露天開采工藝比選及半連續(xù)工藝的合理性研究

張 環(huán)

（山西煤炭進出口集團河曲舊縣露天煤業(yè)有限公司，山西 河曲 036000）

露天煤礦中開采工藝系統(tǒng)的選擇是非常重要的一個環(huán)節(jié)[1]。合理開采工藝的研究涵蓋采、運、排設(shè)備水平、成本核算的龐大的目標體系[2-3]。開采工藝需從技術(shù)以及成本方面進行甄選，同時還應兼顧生產(chǎn)經(jīng)驗、地質(zhì)環(huán)境的變化進而展開理性的選擇[4]。目前，國內(nèi)半連續(xù)開采工藝在煤的采運系統(tǒng)中采用較多，而在剝離物當中半連續(xù)開采工藝應用的往往較少，尤其是大型半連續(xù)工藝系統(tǒng)在國內(nèi)不僅無具體應用，也沒有相關(guān)的設(shè)計經(jīng)驗可以借鑒[5-6]。本文針對河曲舊縣露天煤礦三采區(qū)開采程度及范圍逐漸變大的具體條件，細致剖析了所采13號煤層的賦存情況，對開采工藝展開比選。

1 開采條件

河曲舊縣露天礦區(qū)位于山西黃土高原西北部，黃河東岸，屬典型的黃土高原地貌，黃土厚度大，植被稀少，水土流失嚴重，地形切割劇烈，沖溝發(fā)育，多呈“V”字形，基巖僅在溝谷中有零星出露。地形總的趨勢是東高西低，給礦山工程帶來許多困難，使開采工藝選擇受到一定限制。

該露天礦地形較為復雜，煤層傾角為2～3°，局部為8°，煤層呈近水平賦存，剝離物基本上是軟巖，該礦冬季寒冷，持續(xù)時間較長。所開采的13號煤層平均厚度為11.18m。三采區(qū)坑底為13號煤底板，條區(qū)長約3050m，東西方向?qū)捈s1050m。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示表土量占剝離總量的48.34%左右。所需剝離的煤層上覆巖土層厚度范圍為45～180m。

2 擬比選開采工藝

露天礦生產(chǎn)目標從上至下依次是：表土層均厚105.32m，13號煤上覆巖層均厚64m。能夠符合該礦的生產(chǎn)工藝有：

（1）單斗鐵道開采工藝

在技術(shù)層面上符合該礦條件，但此工藝的建設(shè)期較長，且同時所需技術(shù)工人較多，工作效率值低等也約束其使用推廣。

（2）輪斗—膠帶工藝

就開采工藝角度來分析，13號煤覆巖當中所需剝離的黃土厚度大，能夠通過輪斗挖掘機進行作業(yè)。但是這一礦區(qū)是較典型的黃土高原地理環(huán)境，冬季漫長，冬天作業(yè)臺階易出現(xiàn)冰面，表土硬度較高，輪斗挖掘機無法最大程度地施展其效率。而且該工藝初期投入大，要求進行細致的作業(yè)規(guī)劃，并配以較高技能的技術(shù)工人。另外，現(xiàn)階段選擇該工藝的露天煤礦的地理環(huán)境、煤巖覆存條件均和該礦有著相當大的差異。因此該工藝不列入比選范圍。

（3）單斗—汽車開采工藝

單斗—汽車開采工藝是國內(nèi)最開始引進的露天煤礦開采方式，目前已經(jīng)具備整套合理的管理以及使用經(jīng)驗。該露天礦內(nèi)煤巖土體實際覆存條件較好，同時煤層屬于近水平煤層，適宜選擇單斗—汽車開采方式。而且汽車具備較好的爬坡能力和效率，運輸方便，所需工人少，更加有利于生產(chǎn)管理，能夠保證前期經(jīng)濟效益較好，同時有利于向其他開采工藝進行過渡，可以確?？焖俚膬?nèi)排，進而改善露天煤礦的實際生產(chǎn)條件，為以后復墾奠定一定基礎(chǔ)。不過，此工藝實際所需的生產(chǎn)成本比較高?？紤]到該工藝是露天煤礦現(xiàn)階段使用較廣泛的一種生產(chǎn)方式，因此把該工藝列為參選范圍進行比較。

（4）半連續(xù)開采工藝

該生產(chǎn)方式的最大好處是通過膠帶輸送機來運送剝離物，縮少或避免了卡車運輸作業(yè)，能夠減少成本投入。不過這一工藝初始生產(chǎn)時投入的成本較高，生產(chǎn)作業(yè)較冗雜，管理起來會有困難，特別是破碎站以及膠帶輸送機不斷運輸和重新的安設(shè)作業(yè)，增加了生產(chǎn)復雜性。不過該工藝達不用卡車運輸，極大地縮減了運輸費用，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)作業(yè)。而且，單斗鏟與輪斗相比而言，冬季也能夠保證正常作業(yè)，能夠很好地提升礦井的生產(chǎn)效益。所以，也將此工藝列為參選對象。

（5）拉斗鏟倒堆工藝

該工藝因為投入成本較低而得到了大范圍的使用?？紤]到該礦煤巖賦存條件較好，適合采用該工藝。但是我國受機械制造和設(shè)備引進的限制，相關(guān)設(shè)備不易取得，所以本文不將此工藝列為比選目標。

3 開采工藝比選

3.1 表土開采工藝

方案一：單斗—汽車間斷工藝；

方案二：單斗汽車—自移式破碎機—轉(zhuǎn)載機—膠帶輸送機—排土機半連續(xù)工藝。

考慮到舊縣露天煤礦地理位置影響，其冬季溫度較低，冬天上部表土層會發(fā)生粘膠帶現(xiàn)象進而降低工作效率，因此為了使比選更具可信度，考慮到半連續(xù)工藝冬天設(shè)備作業(yè)存在困難，因此按照半連續(xù)整年只作業(yè)8個月與單斗汽車整年作業(yè)12個月展開技術(shù)經(jīng)濟比較工作。

經(jīng)過對該礦分別采用單斗汽車工藝與半連續(xù)生產(chǎn)工藝展開研究，一是半連續(xù)工藝比單斗汽車工藝投入成本要多14900萬元左右，本礦三采區(qū)年均剝離量約1725萬m3；二是單斗汽車工藝比半連續(xù)生產(chǎn)方式的運營費多3550萬元，選擇半連續(xù)生產(chǎn)方式5年之后就能夠收回初始時期多投入的資金。因此在對表土層剝離作業(yè)時，選擇利用半連續(xù)生產(chǎn)工藝。

3.2 煤層以上巖石開采工藝

方案一：單斗—自移式破碎機—轉(zhuǎn)載機—膠帶輸送機—排土機半連續(xù)工藝；

方案二：單斗—自移式破碎機—轉(zhuǎn)載機—膠帶輸送機—排土機半連續(xù)工藝與懸臂排土機系統(tǒng)相結(jié)合。

懸臂式排土機的作業(yè)方式為單斗挖掘機挖掘裝車—移動破碎機破碎—排土機排棄。懸臂式排土機與半連續(xù)生產(chǎn)方式二者相比較，它能夠達到橫向排土的目的，膠帶運輸距離得以縮減，而且該工藝所需設(shè)備少，技術(shù)人員少；由于有履帶，能夠自由行走比較方便靈活。但是懸臂式排土機對下面的巖性要求較高，要求基地穩(wěn)定，同時要求與下面采煤生產(chǎn)要相互協(xié)調(diào)，使得整個生產(chǎn)體系相對復雜。

將半連續(xù)工藝與懸臂式排土機工藝進行經(jīng)濟對比分析。三采區(qū)年均巖石剝離量約為1530萬m3，懸臂式排土機工藝與半連續(xù)工藝二者相比，投資成本約差4050萬，運營費相差約380萬，最終的經(jīng)濟效益大體一致，二者不存在很大差別。但是國外使用懸臂式排土工藝的國家非常少，設(shè)備生產(chǎn)廠家較少，所以損壞的零配件較難匹配更換，一旦設(shè)備需要檢修，會使得生產(chǎn)停滯；同時因為懸臂式排土機對覆巖環(huán)境有著較高的要求標準，當煤層厚度出現(xiàn)起伏時且遭遇施工地面不夠平整的情況，排棄困難就會顯著增加。因此對于13號煤層以上巖石的開采選擇半連續(xù)工藝，在提升經(jīng)濟效益的同時也能提升系統(tǒng)的可靠程度。

3.3 煤層開采工藝

該礦的13號煤層為穩(wěn)定全區(qū)可采煤層，其煤層均厚11.18m，建議選擇使用半連續(xù)工藝進行生產(chǎn)作業(yè)。依據(jù)煤層實際生產(chǎn)環(huán)境將13號煤層進行分層回采，按照臺階開展生產(chǎn)作業(yè)。選擇使用21m3液壓鏟進行裝煤作業(yè)，使用91t自卸汽車運輸，后由3500t/h半固定式破碎機破碎后，最終利用皮帶（帶寬1.5m，帶速4.5m/s）運至儲煤場。

4 結(jié)論

通過系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟剖析研究，最終確定了以單斗挖掘機—自移式破碎機—轉(zhuǎn)載機—膠帶輸送機—排土機為主的生產(chǎn)工藝系統(tǒng)。在實際生產(chǎn)中，采用上述生產(chǎn)工藝系統(tǒng)，能夠有效保障礦井的正常生產(chǎn)，大幅降低了生產(chǎn)成本，提高礦井經(jīng)濟效益，也為相似條件下礦井開采工藝的選擇提供參考。