我國(guó)露天煤礦拉斗鏟倒堆工藝應(yīng)用綜述

孫健東，張瑞新，程 鵬，唐曉騫，王 韜，徐鐘馗，郭 培

(1.華北科技學(xué)院，河北 三河 065201；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；3.神華準(zhǔn)能科學(xué)技術(shù)研究院，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010399；4.神華準(zhǔn)能黑岱溝露天礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010399)

拉斗鏟倒堆工藝在國(guó)外露天煤礦中占有極其重要的地位，目前世界上采用拉斗鏟倒堆工藝的露天煤礦產(chǎn)量約占世界煤炭總產(chǎn)量的30%～60%[1，2]。受國(guó)民經(jīng)濟(jì)、裝備制造能力、采礦理念、管理水平等各方面因素的制約，我國(guó)拉斗鏟倒堆工藝應(yīng)用較晚，2007年神華集團(tuán)準(zhǔn)格爾能源公司黑岱溝露天煤礦首次應(yīng)用了拋擲“爆破—拉斗鏟倒堆”工藝，取得了一定的經(jīng)濟(jì)效益。

盡管相關(guān)高校及設(shè)計(jì)院針對(duì)國(guó)內(nèi)主要大型露天礦山優(yōu)化設(shè)計(jì)中都推薦使用拉斗鏟倒堆工藝，但由于拉斗鏟倒堆工藝設(shè)備投資過(guò)高、部分學(xué)者及一線人員對(duì)其應(yīng)用的合理性仍存在一定爭(zhēng)議等諸多原因，神準(zhǔn)哈爾烏素露天礦、神延西灣露天礦、神華寶日希勒等諸多具備采用拉斗鏟倒堆工藝應(yīng)用條件的大型露天礦都未選擇該工藝方案。作為與神準(zhǔn)黑岱溝露天礦同一集團(tuán)下的特大型露天礦山，其工藝選用決策在一定程度上影響了國(guó)內(nèi)其他礦山引入拉斗鏟倒堆工藝的信心，進(jìn)而造成目前拉斗鏟倒堆工藝在國(guó)內(nèi)難以推廣的境遇。

考慮到拉斗鏟倒堆工藝作為世界露天開(kāi)采主流工藝、在國(guó)外普遍成功應(yīng)用的事實(shí)情況，必須探討國(guó)內(nèi)拉斗鏟倒堆工藝在優(yōu)化設(shè)計(jì)方法、生產(chǎn)組織管理、維護(hù)檢修水平等方面與國(guó)外存在的差距，作者通過(guò)整理近五年的研究工作及現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員十余年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)黑岱溝露天礦拉斗鏟倒堆工藝應(yīng)用時(shí)遇到的問(wèn)題，探討可行的解決方法，明確未來(lái)重點(diǎn)研究方向，在確保礦山原煤產(chǎn)量的前提下提高拉斗鏟倒堆工藝系統(tǒng)效率，進(jìn)而為拉斗鏟倒堆工藝的研究、應(yīng)用及推廣提供參考。

1 國(guó)內(nèi)拉斗鏟倒堆工藝應(yīng)用情況概述

拉斗鏟倒堆工藝要求煤層近水平或緩傾斜賦存，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、數(shù)量不宜過(guò)多，煤田儲(chǔ)量豐富，有足夠面積安排工作線以發(fā)揮設(shè)備能力[3]，從工藝應(yīng)用的要求來(lái)看，我國(guó)相當(dāng)多的大型煤田具備采用拉斗鏟倒堆工藝的基本條件，諸多礦區(qū)開(kāi)展過(guò)拉斗鏟倒堆開(kāi)采工藝應(yīng)用的可行性研究，例如中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)設(shè)計(jì)研究院針對(duì)勝利一號(hào)露天煤礦、魯能寶清朝陽(yáng)露天煤礦、黑岱溝露天煤礦、哈爾烏素露天煤礦的設(shè)計(jì)研究，內(nèi)蒙古煤炭設(shè)計(jì)院針對(duì)寶日希勒露天礦改擴(kuò)建設(shè)計(jì)研究[4]，另外，國(guó)內(nèi)學(xué)者還針對(duì)白音華二號(hào)露天礦[5，6]、安太堡露天礦[7]、武家塔露天煤礦[8]等礦山應(yīng)用拉斗鏟倒堆工藝的可行性進(jìn)行了分析，上述研究成果均認(rèn)為：相同開(kāi)采規(guī)模條件下，拉斗鏟倒堆工藝的經(jīng)濟(jì)效益遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于其他開(kāi)采工藝，我國(guó)神府東勝煤田、準(zhǔn)格爾煤田、勝利煤田、寶日希勒煤田、伊敏煤田等，都有適用該工藝的可能性[9]。

2007年神華準(zhǔn)能黑岱溝礦首次應(yīng)用了拉斗鏟倒堆工藝，該礦6號(hào)煤層頂板以上約35～55m厚的巖石經(jīng)拋擲爆破后，由BE 8750-65型拉斗鏟進(jìn)行倒堆。黑岱溝露天礦應(yīng)用了以拋擲爆破、拉斗鏟倒堆為主的聯(lián)合開(kāi)采工藝以后，成為目前我國(guó)已經(jīng)建成的規(guī)模最大、效率最高的現(xiàn)代化露天煤礦[10]。

黑岱溝露天礦采場(chǎng)劃分為倒堆作業(yè)區(qū)與采煤作業(yè)區(qū)兩個(gè)采區(qū)，拉斗鏟與原煤開(kāi)采設(shè)備分別從中部向兩端推進(jìn)，運(yùn)煤通道設(shè)置于采場(chǎng)中部。當(dāng)采煤作業(yè)區(qū)進(jìn)行原煤開(kāi)采時(shí)，其上部高臺(tái)階提前進(jìn)行穿孔作業(yè)，原煤開(kāi)采完畢后即可進(jìn)行拋擲爆破，工作線每推進(jìn)一幅需要進(jìn)行4次拋擲爆破，每區(qū)2次。當(dāng)兩個(gè)采區(qū)分別完成倒堆作業(yè)與原煤回采作業(yè)后，倒堆與采煤設(shè)備互換采區(qū)，拉斗鏟繞排土場(chǎng)及中部入溝通道進(jìn)入另一采區(qū)。

黑岱溝露天礦于2017年上半年轉(zhuǎn)入二采區(qū)作業(yè)，原煤回采工作線長(zhǎng)度增加至2300m，由于采場(chǎng)南端幫為哈爾烏素露臺(tái)礦排土場(chǎng)、哈爾烏素設(shè)備調(diào)入黑岱溝作業(yè)、拉斗鏟能力不足等諸多原因，南部500m左右長(zhǎng)度的工作線采用“單斗—卡車”工藝作業(yè)；同時(shí)，為保證南北倒堆區(qū)開(kāi)拓運(yùn)輸系統(tǒng)接續(xù)的穩(wěn)定性，正對(duì)中間溝垂直段約150～200m的工作面區(qū)域由“單斗—卡車”替代拉斗鏟剝離作業(yè)，如圖1所示。

2 當(dāng)前主要存在的問(wèn)題分析

拉斗鏟倒堆工藝在我國(guó)投入應(yīng)用的時(shí)間僅10余年，應(yīng)用案例也局限于黑岱溝露天礦一家，引進(jìn)數(shù)量也僅一臺(tái)，因此在生產(chǎn)組織管理、設(shè)備維護(hù)檢修、工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面尚有較大的提升空間。根據(jù)黑岱溝露天煤礦的近10年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)顯示，當(dāng)前存在的問(wèn)題具體如下：

2.1 倒堆系統(tǒng)作業(yè)效率低下、成本偏高

2003年我國(guó)黑岱溝露天礦設(shè)計(jì)規(guī)模為20Mt/a，受市場(chǎng)環(huán)境變化影響，實(shí)際原煤產(chǎn)量逐年增加，2007年改擴(kuò)建后設(shè)計(jì)規(guī)模達(dá)到25Mt/a，2010年擴(kuò)能至29Mt/a，2012年達(dá)到31Mt/a，2016年則達(dá)到了34Mt/a。根據(jù)澳大利亞實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，拉斗鏟的型號(hào)及數(shù)量應(yīng)與原煤產(chǎn)量、賦存條件、工作線長(zhǎng)度等參數(shù)相匹配[11]，然而黑岱溝露天礦在提高原煤生產(chǎn)目標(biāo)時(shí)并未考慮到上述因素，導(dǎo)致拉斗鏟倒堆工藝的優(yōu)勢(shì)在剝離強(qiáng)度不斷增大的情況下逐漸降低，目前已經(jīng)成為黑岱溝露天礦綜合開(kāi)采工藝的瓶頸環(huán)節(jié)[12]。根據(jù)2016—2017年生產(chǎn)成本統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)估算，當(dāng)前倒堆系統(tǒng)作業(yè)單位直接成本(涵蓋材料費(fèi)、水電費(fèi)、維修、工資勞務(wù)及相關(guān)生產(chǎn)車輛費(fèi)等，不考慮折舊)約為9.7 元/m3，如利用單斗-卡車完全替代拉斗鏟作業(yè)，單位成本約為12 元/m3，即同等條件下，黑岱溝露天礦倒堆系統(tǒng)作業(yè)成本約為單斗-卡車的80%左右，遠(yuǎn)高于國(guó)外水平(美國(guó)、澳大利亞實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)為50%～60%，俄羅斯近年來(lái)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)約為28%～40%[13-15])。

圖1 黑岱溝當(dāng)前采場(chǎng)示意圖

造成這一情況的主要原因?yàn)椋汉卺窚下短斓V所采用的綜合開(kāi)采系統(tǒng)整體上呈串聯(lián)結(jié)構(gòu)，所有工藝環(huán)節(jié)都應(yīng)至少達(dá)到原煤開(kāi)采的平均推進(jìn)速度，否則將無(wú)法完成預(yù)定原煤產(chǎn)量。而單臺(tái)拉斗鏟作業(yè)能力有限，為了保證拉斗鏟的推進(jìn)速度，不得不降低其站立水平以減少爆堆下分層的截面積，進(jìn)而導(dǎo)致倒堆系統(tǒng)作業(yè)效率的不斷降低、成本不斷增加，具體體現(xiàn)在：

1)為彌補(bǔ)拉斗鏟生產(chǎn)能力的不足，爆堆上分層由1臺(tái)WK-55、3臺(tái)930E卡車輔助剝離，物料主要用于拓展拉斗鏟站立臺(tái)階寬度，年作業(yè)量高達(dá)1300 萬(wàn)m3左右，作業(yè)成本高達(dá)1.5 億元/a(作業(yè)成本超過(guò)12 元/m3)，而有效作業(yè)量?jī)H為500～700 萬(wàn)m3左右，剩余物料需要重新倒堆，見(jiàn)表1。

表1 近4年倒堆系統(tǒng)作業(yè)量分析

2)待挖掘物料的形態(tài)發(fā)生變化，拉斗鏟裝載效率降低；拉斗鏟推進(jìn)速度加快，走鏟變得極為頻繁，以拉斗鏟周期推進(jìn)50m計(jì)算，每周期設(shè)立挖掘機(jī)位5個(gè)，則一周期需要輔助設(shè)備配合5次[16]，根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)總走鏟時(shí)間(司機(jī)指引時(shí)間+推土機(jī)平整工作面時(shí)間+前裝機(jī)移設(shè)電纜時(shí)間+拉斗鏟走行時(shí)間)至少需要2h以上。則工作線每推進(jìn)一幅需要花費(fèi)80h、全年至少花費(fèi)360h用于工作面走鏟。對(duì)輔助設(shè)備配合水平的要求較高，嚴(yán)重縮短了拉斗鏟實(shí)際倒堆作業(yè)時(shí)間(詳見(jiàn)2.2節(jié))。

3)為減少倒堆系統(tǒng)所承擔(dān)的總作業(yè)量，不得不降低拋擲爆破臺(tái)階高度，從而導(dǎo)致有效拋擲率的降低。根據(jù)爆堆曲線的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，在44～55m范圍內(nèi)，拋擲爆破臺(tái)階高度每降低1m，有效拋擲率降低0.2%；在36～44m范圍內(nèi)，有效拋擲率以0.4%/m遞減。當(dāng)前黑岱溝露天礦拋擲爆破臺(tái)階平均高度約為40m，與50m相比有效拋擲率約降低了3%，即增加倒堆系統(tǒng)近100萬(wàn)m3的作業(yè)量，額外付出剝離成本近1000 萬(wàn)元。

4)隨著站立臺(tái)階高度的降低，拉斗鏟在單位推進(jìn)距離內(nèi)作業(yè)量不斷減少，但為拉斗鏟在全工作線范圍內(nèi)構(gòu)筑平盤(pán)所需的輔助工程量卻不減反增，降低了倒堆系統(tǒng)整體的經(jīng)濟(jì)效益。例如2016—2017年拉斗鏟生產(chǎn)能力為1680 萬(wàn)m3，其中超過(guò)500 萬(wàn)m3作業(yè)量為二次倒堆量，僅此一項(xiàng)所花費(fèi)成本高達(dá)5000 萬(wàn)元。

綜上所述，當(dāng)前系統(tǒng)效率低下與成本偏高的根本原因在于：?jiǎn)闻_(tái)拉斗鏟的生產(chǎn)能力無(wú)法滿足當(dāng)前全工作線倒堆作業(yè)的需求，整個(gè)倒堆系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)都在很大程度上犧牲了成本與效率以保證拉斗鏟推進(jìn)速度。

2.2 拉斗鏟生產(chǎn)能力嚴(yán)重偏低

根據(jù)Mining Intelligence & Benchmarking(以下簡(jiǎn)稱MIB)針世界范圍內(nèi)大型拉斗鏟應(yīng)用情況的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示[17]，拉斗鏟單位額定載荷的生產(chǎn)能力的高級(jí)實(shí)踐水平約達(dá)10.6 萬(wàn)m3/t(實(shí)方)，低級(jí)實(shí)踐水平約達(dá)6.6 萬(wàn)m3/t(實(shí)方)。例如澳大利亞Goonyella露天煤礦應(yīng)用的Marion 8050型拉斗鏟(額定載荷150t)平均年能力約為1600 萬(wàn)m3，BE 1370型拉斗鏟(額定載荷140t)平均年能力約為1500 萬(wàn)m3 [18]，均達(dá)到了較高實(shí)踐水平。

因此理論上黑岱溝應(yīng)用的BE 8750-65型拉斗鏟(額定載荷267t)生產(chǎn)能力至少應(yīng)達(dá)到1760～2830 萬(wàn)m3/a，然而根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，近年來(lái)拉斗鏟年生產(chǎn)能力不斷下降(如圖2所示)，根據(jù)推算，其單位額定載荷也從2008年的8.1萬(wàn)m3/t已經(jīng)下降至當(dāng)前的6.29萬(wàn)m3/t。2017拉斗鏟倒堆作業(yè)總量約為1680 萬(wàn)m3，僅達(dá)MIB數(shù)據(jù)庫(kù)高級(jí)實(shí)踐水平的59.34%，低級(jí)實(shí)踐水平的95%：拉斗鏟生產(chǎn)能力嚴(yán)重偏低的主要原因在于以下幾個(gè)方面：

圖2 拉斗鏟歷年剝離總量(含拓展臺(tái)階倒堆作業(yè)量)

2.2.1 拉斗鏟實(shí)動(dòng)率偏低

拉斗鏟計(jì)劃生產(chǎn)時(shí)間主要由倒堆作業(yè)時(shí)間、計(jì)劃內(nèi)檢修時(shí)間、計(jì)劃外檢修時(shí)間三部分組成。實(shí)動(dòng)率為倒堆作業(yè)時(shí)間占計(jì)劃生產(chǎn)時(shí)間的比重，反映了設(shè)備維護(hù)檢修水平及生產(chǎn)組織管理能力。國(guó)外應(yīng)用拉斗鏟水平較高的露天礦山中，拉斗鏟計(jì)劃生產(chǎn)時(shí)間一般超過(guò)8700h/a，倒堆作業(yè)時(shí)間普遍為7000～8000h，實(shí)動(dòng)率保持在0.83～0.93之間[19]，拉斗鏟檢修時(shí)間的高級(jí)實(shí)踐水平約為1.8h/d(650h/a)，平均實(shí)踐水平約為3.6h/d(1314h/a)，詳見(jiàn)表2。然而根據(jù)黑岱溝露天礦統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2014—2016年拉斗鏟年平均倒堆作業(yè)時(shí)間為5860h，約達(dá)MIB數(shù)據(jù)庫(kù)平均水平的75%，計(jì)劃內(nèi)檢修時(shí)間4h/d(1460h/a)，計(jì)劃外檢修時(shí)間2.7h/d(1004h/a)，拉斗鏟平均檢修時(shí)間達(dá)6.75h/d(2464h/a)，是MIB數(shù)據(jù)庫(kù)平均水平的1.7～3倍。

表2 各型號(hào)拉斗鏟作業(yè)時(shí)間組成統(tǒng)計(jì)

注：數(shù)據(jù)來(lái)源于MIB拉斗鏟運(yùn)行數(shù)據(jù)庫(kù)，倒堆作業(yè)時(shí)間根據(jù)實(shí)動(dòng)率及內(nèi)外障時(shí)間計(jì)算得出。

2.2.2 倒堆作業(yè)時(shí)間有效利用率及小時(shí)效率偏低

拉斗鏟倒堆作業(yè)時(shí)間主要由實(shí)際倒堆時(shí)間、程序延遲時(shí)間組成，其中程序延遲時(shí)間指等待推土機(jī)清理工作面、前裝機(jī)拖移電纜、工作面走鏟或跨區(qū)移設(shè)等工藝程序耗費(fèi)時(shí)間。倒堆作業(yè)時(shí)間有效利用率指實(shí)際倒堆作業(yè)時(shí)間占總倒堆作業(yè)時(shí)間的比重，反映了現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)組織管理能力，根據(jù)國(guó)外經(jīng)驗(yàn)取值一般為0.8～0.9。而根據(jù)黑岱溝2014—2016年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，拉斗鏟實(shí)際倒堆作業(yè)時(shí)間約為4600h，程序延遲時(shí)間約為1400h，倒堆作業(yè)時(shí)間有效利用率僅為0.76。

按照拉斗鏟倒堆作業(yè)時(shí)間7000～7500h、有效利用率為0.85，對(duì)國(guó)外拉斗鏟作業(yè)效率進(jìn)行估算，可得拉斗鏟單位額定載荷的小時(shí)效率應(yīng)在16m3/t附近，因此BE 8750-65型號(hào)拉斗鏟小時(shí)效率應(yīng)達(dá)到4300m3/h，而根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，黑岱溝拉斗鏟平均小時(shí)效率僅能達(dá)到3900m3/h(該數(shù)據(jù)未計(jì)入刷幫作業(yè))，約達(dá)MIB數(shù)據(jù)庫(kù)平均水平的90%。

綜上所述，黑岱溝應(yīng)用的拉斗鏟在倒堆作業(yè)時(shí)間、小時(shí)效率、倒堆作業(yè)時(shí)間有效利用率三個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)上均低于國(guó)外平均水平，最終導(dǎo)致其年生產(chǎn)能力嚴(yán)重偏低，主要原因一方面是設(shè)備維護(hù)檢修水平落后，另一方面是現(xiàn)行開(kāi)采設(shè)計(jì)方案中，拉斗鏟頻繁走行，需要輔助設(shè)備持續(xù)配合工作，增加了生產(chǎn)組織管理的難度。

3 工藝優(yōu)化方向及重點(diǎn)研究問(wèn)題分析

3.1 拉斗鏟倒堆綜合開(kāi)采工藝設(shè)計(jì)案優(yōu)化

3.1.1 國(guó)內(nèi)外應(yīng)用條件對(duì)比分析

對(duì)比國(guó)外拉斗鏟應(yīng)用情況，采用拉斗鏟倒堆工藝的千萬(wàn)噸級(jí)先進(jìn)露天礦山普遍具有“多臺(tái)拉斗鏟、長(zhǎng)工作線(單鏟工作線4km以上)、多個(gè)采區(qū)、多煤層回采面”等特點(diǎn)，例如澳大利亞古涅拉、美國(guó)北安特魯浦-羅切斯特、黑雷、羅喬露天礦等(詳見(jiàn)表3)。從大量國(guó)外實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)中可以總結(jié)得到：拉斗鏟作為移動(dòng)緩慢、對(duì)作業(yè)條件苛刻的超大型機(jī)械設(shè)備，更適宜在固定位置長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)作業(yè)，因此應(yīng)盡可能為其創(chuàng)造合理的作業(yè)條件和運(yùn)行狀態(tài)，確保設(shè)備始終處于“挖—轉(zhuǎn)—排—返”狀態(tài)中，從而最大程度上發(fā)揮拉斗鏟能力大、成本低的優(yōu)勢(shì)。國(guó)外的生產(chǎn)條件可充分保證礦山工程接續(xù)的穩(wěn)定性，拉斗鏟推進(jìn)速度低，單位區(qū)域范圍內(nèi)作業(yè)量大，極其有利于拉斗鏟生產(chǎn)能力的發(fā)揮

表3 世界大型露天煤礦山應(yīng)用拉斗鏟情況[20]

注：總倒堆工作線長(zhǎng)度、拉斗鏟數(shù)量等數(shù)據(jù)部分來(lái)源于google earth衛(wèi)星影像。

然而我國(guó)黑岱溝露天礦的特點(diǎn)是“高推進(jìn)強(qiáng)度(約350～400m/a)、單臺(tái)拉斗鏟、單個(gè)采區(qū)、窄工作線(約2km)”，這種條件下實(shí)現(xiàn)30Mt以上年產(chǎn)量的案例在世界露天開(kāi)采領(lǐng)域內(nèi)也是從未有過(guò)的。拉斗鏟必須保證極高的推進(jìn)速度，無(wú)法在固定位置長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)作業(yè)，極其不利于拉斗鏟效率的發(fā)揮，甚至?xí)档偷V山整各綜合開(kāi)采工藝系統(tǒng)的效率與穩(wěn)定性，因此不能照搬歐美常規(guī)設(shè)計(jì)思想對(duì)黑岱溝露天礦山進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.1.2 拉斗鏟短工作線作業(yè)方式研究

當(dāng)前國(guó)內(nèi)針對(duì)黑岱溝露天礦拉斗鏟倒堆工藝的優(yōu)化研究工作中，基本全部是在默認(rèn)維持當(dāng)前拉斗鏟全工作線開(kāi)采方案前提下，以工作面參數(shù)優(yōu)化為切入點(diǎn)提升拉斗鏟的效率[21，22]，未認(rèn)識(shí)到問(wèn)題的根源，因此優(yōu)化收益普遍不顯著。一般而言，從降低拉斗鏟端幫剝離作業(yè)量、拉斗鏟入溝開(kāi)切口工程量、運(yùn)煤通道工程量所占比例等因素考慮，倒堆工作線長(zhǎng)度越長(zhǎng)越好。但在黑岱溝當(dāng)前高推進(jìn)強(qiáng)度條件下，單臺(tái)拉斗鏟生產(chǎn)能力已經(jīng)嚴(yán)重不足，為維持全工作線倒堆設(shè)計(jì)方案，倒堆系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)的效率低下、成本偏高，拉斗鏟頻繁走行，效率偏低，最終導(dǎo)致拉斗鏟倒堆工藝在生產(chǎn)能力與作業(yè)成本上的優(yōu)勢(shì)大幅度降低。因此，必須對(duì)拉斗鏟短工作線分區(qū)倒堆作業(yè)方案的可行性進(jìn)行探討，如圖3所示。

圖3 倒堆綜合開(kāi)采工藝采場(chǎng)分區(qū)方案

3.1.3 拉斗鏟倒堆作業(yè)方式及倒堆程序優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)拉斗鏟的站立位置及工作面形態(tài)，可將拉斗鏟倒堆作業(yè)方式劃分為“站立于工作面、站立于連通排土場(chǎng)的工作面”兩大類，如圖4所示。當(dāng)前黑岱溝露天礦應(yīng)用的作業(yè)方式為拉斗鏟站立于工作面作業(yè)(圖4b)，該種作業(yè)方式的缺陷是受限于拉斗鏟站立位置，排土空間不足，當(dāng)拋爆曲線中段較低時(shí)，拓展平盤(pán)量及二次倒堆量較高。

拉斗鏟站立于連通排土場(chǎng)的工作面是北安特魯浦-羅切斯特、黑雷、羅喬等大型露天礦山的主要倒堆作業(yè)方式，該種作業(yè)方式排土空間充足，為提高拋擲臺(tái)階高度、提高有效拋擲率創(chuàng)造了必要的條件。根據(jù)澳大利亞實(shí)踐案例顯示，較好的拋擲爆破效果條件下幾乎不需要拓展拉斗鏟站立臺(tái)階[23]。同時(shí)，該種作業(yè)方式在排土場(chǎng)一側(cè)留下拉斗鏟走行通道(圖4c)，拉斗鏟不需要出溝通道即可實(shí)現(xiàn)采區(qū)調(diào)鏟，極大簡(jiǎn)化了采場(chǎng)的設(shè)計(jì)，因此設(shè)計(jì)中應(yīng)重點(diǎn)考慮該種作業(yè)方式，以倒堆系統(tǒng)總成本最小為優(yōu)化目標(biāo)，針對(duì)作業(yè)中心線及走行路線設(shè)計(jì)、挖掘-排棄位置、拋爆-倒堆工作面參數(shù)設(shè)計(jì)等問(wèn)題開(kāi)展研究。

圖4 拉斗鏟倒堆作業(yè)方式示意圖

拉斗鏟短工作線單區(qū)倒堆作業(yè)時(shí)，還需要針對(duì)拉斗鏟倒堆作業(yè)程序、與拋擲爆破、原煤回采等前后環(huán)節(jié)的接續(xù)方式等問(wèn)題進(jìn)行研究，以成本及系統(tǒng)可靠性為優(yōu)化目標(biāo)，確定合理的拉斗鏟開(kāi)采程序。

3.2 設(shè)計(jì)、施工管理與設(shè)備維護(hù)檢修的信息化

3.2.1 設(shè)計(jì)與施工管理的信息化

當(dāng)前國(guó)內(nèi)在拉斗鏟施工設(shè)計(jì)時(shí)，科研機(jī)構(gòu)研究手段主要停留在平剖面設(shè)計(jì)層次，以相對(duì)理想化的工程條件對(duì)工藝進(jìn)行籠統(tǒng)設(shè)計(jì)；現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)部門(mén)參考科研機(jī)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果，以原煤產(chǎn)量為核心目標(biāo)、以采幅為單位對(duì)階段工程量、工程時(shí)間進(jìn)行估算；而實(shí)際施工過(guò)程中主要依靠工人結(jié)合具體工程條件，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)施工。設(shè)計(jì)、管理、施工三個(gè)層面并未實(shí)現(xiàn)緊密結(jié)合，尚未實(shí)現(xiàn)多環(huán)節(jié)協(xié)調(diào)配合任務(wù)的超前規(guī)劃，因此一線管理者的組織協(xié)調(diào)任務(wù)較為艱巨。

相比之下，近三十年來(lái)國(guó)外在露天開(kāi)采裝備智能化領(lǐng)域發(fā)展迅速，基于毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)的數(shù)字地形測(cè)繪與建模[24，25]等先進(jìn)的信息化手段已經(jīng)應(yīng)用到拉斗鏟倒堆作業(yè)中，輔以成熟的工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件[26]，實(shí)現(xiàn)了拉斗鏟倒堆工藝設(shè)計(jì)與施工全過(guò)程的的精細(xì)化管控。以美國(guó)及澳大利亞露天礦山廣泛應(yīng)用的MineWare拉斗鏟輔助作業(yè)軟硬件系統(tǒng)為例[27]，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)以下功能：作業(yè)環(huán)境全天候?qū)崟r(shí)建模、基于實(shí)景的開(kāi)采方案設(shè)計(jì)、作業(yè)工況條件與設(shè)計(jì)方案比對(duì)、挖掘-排棄位置自動(dòng)優(yōu)化、三維可視化交互、歷史作業(yè)數(shù)據(jù)分析等等。生產(chǎn)過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員首先根據(jù)采場(chǎng)實(shí)景開(kāi)展施工方案的半自動(dòng)化設(shè)計(jì)，然后系統(tǒng)將精確到機(jī)位的施工計(jì)劃直接推送至拉斗鏟及輔助設(shè)備的顯示屏，為操作人員提供可視化的作業(yè)智能引導(dǎo)，同時(shí)系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集設(shè)備作業(yè)全過(guò)程參數(shù)并對(duì)設(shè)備操作情況給予評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)操作人員的績(jī)效考核。在設(shè)計(jì)與施工實(shí)現(xiàn)信息化的基礎(chǔ)上，基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、激光傳感器、陀螺儀以及PLC控制等技術(shù)的拉斗鏟自動(dòng)作業(yè)系統(tǒng)也在礦山投入了應(yīng)用[28-31]，使得拉斗鏟“挖—轉(zhuǎn)—排—返”每一個(gè)環(huán)節(jié)的機(jī)動(dòng)動(dòng)作的效率都得到了極大的提升，進(jìn)一步提高了拉斗鏟的單機(jī)效率。

3.2.2 設(shè)備維護(hù)檢修的信息化

大型的設(shè)備維護(hù)檢修工作是現(xiàn)代化露天礦山生產(chǎn)中的關(guān)注的重要問(wèn)題之一，當(dāng)前國(guó)內(nèi)露天礦山仍主要延續(xù)前蘇聯(lián)“計(jì)劃預(yù)修”的設(shè)備管理體制，即按預(yù)定的計(jì)劃周期而進(jìn)行的一系列預(yù)防性修理，其最大的缺點(diǎn)是由于注重預(yù)防維修，往往出現(xiàn)設(shè)備劣化程度尚未達(dá)到該修理的程度，出現(xiàn)過(guò)剩維修現(xiàn)象[32]，占用設(shè)備作業(yè)時(shí)間。例如黑岱溝露天礦拉斗鏟計(jì)劃內(nèi)檢修時(shí)間高達(dá)1460h/a，是國(guó)外平均水平的5倍多，然而計(jì)劃外檢修時(shí)間(主要為故障時(shí)間)卻仍超過(guò)了1000h/a，是國(guó)外平均水平的1.5倍。該問(wèn)題一方面反映了當(dāng)前檢修技術(shù)及效率偏低，另一方面也反映了對(duì)設(shè)備狀態(tài)掌控、故障預(yù)測(cè)能力不足。

當(dāng)前國(guó)外先進(jìn)礦山已經(jīng)廣泛應(yīng)用以預(yù)知維修理論、決策理論以及可靠性理論為指導(dǎo)的現(xiàn)代化的設(shè)備維修方法，以拉斗鏟海量運(yùn)行參數(shù)為基礎(chǔ)，根據(jù)參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控及仿真預(yù)測(cè)，動(dòng)態(tài)合理安排維修計(jì)劃，強(qiáng)調(diào)維修的針對(duì)性、時(shí)效性與經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)，以信息采集技術(shù)、設(shè)備運(yùn)行及維修管理技術(shù)和智能化故障診斷技術(shù)為代表的設(shè)備綜合信息化維修技術(shù)已經(jīng)在國(guó)外拉斗鏟設(shè)備上實(shí)現(xiàn)了成熟的應(yīng)用。例如MineWare公司在澳大利亞布里斯班建立的綜合支持中心(Integrated Support Centre)，可全天候遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)全球運(yùn)行的60余臺(tái)拉斗鏟。當(dāng)前投入使用的第4代拉斗鏟監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)集成了結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測(cè)，所獲取的大量數(shù)據(jù)用于機(jī)械疲勞及可靠性分析，進(jìn)而作為設(shè)備維檢計(jì)劃的重要依據(jù)。實(shí)踐表明，該套系統(tǒng)可提高拉斗鏟挖掘效率17%、縮短周期及擺動(dòng)時(shí)間12%、縮短裝載時(shí)間5%，降低設(shè)備應(yīng)力9%，提高拉斗鏟生產(chǎn)能力12%以上。

綜上所述，國(guó)外拉斗鏟倒堆工藝所取得的顯著經(jīng)濟(jì)效益很大程度上得益于其先進(jìn)的信息化管理水平。當(dāng)前國(guó)內(nèi)在拉斗鏟倒堆工藝設(shè)計(jì)、施工管理與設(shè)備維護(hù)檢修的信息化水平上與國(guó)外尚有極大的差距，因此上述內(nèi)容也是國(guó)內(nèi)拉斗鏟倒堆工藝乃至整個(gè)露天開(kāi)采工藝的重點(diǎn)研究方向。

4 結(jié) 論

研究通過(guò)對(duì)比分析國(guó)內(nèi)外拉斗鏟倒堆工藝應(yīng)用情況，得到以下結(jié)論：

1)當(dāng)前國(guó)內(nèi)拉斗鏟倒堆工藝主要問(wèn)題為：倒堆系統(tǒng)作業(yè)效率低下、成本遠(yuǎn)高于國(guó)外水平；拉斗鏟生產(chǎn)能力嚴(yán)重偏低，僅達(dá)國(guó)外高級(jí)實(shí)踐水平的59.34%，低級(jí)實(shí)踐水平的95%。其主要原因在于：倒堆開(kāi)采工藝設(shè)計(jì)不合理、設(shè)備維護(hù)檢修及生產(chǎn)組織管理水平落后。

2)總結(jié)國(guó)外拉斗鏟應(yīng)用情況，采用拉斗鏟倒堆工藝的千萬(wàn)噸級(jí)先進(jìn)露天煤礦山普遍具有“多臺(tái)拉斗鏟、長(zhǎng)工作線、多采區(qū)、多煤層回采面”等特點(diǎn)，“高推進(jìn)強(qiáng)度、單臺(tái)拉斗鏟、單個(gè)采區(qū)、窄工作線”條件下實(shí)現(xiàn)30Mt以上的原煤年產(chǎn)量在世界露天開(kāi)采領(lǐng)域內(nèi)也是從未有過(guò)的，因此國(guó)內(nèi)在拉斗鏟倒堆工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)不能直接照搬國(guó)外應(yīng)用實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

3)當(dāng)前黑岱溝露天礦拉斗鏟生產(chǎn)能力無(wú)法滿足全工作線倒堆作業(yè)的需求，必須針對(duì)“拋擲爆破—拉斗鏟倒堆”工藝與“松動(dòng)爆破—單斗—卡車”工藝的分區(qū)開(kāi)采方案的可行性進(jìn)行研究，具體研究?jī)?nèi)容包括分區(qū)開(kāi)采方案設(shè)計(jì)、拉斗鏟倒堆作業(yè)方式及倒堆程序優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4)國(guó)內(nèi)在拉斗鏟倒堆工藝設(shè)計(jì)、施工管理與設(shè)備維護(hù)檢修的信息化水平上與國(guó)外有著極大的差距，提高設(shè)計(jì)、開(kāi)采過(guò)程的信息化程度將是未來(lái)拉斗鏟倒堆綜合開(kāi)采工藝的重點(diǎn)研究方向。