機械鏟倒堆工藝開采坑底薄及中厚煤層工藝研究

李延澤，張東華

（1．中煤平朔集團公司安家?guī)X露天礦，山西朔州036006；2．太原理工大學，山西太原030024）

機械鏟倒堆工藝開采坑底薄及中厚煤層工藝研究

李延澤1，張東華2

（1．中煤平朔集團公司安家?guī)X露天礦，山西朔州036006；2．太原理工大學，山西太原030024）

開采露天煤礦坑底薄及中厚煤層將增加整個礦的采剝運輸距離且需剝離大量巖石導致開采不經(jīng)濟，大量坑底薄煤層被遺棄。針對這種情況，提出機械鏟直接倒堆工藝開采坑底最下部煤層。首先，提出工藝的爆破、平整倒堆體、倒堆、回采煤層等程序。其次布置臺階參數(shù)，制定出設備選型的步驟，并制定出應用條件，此工藝的的應用將對露天煤礦產(chǎn)生良好的經(jīng)濟效益。

機械鏟；倒堆工藝；坑底；薄及中厚煤層

0 引言

倒堆工藝是一種間斷流合并式工藝[1-3]，集采掘、運輸、排土3項作業(yè)于一體，具有效率高、可靠性高、物料適應性強、成本低等優(yōu)點[4-6]。露天煤礦通常有多層可采煤層，位于坑底最下部的薄煤層通常由于經(jīng)濟的原因不開采。如山西平朔礦區(qū)的11#煤層，內蒙古準格爾礦區(qū)的9#煤層，煤價高的時候開采，煤價低的時候不開采，對煤炭資源造成了極大的浪費，單個大型煤礦每年浪費量達幾百萬噸。主要原因如下：

1）開采薄煤層至少需要形成1個剝離臺階、1個采煤臺階、1個排土臺階，一個臺階寬度加上斜坡的最小寬度按100 m計算，則3個臺階至少會增加300 m的采煤剝離運輸距離，同時運輸環(huán)節(jié)約占總開采成本的40%～50%，故開采薄煤層導致整個礦的開采成本大幅增加。

2）剝離薄煤層需先剝離煤層之上的巖石，剝離巖石也會增加整個開采成本。針對上述情況，提出采用機械鏟直接倒堆工藝開采坑底最下部的薄煤層。機械鏟倒堆工藝是用機械鏟如電鏟、液壓挖掘機位于坑底薄煤層之上，把剝離物直接倒堆到排土場，是美國采礦手冊中一種明確的開采工藝，在美國、俄羅斯、澳大利亞有著廣泛的應用。此工藝的主要優(yōu)點：①所需工作平盤寬度小，將降低整個露天煤礦的剝離和采煤運輸距離，從而降低整個煤礦的運營成本；②省去了開采臺階巖石剝離物的運輸環(huán)節(jié)，極大地降低了剝離成本。

研究將為我國坑底難采薄煤層的開采提供一種新的思路和方法，成功推廣應用于全國露天煤礦后可開采出大量的難采煤資源，大量降低開采成本，促進我國露天采煤事業(yè)的發(fā)展。

1 倒堆工藝程序

該工藝以機械鏟正鏟為基礎，推土機配合，主要適用于露天煤礦最下部的薄煤層。主要特點是先進行松動爆破，然后推土機把一部分推到排土場，機械鏟站立于煤層頂板或者排土場上對剝離物進行倒堆，機械鏟開采坑底薄煤層，卡車經(jīng)內排土場通道運出。

1.1 拋擲爆破

首先對剝離物進行拋擲爆破，把一部分剝離物拋擲到采空區(qū)。拋擲爆破會增加爆破的成本，同時減少倒堆剝離物的量，經(jīng)驗表明拋擲率可達30%～60%[7-8]，其中有效拋擲部分不需再進行倒堆[9]，增加剝離臺階的高寬比有利于提高有效拋擲率。拋擲爆破如圖1。

圖1 拋擲爆破

1.2 平整倒堆體

推土機對采空區(qū)的剝離物進行平整作業(yè)，平整出一個平行于煤層頂板的平臺或者略高于煤層頂板的平臺，同時輔助正鏟倒堆作業(yè)。如果爆堆臺階高度超過正鏟的最大采掘高度，則用推土機把爆堆高度推至正鏟能夠采掘的高度。推土機平整工作平臺如圖2。

圖2 推土機平整工作平臺

1.3 倒堆

首先用正鏟對停機面水平以上的物料進行倒堆，把剝離物直接倒堆到采空區(qū)，如煤層厚度小于等于3 m，則正鏟對停機面水平一下的物料進行倒堆。如煤層厚度大于3 m，則增加一個反鏟在正鏟工作線后對停機面以下的剝離物進行二次倒堆。正鏟倒堆如圖3。

1.4 回采煤層

單斗挖掘機位于煤層底板，對煤層進行上挖作業(yè)，運煤卡車經(jīng)內排土場運輸通道運至原煤破碎站。單斗鏟的斗容根據(jù)年采煤量確定?；夭擅簩尤鐖D4。

2 作業(yè)參數(shù)及應用條件

2.1 臺階作業(yè)參數(shù)

爆堆高度H應小于等于正鏟的最大挖掘高度，如局部地方爆堆高度大于正鏟挖掘高度，可用推土機推平爆堆高度；同時，倒堆臺階高度不能超過煤層高度加上單斗鏟的最大卸載高度。剝離臺階寬度A需考慮綜合正鏟的工作效率和臺階參數(shù)對拋擲爆破率的影響。正鏟站立于剝離物的平臺上，剝離臺階寬度小于最大挖掘半徑且大于最大挖掘半徑的1/2；臺階的高寬比越大，有效拋擲率越大，臺階高度固定的前提下臺階寬度越小約有利于提高拋擲爆破率。煤臺階和倒堆臺階設置3 m的安全寬度。

圖3 正鏟倒堆

圖4 回采煤層

2.2 設備選型

剝離正鏟的斗容Eb計算公式見式（1）。需要注意的是如果煤層厚度大于3 m，則需增加1個液壓反鏟，斗容變成正鏟和反鏟斗容的和；倒堆可能會存在二次倒堆的情況，每年需倒堆的剝離物量需根據(jù)作業(yè)條件和二次到對量重新計算。

式中：Eb為正鏟的斗容，m3；Q為每年需倒堆的剝離物量，m3；為剝離臺階平均高度，m；L為采煤工作線長度，m；v為采煤工作年年推進度，m/a；

采煤單斗鏟的斗容Em計算公示見式（2）。

式中：h為煤層平均厚度，m；

2.3 應用條件分析

排土場堆積高度Hp的計算公式見式（3）和式（4）。結合目前的設備制造水平，單斗鏟最大卸載高度通常不超過10 m，最大下挖深度通常不超過8 m，以及其他的露天礦經(jīng)驗數(shù)據(jù)，通過公式（3）和公式（4）算出剝離物的平均厚度H必須小于等于10 m，煤層厚度小于等于10 m，同時滿足經(jīng)濟條件。

式中：Hp為排土場堆積高度，m；Ks為剝離物松散系數(shù)；β為排土場坡面角，（°）；Hwxmax為單斗鏟最大卸載高度，m。

此工藝省去了坑底最小安全寬度，縮短了采場和排土場直接的距離，將大大縮短露天礦卡車運輸距離，從而降低露天礦的生產(chǎn)成本。

3 實例分析

3.1 露天煤礦煤礦條件

平朔集團安家?guī)X露天煤礦主要可采煤層從上到下有4#、9#、11#煤層，11#煤層厚度2.06～8.55 m，平均厚度4.10 m，11#煤層和9#煤層的剝離物厚度是1.33～23.39 m，平均厚度9.75 m。工作線長2 000 m，年推進度約350 m/a。剝離物平均厚度和煤層平均厚度滿足機械鏟直接倒堆工藝的應用條件，技術可行。

3.2 設備選型及作業(yè)參數(shù)

據(jù)上述條件露天礦開采11#煤層每年需剝離6.83 Mm3/a，11#煤層每年采出量約2.87 Mm3/a，剝離設備選用27 m3級別的單斗鏟，采煤設備選用12 m3級別的單斗鏟。考慮到煤層厚度和剝離厚度，剝離選用1臺20 m3級別的電鏟和1臺20 m3液壓反鏟，采煤設備選用12 m3級別的液壓正鏟或者電鏟。臺階參數(shù)根據(jù)設備確定，剝離臺階寬度和倒堆臺階寬度為15 m。

3.3 效益分析

開采11號煤層形成1個剝離臺階、1個安全距離、1個倒堆臺階，寬度共增加40 m，減少露天礦最低最小安全距離50 m，露天礦采場和排土場的最距離減少10 m。開采11#煤層的剝采比約為1.98 m3/t。每年多采出11#煤362萬t，全礦剝采比約降低0.2 m3/t，噸煤生產(chǎn)成本降低8元/t。

從上述設備選型、作業(yè)參數(shù)布置，經(jīng)濟效益分析可以看出，安家?guī)X露天煤礦采用機械鏟直接倒堆工藝開采11#煤層從技術上和經(jīng)濟上都是可行的。

4 結論

1）提出了以電鏟倒堆剝離為主，液壓反鏟和推土機配合開采坑底薄煤層及中厚煤層的開采工藝。

2）受限于設備，此工藝的適用條件是剝離物平均厚度小于等于10 m，煤層厚度小于等于10 m。

3）新工藝將減少坑底的采場和排土場的最小安全距離，經(jīng)濟效益顯著。

4）平朔集團安家?guī)X露天煤礦使用此工藝開采11#煤層從技術上是可行的，經(jīng)濟上是合理的。

［1］姬長生，尚濤.露天采礦學［M］．中國礦業(yè)大學出版社，2015.

［2］張幼蒂，李克民，尚濤，等.露天礦倒堆剝離工藝的發(fā)展及其應用前景——露天礦倒堆剝離開采方法系列論文之一［J］.中國礦業(yè)大學學報，2002（4）：4-7.

［3］陳樹召，才慶祥，劉福明，等.單斗挖掘機窄采掘帶倒堆工藝研究［J］.采礦與安全工程學報，2016（2）：336-341.

［4］李克民，馬軍，張幼蒂，等.拉斗鏟倒堆剝離工藝及在我國應用前景［J］.煤炭工程，2005（10）：46-48.

［5］馬軍.厚煤層條件下拉斗鏟無運輸?shù)苟压に噾醚芯浚跠］.徐州：中國礦業(yè)大學，2006.

［6］郭昭華，陳虎維，趙瑞璽.吊斗鏟倒堆工藝在神華集團露天礦區(qū)的應用研究［J］.露天采礦技術，2005（1）：1-3.

［7］張幼蒂，傅洪賢，王啟瑞，等.拋擲爆破與剝離臺階開采參數(shù)分析—露天礦倒堆剝離開采方法系列論文之四［J］.中國礦業(yè)大學學報，2003（1）：30-33.

［8］馬軍，李克民.拋擲爆破與拉斗鏟倒堆工藝研究［J］.中國礦業(yè)，2003（7）：45-47.

［9］李克民，郭韶華，張勇.露天礦拋擲爆破技術研究及應用［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，2011.

【責任編輯：陳毓】

Research on shovel-bucket overcastting system mining low and medium-thickness coal seam technology

LI Yanze1,ZHANG Donghua2
（1.Anjialing Open-pit Mine,China Coal Pingshuo Group Co.,Ltd.,Shuozhou 036006,China;2.Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China）

Mining low and medium-thickness coal seam will increase stripping transportation distance of the whole mine,meanwhile stripping an amount of rock and soil causes not economic mining.Aiming at this,this article proposes the shovel--bucket mining overcastting system for the lowest coal seam.At first,the author proposes the technology blasting,overcastting and mining coal seam,then sets bench parameter and formulates equipment selection steps and application condition,which creates good economic benefit.

shovel-bucket;overcastting system;bottom of open-pit mine;low and medium-thickness coal seam

TD824

B

1671－9816（2017）08－0039－04

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.08.011

李延澤，張東華.機械鏟倒堆工藝開采坑底薄及中厚煤層工藝研究［J］.露天采礦技術，2017，32（8）：39-42.

2017-04-20

李延澤（1984—），男，山西朔州人，工程碩士，2014年畢業(yè)于中國礦業(yè)大學露天開采專業(yè)，現(xiàn)任安家?guī)X露天煤礦穿爆班主管。