國(guó)內(nèi)某露天礦山排土工藝研究

張 偉，賀茂坤

(中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司，北京 100038)

1 前言

目前，我國(guó)很多大型露天礦山的開采方式由山坡開采轉(zhuǎn)入深凹開采，使得汽車運(yùn)輸?shù)木嚯x加長(zhǎng)，重載下坡運(yùn)行變成重載上坡運(yùn)行，運(yùn)輸效率降低，運(yùn)輸成本增加，導(dǎo)致生產(chǎn)成本急劇上升，經(jīng)濟(jì)效益迅速下滑[1]。國(guó)內(nèi)某露天礦山目前就面臨這樣的問題。

該礦露天坑內(nèi)的廢石目前采用汽車運(yùn)輸?shù)姆绞竭\(yùn)至露天坑?xùn)|北部的排土場(chǎng)內(nèi)。由于排土臺(tái)階高度不斷增加，露天坑內(nèi)開采水平逐漸降低，導(dǎo)致汽車重載上坡運(yùn)行，運(yùn)輸距離不斷延長(zhǎng)，從目前的開采水平到排土場(chǎng)的運(yùn)距已達(dá)約4km。與此同時(shí)，由于征地困難，礦山只能考慮將排土場(chǎng)繼續(xù)向高向上發(fā)展以滿足廢石排棄的需要。汽車運(yùn)輸成本的急劇上升，排土場(chǎng)征地困難等因素，要求礦山優(yōu)化排土工藝以達(dá)到降低廢石運(yùn)輸成本的目的。

本文以該露天礦山為背景，進(jìn)行排土工藝的研究。

在露天礦山開采初期，排土場(chǎng)一般采用礦用自卸式汽車運(yùn)輸、推土機(jī)推排的排土工藝，汽車排土場(chǎng)均為多階段覆蓋式平地排土場(chǎng)[2]。但是，隨著開采深度增加及排土場(chǎng)堆土標(biāo)高的升高，單一的汽車運(yùn)輸方式已經(jīng)不能適應(yīng)礦山日益變化的開采條件。采用高效的運(yùn)輸系統(tǒng)，控制生產(chǎn)成本的增加，有利于保證礦山的正常生產(chǎn)和可持續(xù)性發(fā)展。汽車—膠帶半連續(xù)運(yùn)輸?shù)穆?lián)合運(yùn)輸方式兼具汽車和膠帶輸送機(jī)的優(yōu)勢(shì)，對(duì)大中型深凹露天礦山具有普遍適用性[3]。

由于露天開采方式產(chǎn)生的廢石塊度較大，為滿足膠帶運(yùn)輸?shù)囊?，采?chǎng)的廢石需由汽車運(yùn)輸至破碎站破碎，

破碎后的廢石經(jīng)膠帶輸送系統(tǒng)運(yùn)至露天坑?xùn)|北部的排土場(chǎng)。研究方案擬采用汽車—破碎—膠帶運(yùn)輸?shù)男问綄U石破碎后運(yùn)至排土場(chǎng)，通過移動(dòng)式膠帶機(jī)—排土設(shè)備進(jìn)行堆排。對(duì)汽車—破碎—膠帶運(yùn)輸系統(tǒng)進(jìn)行合理的設(shè)備選型，對(duì)膠帶運(yùn)輸線路合理規(guī)劃，是保證該系統(tǒng)高效運(yùn)行，降低生產(chǎn)成本的關(guān)鍵因素，也是方案研究的重點(diǎn)內(nèi)容。

2 廢石破碎站

為滿足膠帶運(yùn)輸系統(tǒng)的要求，廢石塊度應(yīng)不大于350mm，需在露天采場(chǎng)新建廢石破碎站。通過分析廢石臺(tái)階分布狀態(tài)及運(yùn)輸距離，確定在-24m臺(tái)階東南側(cè)靠幫位置新建廢石固定式破碎站，可使采場(chǎng)內(nèi)廢石運(yùn)輸距離最近。

礦山目前常用的粗破碎機(jī)類型主要有顎式破碎機(jī)和旋回破碎機(jī)兩種，也有一些礦山采用對(duì)輥破碎機(jī)。對(duì)輥破碎機(jī)多用于破碎中等硬度以下的礦石和巖石，出料粒度小，主要應(yīng)用于煤礦等軟巖破碎，不適用于此礦山。與旋回破碎機(jī)相比，顎式破碎機(jī)構(gòu)造簡(jiǎn)單，工作可靠，便于維護(hù)，價(jià)格較低，配置需要的高差小；而旋回破碎機(jī)生產(chǎn)能力大，可直接受料，無需專設(shè)粗礦倉和給礦設(shè)備，破碎比大。

根據(jù)破碎任務(wù)要求，可選擇配置1臺(tái)處理能力不小于2 300t/h的旋回破碎機(jī)或3臺(tái)處理能力為1 000t/h的顎式破碎機(jī)?？紤]該礦為露天礦山，具有廢石塊度較大、汽車直接給料等特點(diǎn)，宜采用旋回破碎機(jī)。

3 固定膠帶輸送系統(tǒng)

破碎后的廢石由膠帶運(yùn)輸系統(tǒng)運(yùn)至露天坑?xùn)|北部的排土場(chǎng)進(jìn)行堆排。對(duì)膠帶運(yùn)輸線路進(jìn)行合理規(guī)劃，有利于避免膠帶輸送機(jī)與汽車運(yùn)輸?shù)缆返南嗷ジ缮?，減少對(duì)采場(chǎng)正常生產(chǎn)秩序的影響，優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少初期投資，降低運(yùn)營(yíng)成本。

廢石破碎站設(shè)置在采場(chǎng)東南側(cè)-24m臺(tái)階，初步確定膠帶輸送機(jī)尾部標(biāo)高為-57m。根據(jù)該礦山排土場(chǎng)現(xiàn)狀，初始排土臺(tái)階標(biāo)高定在+220m，移動(dòng)式膠帶機(jī)和排土設(shè)備的工作平臺(tái)設(shè)置在+200m標(biāo)高。膠帶輸送機(jī)自采場(chǎng)東南側(cè)出，至排土場(chǎng)東南側(cè)止。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，研究A、B、C 3個(gè)方案，以確定膠帶輸送機(jī)的合理運(yùn)輸線路。方案A中，膠帶輸送機(jī)長(zhǎng)度最短，采用一條膠帶輸送機(jī)即可將廢石由破碎站運(yùn)至排土場(chǎng)+200m標(biāo)高，上運(yùn)，傾角11.93°，中間不需要轉(zhuǎn)運(yùn)，但爬坡角度較大，且膠帶輸送機(jī)需要穿過老排土場(chǎng)；為避免膠帶輸送機(jī)穿越老排土場(chǎng)，方案B采用兩條膠帶輸送機(jī)接力運(yùn)輸?shù)牟贾梅绞剑环桨窩為盡量避免膠帶輸送機(jī)對(duì)采場(chǎng)內(nèi)運(yùn)巖道路的影響，縮短采場(chǎng)內(nèi)膠帶輸送機(jī)的長(zhǎng)度，采用垂直采場(chǎng)道路方向的膠帶輸送機(jī)FBC1接FBC2轉(zhuǎn)運(yùn)至排土場(chǎng)，但膠帶輸送機(jī)FBC2需穿過老排土場(chǎng)。

圖1為膠帶運(yùn)輸線路布置方案的剖面圖，由圖1中可以看出，方案A和方案C膠帶輸送機(jī)均需穿過老排土場(chǎng)，將給膠帶斜井的掘進(jìn)和支護(hù)帶來很大的困難，增加建設(shè)投資；方案A中膠帶輸送機(jī)FBC1離采場(chǎng)路面距離很近，與運(yùn)巖道路相互影響。方案B中膠帶輸送機(jī)FBC1、FBC2接力運(yùn)輸?shù)姆绞娇刹僮餍詮?qiáng)，安全保障性高，經(jīng)研究認(rèn)為宜選用方案B。

確定膠帶運(yùn)輸線路后，根據(jù)廢石產(chǎn)量、作業(yè)時(shí)間等參數(shù)，可確定廢石破碎及膠帶運(yùn)輸?shù)纳a(chǎn)能力，進(jìn)行膠帶輸送機(jī)的選型計(jì)算。

4 移動(dòng)式膠帶機(jī)和排土設(shè)備

4.1 排土設(shè)備的選擇

廢石經(jīng)膠帶運(yùn)輸系統(tǒng)運(yùn)至排土場(chǎng)后，需要移動(dòng)式膠帶機(jī)配合排土設(shè)備進(jìn)行廢石的堆排。排土設(shè)備處于汽車—膠帶半連續(xù)運(yùn)輸工藝的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，在整個(gè)系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。

排土機(jī)作為移動(dòng)式連續(xù)工作的排料設(shè)備，通過臂上的膠帶輸送機(jī)將來自移動(dòng)式膠帶輸送機(jī)的物料排至料堆，相對(duì)于其他排土方法，生產(chǎn)能力大，一次排棄寬度大，輔助作業(yè)時(shí)間少，自動(dòng)化程度高[4]，但其設(shè)備重量重，價(jià)格較貴，也會(huì)導(dǎo)致整套排土系統(tǒng)初期投資較高。而排料膠帶機(jī)則是一種簡(jiǎn)易的排料設(shè)備，價(jià)格便宜，但臂長(zhǎng)較短，運(yùn)量較小，設(shè)備本身自動(dòng)化程度不高，需增加人員和設(shè)備進(jìn)行輔助工作。

選用排土機(jī)作為汽車—膠帶半連續(xù)運(yùn)輸?shù)哪┒嗽O(shè)備更為合理。

4.2 排土參數(shù)的確定

排料能力和臂長(zhǎng)是排土機(jī)選型的兩個(gè)主要參數(shù)。排土機(jī)的排料能力應(yīng)根據(jù)運(yùn)輸任務(wù)要求和排土機(jī)的工作效率確定。

圖1 膠帶運(yùn)輸線路布置方案剖面圖

排土機(jī)排料臂長(zhǎng)和受料臂長(zhǎng)的選取，主要取決于排土工藝、排土方法，排土條帶寬度和排棄物料的物理性質(zhì)等[5]。排土機(jī)是否考慮上排、上排段高及上排的排土條帶寬度、下排的排土條帶寬度等與排料臂長(zhǎng)和受料臂長(zhǎng)關(guān)系如下。

(1)上排段高H上：

H上=H底+L排sinα

(1)

式中：H底——排土機(jī)底盤高度，m；

L排——排料臂長(zhǎng)度，m；

α——排料臂仰角，(°)。

(2)上排時(shí)排土條帶最大寬度W上排：

W上排=L受-2L排cosα+Dp

(2)

式中：L受——受料臂長(zhǎng)度，m；

Dp——排土機(jī)行走機(jī)構(gòu)到移動(dòng)式膠帶機(jī)中心線的最小距離，m；

其他符號(hào)同前所述。

(3)下排時(shí)排土條帶最大寬度W下排：

(3)

式中：γ——排料臂與移動(dòng)式膠帶機(jī)中心線的最小夾角，(°)；

v——排料臂臂上膠帶輸送機(jī)的運(yùn)行速度，m/s；

h——排料臂端部到地面的高度，h≈H底，m；

g——重力加速度，m/s2；

其他符號(hào)同前所述。

根據(jù)廢石運(yùn)輸任務(wù)要求和排土機(jī)的工作效率可以確定，排土機(jī)處理能力應(yīng)不小于1 200m3/h。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件和工藝要求，確定下排段高為60m，上排段高為20m，選用排土機(jī)排料臂長(zhǎng)和受料臂長(zhǎng)均為50m，臂上的膠帶輸送機(jī)帶寬為1 200mm、帶速為4m/s。根據(jù)上述參數(shù)計(jì)算，移動(dòng)式膠帶機(jī)每次移設(shè)形成的排土條帶寬度約為75m。

4.3 初始路堤的修筑

在移動(dòng)式膠帶機(jī)—排土機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)中，采用移動(dòng)式膠帶機(jī)給排土機(jī)喂料，由排土機(jī)進(jìn)行排土。在基建期，需提前修筑初始路堤，用于敷設(shè)移動(dòng)式膠帶機(jī)。路堤寬度與移動(dòng)式膠帶機(jī)寬度有關(guān)，膠帶機(jī)兩側(cè)應(yīng)能行駛輔助車輛，并保證兩側(cè)車輛到邊坡的安全距離。初始路堤可由汽車排土堆筑，也可以由汽車堆筑部分路堤后，排土機(jī)自筑形成，以提高排土機(jī)的利用率。需要注意的是排土機(jī)自筑路堤時(shí)應(yīng)考慮新排土區(qū)域的沉降速度，避免因推進(jìn)速度過快而產(chǎn)生明顯的沉降現(xiàn)象，影響膠帶機(jī)的延伸和敷設(shè)。

4.4 排土方法的選擇

根據(jù)排土工作線在排土場(chǎng)內(nèi)推進(jìn)的形式以及單次排土形成的幾何形狀，移動(dòng)式膠帶機(jī)—排土機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)可采用的工作方法分為矩形排土方法、扇形排土方法和混合排土方法(矩形排土+扇形排土)。

采用矩形排土方法時(shí)，廢石由露天采場(chǎng)運(yùn)輸至排土場(chǎng)后，經(jīng)兩條移動(dòng)式膠帶機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)，給排土機(jī)喂料，形成以一條膠帶機(jī)長(zhǎng)度為長(zhǎng)邊、以排土機(jī)一次排土寬度(75m)為短邊的矩形排土條帶。

扇形排土方法則是以移動(dòng)式膠帶機(jī)與上游膠帶機(jī)的轉(zhuǎn)載漏斗中心為圓心，以移動(dòng)式膠帶機(jī)長(zhǎng)度為半徑，進(jìn)行順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，排土機(jī)沿著移動(dòng)式膠帶機(jī)往復(fù)移動(dòng)進(jìn)行排土，所形成的排土帶近似扇形。

混合排土方法包含上述兩種排土方法。

與矩形排土方法比，扇形排土方法中，移動(dòng)式膠帶機(jī)和排土機(jī)移設(shè)次數(shù)較多，每次移動(dòng)的排土量是矩形排土方法的一半；但由于扇形排土方法不需要第二條延伸膠帶機(jī)，所以排土生產(chǎn)初期投資少[6]。無論采用何種排土方法，膠帶機(jī)兩次移設(shè)的間隔時(shí)間應(yīng)不小于新排土區(qū)域所需的沉降時(shí)間，以便達(dá)到敷設(shè)移動(dòng)式膠帶機(jī)的條件。若沉降時(shí)間不夠，還需采取措施，人工加速沉降。

因此，采用何種排土方法，除了與初始投資、排土場(chǎng)形狀有關(guān)外，與排土場(chǎng)大小也有很大關(guān)系。根據(jù)該礦山排土場(chǎng)情況，以扇形布置為宜。

4.5 擬選方案

根據(jù)上述研究，確定該露天礦山排土方案采用汽車—破碎—膠帶—排土機(jī)的半連續(xù)排土工藝。在露天采場(chǎng)東南側(cè)-24m臺(tái)階靠幫位置新建廢石固定式破碎站，選用1臺(tái)處理能力不小于2 300t/h的旋回破碎機(jī)。為了避免膠帶輸送機(jī)與汽車運(yùn)輸?shù)缆返母缮?，減少對(duì)采場(chǎng)正常生產(chǎn)秩序的影響，破碎后的廢石經(jīng)兩條固定膠帶機(jī)運(yùn)至排土場(chǎng)，膠帶運(yùn)輸能力與破碎機(jī)生產(chǎn)能力一致。排土場(chǎng)內(nèi)配置一條移動(dòng)式膠帶機(jī)和一臺(tái)排土機(jī)，排土機(jī)的排料臂長(zhǎng)和受料臂長(zhǎng)均為50m，處理能力不小于1 200m3/h，采用扇形排土的方式進(jìn)行堆排，上排段高20m，下排段高60m。

5 結(jié)語

汽車—膠帶半連續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng)是一種高效的運(yùn)輸方式，對(duì)大中型深凹露天礦山具有普遍適用性，是未來我國(guó)深凹露天礦山排土作業(yè)的重點(diǎn)發(fā)展方向，有利于降低排土成本，減少排土場(chǎng)占地，保護(hù)環(huán)境。本文以國(guó)內(nèi)某露天礦山排土工藝研究為契機(jī)，對(duì)汽車—破碎—膠帶運(yùn)輸系統(tǒng)中重要設(shè)備的選型、膠帶運(yùn)輸線路的規(guī)劃等進(jìn)行研究比選，為礦山排土方案的選擇提供依據(jù)，為后續(xù)排土工藝的改造提供技術(shù)支持。

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