合露天開(kāi)采的資源儲(chǔ)量占總量的10%～15%，且資源分布差異較大，主要分布在西部和華北地區(qū)[1]。露天開(kāi)采與地下開(kāi)采相比具有安全、高效、易復(fù)墾、采出率高，成本低等特點(diǎn)[2]。同時(shí)露天采煤可以充分利用一切有利條件，降低采煤對(duì)土地、空氣、水以及地質(zhì)災(zāi)害的不良影響，使露天礦山形成“高效率、低能耗、低污染、低排放”的運(yùn)行模式，達(dá)到最佳的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。綜觀當(dāng)前我國(guó)露天煤礦，仍以間斷工藝為主，尤其是以單斗-卡車間斷工藝為多[3]，該工藝中卡車運(yùn)輸機(jī)動(dòng)靈活，轉(zhuǎn)彎半徑小，在礦井建設(shè)初期經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)特別明顯。單斗-卡車間斷工藝所需設(shè)備目前普遍已經(jīng)國(guó)產(chǎn)化，且管理運(yùn)行方式也比較成熟。

露天礦是一個(gè)以采掘?yàn)橹行?，以運(yùn)輸為紐帶的大型生產(chǎn)系統(tǒng)[4],其生產(chǎn)成本與所選開(kāi)采工藝、煤巖運(yùn)距、剝采比等有關(guān)，但普遍不到井工開(kāi)采成本的1/2。單斗+卡車間斷開(kāi)采運(yùn)輸工藝的運(yùn)輸費(fèi)用在露天開(kāi)采噸煤成本中所占比重最高，其中燃油、輪胎消耗為運(yùn)輸費(fèi)用中份額較大的兩項(xiàng)，通常時(shí)會(huì)占到總成本的60%。特別是采區(qū)工作線加長(zhǎng)，采區(qū)剝離點(diǎn)距離排土點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)運(yùn)輸費(fèi)用更會(huì)急劇上升，具體主要體現(xiàn)在行車通道維護(hù)工作繁重，運(yùn)輸設(shè)備能耗巨大，輪胎消耗較多，排放污染比較嚴(yán)重，尤其是燃油價(jià)格波動(dòng)較大時(shí)，對(duì)開(kāi)采成本造成的影響更大。因此，針對(duì)露天煤礦開(kāi)采工作線變長(zhǎng)、運(yùn)輸距離加大問(wèn)題研發(fā)一種成本低廉、安全可靠的排土運(yùn)輸工藝，來(lái)實(shí)現(xiàn)露天煤礦的高產(chǎn)高效意義非常重大。

1 露天煤礦概況

我國(guó)某露天煤礦井田面積42 km2，礦層近水平分布，無(wú)斷層，境內(nèi)可采原煤儲(chǔ)量14.98億t，剝采比約為5：1，排土方式為內(nèi)排土，現(xiàn)核定生產(chǎn)能力3 400萬(wàn)t/a。坑內(nèi)上部黃土層平均厚度49 m，中部巖石平均厚度56 m，均采用單斗挖掘機(jī)-自卸卡車間斷工藝剝離；煤層頂板平均厚度45 m，采用拋擲爆破-吊斗鏟倒堆工藝；煤層平均厚度28.8 m，采用單斗挖掘機(jī)-自卸卡車-坑邊半移動(dòng)破碎站-膠帶機(jī)半連續(xù)工藝開(kāi)采。單斗卡車工藝開(kāi)采時(shí)黃土臺(tái)階高度15 m，破面角60°，工作面平盤寬度80 m，巖石臺(tái)階高度15 m，坡面角65°，工作面平盤寬度95 m，排土臺(tái)階20～30 m，坡面角38°，工作面平盤寬度100 m，吊斗鏟倒堆工藝開(kāi)采時(shí)吊斗鏟高臺(tái)階高度45 m，高臺(tái)階坡面角65°，平盤寬度85 m，擴(kuò)展平盤高度12～15 m，寬度125 m，煤臺(tái)階坡面角70°，平盤寬度85 m，分3層采掘。目前采掘線長(zhǎng)度約2 km，受其它礦井征地等外部因素影響，預(yù)計(jì)今后采掘線將擴(kuò)大到4 km。按照原先開(kāi)采運(yùn)輸工藝，該礦今后排土運(yùn)輸成本將會(huì)大幅增加。

2 排土運(yùn)輸工藝

排土是露天采礦必不可少的生產(chǎn)工序，它不僅關(guān)系著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，而且體現(xiàn)著運(yùn)輸和排土的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果[5]。露天礦排土橋運(yùn)輸工藝是針對(duì)排土方式為內(nèi)排，同時(shí)礦井為近水平礦層、開(kāi)采工作線較長(zhǎng)、運(yùn)輸距離較大的露天煤礦設(shè)計(jì)的一種工藝，采用的設(shè)備有排土橋、排土機(jī)、前裝機(jī)、鉆機(jī)等輔助設(shè)備。該工藝主要目的是縮短排土運(yùn)輸距離，減少運(yùn)輸費(fèi)用，提高運(yùn)輸效率，增加露天開(kāi)采效益。采用排土橋運(yùn)輸工藝運(yùn)輸前需要在煤層頂板上準(zhǔn)備一個(gè)長(zhǎng)300 m，初始寬度100 m的工業(yè)廣場(chǎng)，用于布置排土橋、排土機(jī)、鉆機(jī)、挖掘設(shè)備、裝載設(shè)備，同時(shí)為輔助車輛通行提供通道。根據(jù)開(kāi)采工藝的要求，排土橋、排土機(jī)、前裝機(jī)等設(shè)備布置如圖1依次布置在煤層上方。前裝機(jī)將采區(qū)剝離的黃土及破碎的巖石裝運(yùn)至排土機(jī)，完成物料的裝載。排土機(jī)將接收到的物料轉(zhuǎn)載運(yùn)輸?shù)礁迸磐翗?，?shí)現(xiàn)物料的連續(xù)運(yùn)輸。排土機(jī)主要由受料臂、排料臂、回轉(zhuǎn)裝置、履帶行走裝置組成，受料臂與地面輸送機(jī)間的夾角不小于20°，在水平面上左右回轉(zhuǎn)90°[6]。每個(gè)采區(qū)排土機(jī)的數(shù)量可根據(jù)受料量的多少來(lái)調(diào)整。副排土橋?qū)⒔邮艿奈锪限D(zhuǎn)載至排土橋。排土橋是排土運(yùn)輸工藝的核心設(shè)備，它將剝離的物料跨過(guò)采空區(qū)，以最短的水平距離、最小的高差運(yùn)入排土場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)物料的快速轉(zhuǎn)運(yùn)。排土橋是行架結(jié)構(gòu)，包括主橋和排土懸臂段。排土橋上逐層安裝有皮帶運(yùn)輸機(jī)，每一個(gè)回填平盤上方有若干個(gè)卸載點(diǎn)，如圖1中的A、B、C、D點(diǎn)。排土橋的下方有兩個(gè)行走支承裝置，分別位于采掘側(cè)和排土側(cè)。采掘側(cè)和排土側(cè)各裝一組行走軌道，行走軌道分段鉸接聯(lián)接，輔助車輛推移時(shí)可以形成S彎，行走支承裝置在上面走行，同時(shí)可完成排土橋的橫向縱向移動(dòng)。

圖1 工作面設(shè)備布置示意圖

采區(qū)及相關(guān)設(shè)備準(zhǔn)備好后，上部分層剝離的黃土和中部破碎后的巖石經(jīng)前裝機(jī)裝載至各個(gè)平盤的排土機(jī)，排土機(jī)將物料從上至下轉(zhuǎn)載運(yùn)輸?shù)礁迸磐翗?；同時(shí)煤層頂板的巖石破碎后經(jīng)前裝機(jī)裝載至排土機(jī)，排土機(jī)將物料從下至上轉(zhuǎn)載到副排土橋。增加巖石破碎環(huán)節(jié)可以降低物料對(duì)運(yùn)輸設(shè)備的磨損，減少備品備件的消耗，提高整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率。副排土橋?qū)⑽锪限D(zhuǎn)載運(yùn)輸至排土橋，排土橋跨過(guò)采空區(qū)直接將物料卸載到排土場(chǎng)。轉(zhuǎn)運(yùn)完剝離好的物料后，排土橋橫向移動(dòng)，排土橋下面的軌道呈S形縱向向前推移，為排土橋反向前移做好準(zhǔn)備，同時(shí)副排土橋、排土機(jī)整體也橫向移動(dòng)。按照這樣的排土運(yùn)輸方式，排土橋在4 km長(zhǎng)度采區(qū)范圍內(nèi)從一端行走至另一端，完成一個(gè)工作循環(huán)的排土。下一個(gè)橫向移動(dòng)循環(huán)時(shí)，排土橋在S形軌道上行走時(shí)同步完成縱向移動(dòng)。每一個(gè)排土循環(huán)前，剝離區(qū)的巖石需遠(yuǎn)離排土橋預(yù)先分段爆破，避免爆破工作與排土相互干涉，保證排土設(shè)備始終處在安全區(qū)域。前裝機(jī)、排土機(jī)及排土橋的有效配合使用可實(shí)現(xiàn)物料排放的連續(xù)性，縮減剝離物的排棄運(yùn)距，避免因?yàn)楦卟罨蜻\(yùn)輸系統(tǒng)復(fù)雜而造成的重復(fù)繞行排棄[7]。排土橋運(yùn)輸工藝降低了卡車長(zhǎng)距離的高額運(yùn)輸費(fèi)用，提高了礦井的生產(chǎn)效率。

3 排土運(yùn)輸費(fèi)用

通常露天煤礦噸運(yùn)輸成本隨著運(yùn)距的增加而增加，并接近直線關(guān)系[8]，具體數(shù)學(xué)模型如下：

式中：Q為汽車運(yùn)輸能力，t/臺(tái)·a；xi為運(yùn)輸成本中單項(xiàng)費(fèi)用，元/臺(tái)·a；L為運(yùn)輸距離，km

假定某礦采掘線擴(kuò)大到4 km后，總排土量保持800 000 m3/d，按照巖層厚度及土密度關(guān)系可得總排土量為1 766 000 t/d。

如果仍采用卡車運(yùn)輸工藝，則運(yùn)輸費(fèi)用為：

式中：Ak為每天油費(fèi)，元/d；Qk為卡車每天的運(yùn)量，t/d（排土機(jī)一天的總運(yùn)量為1 766 000 t/d）；φy為運(yùn)輸費(fèi)用，2元/t·km。

按照平行等距推進(jìn)的方式，日工作20 h，各采區(qū)配置的排土橋、副排土橋和排土機(jī)等設(shè)備的額定運(yùn)輸能力見(jiàn)表1。

表1 設(shè)備額定運(yùn)行能力

綜上運(yùn)輸能力，取整后選型排土橋排土能力為90 000 t/h，裝機(jī)功率27 000 kW，按照運(yùn)量和功率呈線性關(guān)系，可假定排土機(jī)、副橋的總功率為27 000 kW，得采用排土橋運(yùn)輸工藝時(shí)的運(yùn)行耗能費(fèi)用為：

式中：Ap為每天電費(fèi)，元/d；N為排土機(jī)總功率，kW；D為日工作時(shí)間，20 h；φd為工業(yè)用電費(fèi)用，1元/kW·h。

根據(jù)上述計(jì)算分析，在不考慮設(shè)備購(gòu)置、備件消耗、道路養(yǎng)護(hù)、人工費(fèi)用等情況下排土橋運(yùn)輸工藝運(yùn)行成本約為卡車運(yùn)輸工藝成本的八分之一。

4 結(jié)論

露天煤礦運(yùn)輸系統(tǒng)是露天礦規(guī)劃設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過(guò)程中極其重要的部分，它與露天礦基建規(guī)模，投入費(fèi)用，運(yùn)行成本密切相關(guān)。通過(guò)本文的分析可知露天煤礦采掘線擴(kuò)大，運(yùn)輸距離加長(zhǎng)后，采用排土橋運(yùn)輸工藝可大大降低生產(chǎn)運(yùn)輸成本，避免卡車運(yùn)輸中的通道維護(hù)、油耗高、污染重等問(wèn)題，同時(shí)也為現(xiàn)場(chǎng)管理帶來(lái)便利。排土橋運(yùn)輸工藝是大型露天煤礦綠色環(huán)保開(kāi)采的一種理想工藝。

［1］宋曉波.中國(guó)適宜露天開(kāi)采的煤炭資源分布及其評(píng)價(jià)研究［J］.煤炭工程，2015（12）：124-126．

［2］王建國(guó).我國(guó)現(xiàn)代化露天采煤技術(shù)的資源合理開(kāi)發(fā)方向［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2008（1）：4-7．

［3］賀昌斌.基于單斗-卡車工藝條件下的露天煤礦安全管理［J］.露天采礦技術(shù)，2015（4）：56-58．

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［5］駱銀龍.淺談露天采礦技術(shù)［J］.華章，2009（24）：172．

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［8］周玉明.露天礦汽車運(yùn)輸合理運(yùn)距的確定［J］.煤礦機(jī)械，2002（8）：85-86.

【責(zé)任編輯：張東旭】

Study on technology of dumping bridges in open-pit mine

WANG Yun
(China Coal Science and Technology Group Taiyuan Research Institute Co.,Ltd.,Taiyuan 030006,China)

The article puts forward the existing problems of mining line expansion and transport distance lengthened,expounds the equipment,mining methods and related equipment transport capacity transport technology,explains the mining characteristics,and compares the operation cost with truck transportation technology.

dumping bridge;dumping machine;open-pit coal mine;running cost

TD824

B

1671－9816（2017）08－0026－03

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.08.007

王赟.露天礦用排土橋工藝的研究［J］.露天采礦技術(shù)，2017，32（8）：26-28.

2017-03-13

王赟（1979—），男，副研究員，2002年畢業(yè)于太原理工大學(xué)，現(xiàn)在中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司工作。