露天礦山聯(lián)合排土應(yīng)用研究

賀茂坤, 張 偉, 徐利輝

(1.中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038； 2.江銅集團(tuán)銀山礦業(yè)有限責(zé)任公司， 江西 上饒 334200)

1 前言

露天礦山是一個(gè)以采掘?yàn)橹行模赃\(yùn)輸為紐帶的大型生產(chǎn)系統(tǒng)。根據(jù)我國(guó)冶金露天礦的調(diào)查，露天礦山排土運(yùn)輸成本約占礦山總成本的40%，且廢石排土場(chǎng)具有占用土地多，體積大，對(duì)地表破壞性大的特點(diǎn)[1]。

根據(jù)大量的露天礦開拓運(yùn)輸系統(tǒng)的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)，國(guó)外大多數(shù)金屬露天礦的汽車運(yùn)輸距離為1.0～5.5km，平均為2.5～3.0km，經(jīng)濟(jì)合理運(yùn)距一般為5～7km。超過(guò)經(jīng)濟(jì)合理運(yùn)距以后卡車的油耗、磨損、作業(yè)循環(huán)時(shí)間增加，當(dāng)汽車運(yùn)輸距離增加至到一定程度，采用單一汽車運(yùn)輸方案已不經(jīng)濟(jì)，需對(duì)運(yùn)輸工藝進(jìn)行改造，達(dá)到降低運(yùn)輸費(fèi)用的目的。發(fā)展膠帶—排土機(jī)排土工藝，不僅可提高露天礦山的排土效率，節(jié)省排土費(fèi)用，提高礦山的綜合經(jīng)濟(jì)效益，而且可使露天礦上排土向高空發(fā)展，節(jié)約礦山排土占地。

2 露天礦排土技術(shù)應(yīng)用及發(fā)展

2.1 排土工藝

隨著露天礦的不斷發(fā)展，為了解決不同規(guī)模、不同采掘條件下的露天礦山開采及廢石排棄問(wèn)題，礦山技術(shù)人員針對(duì)不同的排土工況條件、排土工藝將廢石運(yùn)輸、排棄方式以及使用設(shè)備的不同分為以下3類。

1)汽車運(yùn)輸—推土機(jī)排土

利用汽車將廢石直接運(yùn)輸?shù)脚磐翀?chǎng)進(jìn)行排棄，并由推土機(jī)推排殘留廢石及整理排卸平臺(tái)。具有工藝簡(jiǎn)單、靈活的優(yōu)點(diǎn)，一般適用于中小規(guī)模，運(yùn)距不大的露天礦。

2)機(jī)車運(yùn)輸—推土犁(挖掘機(jī))排土

利用機(jī)車將廢石運(yùn)輸?shù)脚磐翀?chǎng)，并利用排土設(shè)備進(jìn)行排棄，一般適用于山坡露天等特殊地形條件的露天礦山。

3)帶式輸送機(jī)運(yùn)輸—排土機(jī)排土

利用帶式輸送機(jī)將露天采場(chǎng)內(nèi)破碎后的廢石經(jīng)露天坑運(yùn)到排土場(chǎng)進(jìn)行排棄。帶式輸送機(jī)是一種連續(xù)運(yùn)輸物料的傳送機(jī)械，具有運(yùn)輸量大，運(yùn)輸成本低，自動(dòng)化程度高，安全條件好等一系列優(yōu)點(diǎn)。帶式輸送機(jī)屬于連續(xù)運(yùn)輸設(shè)備，通常與排土機(jī)配合使用，從而形成高效的帶式輸送機(jī)—排土機(jī)排土工藝。

2.2 聯(lián)合排土工藝應(yīng)用

汽車和帶式輸送機(jī)、排土機(jī)組合成的聯(lián)合排土工藝，具有運(yùn)輸量大、成本低的優(yōu)點(diǎn)，也兼具了汽車靈活運(yùn)輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)，因此，近年來(lái)聯(lián)合排土工藝得到了快速發(fā)展，特別是在大規(guī)模、深凹露天礦得到了廣泛應(yīng)用。

某露天礦山二期生產(chǎn)，年最大廢石運(yùn)輸量為1 035萬(wàn)t/a,運(yùn)距3.5～10km,為了研究現(xiàn)行全汽車的運(yùn)輸方式是否合理，將全汽車運(yùn)輸方式和聯(lián)合運(yùn)輸方式進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)比較，比較結(jié)果見表1。

表1 排土方案綜合經(jīng)濟(jì)比較表

根據(jù)經(jīng)濟(jì)比較結(jié)果，全汽車運(yùn)輸方案雖然初期投資較少，但后期汽車更新的費(fèi)用較高，隨著運(yùn)輸距離增加，年運(yùn)營(yíng)費(fèi)用逐年增加，導(dǎo)致單位廢石運(yùn)輸成本逐年增加，正常年份年均廢石運(yùn)輸成本較高，計(jì)算期內(nèi)費(fèi)用現(xiàn)值和較高。采用聯(lián)合運(yùn)輸方案雖然初期投資較高，但單位廢石運(yùn)輸成本較低，計(jì)算期內(nèi)費(fèi)用現(xiàn)值和明顯低于全汽車方案。綜合其技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，該礦的排土運(yùn)輸方式推薦采用汽車—帶式輸送機(jī)—排土機(jī)聯(lián)合排土工藝。

2.3 排土技術(shù)發(fā)展

隨著我國(guó)礦山事業(yè)的發(fā)展和采礦技術(shù)的進(jìn)步，露天礦排土技術(shù)與排土場(chǎng)的發(fā)展趨勢(shì)表現(xiàn)在以下3個(gè)方面。

(1)采用高效率的排土工藝，提高排土強(qiáng)度。

排土運(yùn)輸工藝與采礦場(chǎng)的運(yùn)輸系統(tǒng)密切聯(lián)系，大型露天礦大多采用大型高效率運(yùn)輸機(jī)械，實(shí)行科學(xué)化管理，排土運(yùn)輸系統(tǒng)向設(shè)備大型化和自動(dòng)化方向發(fā)展。這不僅有利于大型露天礦或深凹露天礦，而且有利于高階段排土場(chǎng)的堆置。

(2)提高排土場(chǎng)單位面積的排土容量，減少排土場(chǎng)占地面積。

根據(jù)我國(guó)露天礦排土場(chǎng)技術(shù)調(diào)查資料，一般汽車排土段高一般為40～60m，小的20m左右。較小的排棄段高不經(jīng)濟(jì)，也不利于高效利用排土場(chǎng)容量。通過(guò)排土場(chǎng)穩(wěn)定性分析和安全驗(yàn)算，在加強(qiáng)排土場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)管理的基礎(chǔ)上，可以適當(dāng)提高排土段高。

(3)推進(jìn)礦山排土場(chǎng)復(fù)墾，建設(shè)綠色礦山。

隨著綠色發(fā)展理念的深入，排土場(chǎng)的復(fù)墾是建設(shè)綠色礦山、生態(tài)化礦山的基礎(chǔ)。

3 聯(lián)合排土技術(shù)

3.1 聯(lián)合排土研究?jī)?nèi)容

為了研究排土方案的優(yōu)劣，對(duì)可能的聯(lián)合排土方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較研究，排土方案研究主要有以下內(nèi)容：

(1)根據(jù)各臺(tái)階廢石分布情況采用加權(quán)平均法統(tǒng)計(jì)各年廢石的運(yùn)輸距離、廢石直接排到排土場(chǎng)的距離，分析可能的排土方案。

(2)根據(jù)排土工作平臺(tái)研究配套排土方法。

(3)分析各年運(yùn)輸系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)費(fèi)用，包括設(shè)備更新、材料消耗、能源消耗等。

(4)確定聯(lián)合排土運(yùn)輸系統(tǒng)合理投入時(shí)間。

(5)各方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)，推薦最終排土方案。

3.2 排土工作平臺(tái)

合理的排土平臺(tái)規(guī)劃既要考慮礦山的生產(chǎn)現(xiàn)狀，也要滿足后續(xù)聯(lián)合排土工藝要求，同時(shí)要兼顧節(jié)省成本，最大化利用現(xiàn)有條件和后續(xù)的聯(lián)合排土設(shè)備。

圖1至圖3所示為某礦各標(biāo)高臺(tái)階平面圖，120m和160m臺(tái)階由于標(biāo)高低，平臺(tái)面積較小，且受地形影響，平臺(tái)形狀不規(guī)整，不利于排土機(jī)作業(yè)，而220m平臺(tái)已具備排土機(jī)作業(yè)的條件。因此，建議120m和160m低標(biāo)高平臺(tái)采用汽車運(yùn)輸排土，發(fā)揮汽車排土的靈活性，從220m臺(tái)階開始采用排土機(jī)排土。為了最大化節(jié)省運(yùn)輸成本，考慮聯(lián)合排土項(xiàng)目決策、設(shè)計(jì)、建設(shè)等周期因素，要合理利用銜接時(shí)間的汽車排土量，為后期排土機(jī)作業(yè)創(chuàng)造有利條件，同時(shí)盡量減少這段時(shí)間的汽車排土成本。從標(biāo)高來(lái)看，在120m和160m標(biāo)高排土是可以有效減少汽車運(yùn)輸能耗的。

圖1 120m標(biāo)高排土臺(tái)階平面圖

圖2 160m標(biāo)高排土臺(tái)階平面圖

圖3 220m標(biāo)高排土臺(tái)階平面圖

3.3 排土方法

帶式輸送機(jī)—排土機(jī)排土作業(yè)方式是聯(lián)合排土工藝研究的重點(diǎn)，工藝方案和設(shè)備的選擇是否合理，不但決定了排土費(fèi)用的高低，而且也影響排土效率及生產(chǎn)安全。

根據(jù)排土移動(dòng)帶式輸送機(jī)、排土機(jī)在排土場(chǎng)內(nèi)推進(jìn)的形式，和最后排土場(chǎng)形成的幾何形狀，帶式輸送機(jī)—排土機(jī)聯(lián)合排土方法可分為矩形排土方法、扇形排土方法、混合形排土方法(即矩形+扇形、扇形+矩形排土方法)[2]。不同的排土場(chǎng)的地形、地質(zhì)、排土場(chǎng)結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)排土工藝方案都會(huì)影響最后的排法方法選擇。

3.4 排土機(jī)的布置原則

排土機(jī)在預(yù)定的場(chǎng)所將剝離物排放到最終位置，在寬度和高度方面要服從于排土機(jī)的幾何尺寸，特別是要服從于它的卸料臂長(zhǎng)度和排土場(chǎng)的力學(xué)條件。沿著排土工作面的運(yùn)輸機(jī)縱向排棄長(zhǎng)度受到排土場(chǎng)總長(zhǎng)度的控制[3]，排土機(jī)主要布置原則：

(1)合理選擇排土機(jī)投入使用的時(shí)間，前期汽車排土盡量為排土機(jī)創(chuàng)造有利條件，盡量增加排土機(jī)排土量，發(fā)揮排土機(jī)的優(yōu)勢(shì)，使效益最大化。

(2)排土機(jī)投入使用時(shí)間需要考慮項(xiàng)目研究、設(shè)計(jì)、建設(shè)及試運(yùn)行等時(shí)間。

(3)排土機(jī)初始平臺(tái)利用現(xiàn)狀排土場(chǎng)已形成的平臺(tái)，便于排土機(jī)布設(shè)，減少前期成本，節(jié)省工期。

(4)結(jié)合排土場(chǎng)整體堆置標(biāo)高范圍，合理規(guī)劃各階段排土機(jī)排土段高，兼顧安全。

高段排土需要對(duì)排土場(chǎng)穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算。排土場(chǎng)邊坡為土質(zhì)和巖質(zhì)散體邊坡，驗(yàn)算通常采用國(guó)內(nèi)巖土工程界廣泛應(yīng)用的專業(yè)邊坡問(wèn)題分析軟件對(duì)巖土邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算和分析。

3.5 排土機(jī)應(yīng)用及發(fā)展

在露天礦連續(xù)排土工藝中，一般采用排土機(jī)和帶式輸送機(jī)配合使用，排土機(jī)生產(chǎn)能力特別大，自動(dòng)化程度高，作為移動(dòng)式連續(xù)作業(yè)的排料設(shè)備，把移動(dòng)帶式輸送機(jī)運(yùn)輸?shù)奈锪吓艞壍脚磐翀?chǎng)。排土機(jī)的受料臂安裝一條受料帶式輸送機(jī)，卸料臂上安裝一條卸料帶式輸送機(jī)。目前排土機(jī)的排料臂最大長(zhǎng)度達(dá)190～250m，用于金屬礦山時(shí)一般不超過(guò)100m，最大機(jī)重達(dá)7 400t，生產(chǎn)能力達(dá)22 400t/h[4]。

隨著聯(lián)合排土工藝在露天礦的廣泛應(yīng)用，各類大型化、復(fù)雜化、留有遠(yuǎn)程控制接口的排土機(jī)開始應(yīng)用。通過(guò)對(duì)行走系統(tǒng)、排料系統(tǒng)等運(yùn)行狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程操控，最終實(shí)現(xiàn)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的無(wú)人化智能管理。

3.6 初始排土路堤

隨著排土機(jī)的生產(chǎn)能力、行走方式、外形尺寸等方面不斷的發(fā)展和排土機(jī)性能的變化，均對(duì)其排土?xí)r初始路堤的修筑方法和步驟等都提出了要求。

修筑排土機(jī)的初始路堤可以采用汽車修筑，也可以采用聯(lián)合帶式輸送機(jī)和排土機(jī)，推土機(jī)等方式修筑，也可以采用這幾種工藝聯(lián)合修筑。采用汽車筑堤，需配置一定數(shù)量的汽車，修筑相對(duì)靈活，但成本相對(duì)較高。汽車筑堤一般在排土機(jī)投入使用前使用，或輔助排土機(jī)使用，采用帶式輸送機(jī)運(yùn)輸—排土機(jī)排土的礦山，在條件允許的情況下，利用帶式輸送機(jī)和排土機(jī)修筑路堤，這種施工與生產(chǎn)相統(tǒng)一的方法既可以充分利用排土機(jī)，筑堤效率高，也能節(jié)省修筑成本。

利用連續(xù)排土設(shè)備修筑路堤效率高，但是也存在沉降時(shí)間不夠的問(wèn)題?？紤]到有時(shí)不能完全依靠排土機(jī)自筑路堤，就需要采用汽車、帶式輸送機(jī)和排土機(jī)聯(lián)合修筑路堤的方式。廢石由帶式輸送機(jī)—排土系統(tǒng)從露天坑轉(zhuǎn)運(yùn)至排土場(chǎng)后，由排土場(chǎng)內(nèi)汽車完成路堤的修筑。在場(chǎng)地安排上，帶式輸送機(jī)的傾角能夠滿足車輛行駛要求，汽車爬坡車道與廢石運(yùn)輸膠帶布置在同一通道，車輛沿此通道爬坡至上層平臺(tái)修筑路堤，此通道既作為后期皮帶及排土機(jī)的檢修通道，也作為排土機(jī)事故檢修時(shí)汽車排土的備用通道。

3.7 排土場(chǎng)作業(yè)方式

根據(jù)移動(dòng)帶式輸送機(jī)和排土機(jī)的相對(duì)位置，排土機(jī)排土的作業(yè)方式分為3種。

向上排土方式：排土機(jī)位于移動(dòng)帶式輸送機(jī)的內(nèi)側(cè)，排土機(jī)向上排土。

向下排土方式：排土機(jī)位于移動(dòng)帶式輸送機(jī)的外側(cè)，排土機(jī)排料臂朝外側(cè)向下排土。

混合排土方式：排土機(jī)位于移動(dòng)帶式輸送機(jī)機(jī)外側(cè)先向下排土，完成向下排土條帶排滿后，排土機(jī)越過(guò)移動(dòng)帶式輸送機(jī)再進(jìn)行上排作業(yè)，待向上排土條帶排滿后，完成一個(gè)作業(yè)循環(huán)，排土機(jī)再越過(guò)移動(dòng)帶式輸送機(jī)，進(jìn)入下一個(gè)排土作業(yè)循環(huán)。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于深凹露天坑，隨著開采水平的降低和排土段高的增加，采用傳統(tǒng)的汽車運(yùn)輸時(shí)，汽車重載上坡運(yùn)行，運(yùn)輸效率降低，礦山生產(chǎn)成本增加，本文根據(jù)露天礦特點(diǎn)，通過(guò)某露天礦排土方案實(shí)例進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，建議采用聯(lián)合排土工藝，提高排土效率，節(jié)省排土費(fèi)用。

圍繞聯(lián)合排土技術(shù)，針對(duì)排土方法的選擇、排土機(jī)的作業(yè)平臺(tái)、排土場(chǎng)作業(yè)方式以及作業(yè)過(guò)程的排土機(jī)布置、初始路堤修筑等應(yīng)用進(jìn)行了相關(guān)應(yīng)用研究，為類似露天礦山排土工藝的設(shè)計(jì)和運(yùn)營(yíng)提供了參考。