扎哈淖爾露天煤礦輪斗系統(tǒng)移設(shè)方案優(yōu)化

繆占偉，祁利民

（扎魯特旗扎哈淖爾煤業(yè)公司，內(nèi)蒙古 霍林郭勒 029100）

扎魯特旗扎哈淖爾煤業(yè)有限公司扎哈淖爾露天煤礦（簡(jiǎn)稱“扎礦”）屬于霍林河煤田二號(hào)露天采區(qū)，距霍林河煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司所在地霍林郭勒市15 km。煤田整體呈東西走向，東西長(zhǎng)13.27 km，南北寬1.15～3.58 km，礦區(qū)面積30.517 7 km2，礦區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)通遼市西北端，在霍林郭勒市和扎魯特旗境內(nèi)。南鄰赤峰市的阿魯科爾沁旗，西北與錫林郭勒盟東烏珠穆沁旗相連。煤田東北自包爾呼吉起，西南至沙爾哈達(dá)止，長(zhǎng)60 km，寬約7～10 km，呈北東-南西條帶狀展布。

結(jié)合扎礦實(shí)際生產(chǎn)情況，輪斗系統(tǒng)布置在地表以下第1個(gè)臺(tái)階進(jìn)行表土的剝離，系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力為5.0 Mm3/a，由于北推上部臺(tái)階逐漸靠幫輪斗系統(tǒng)工作面帶式輸送機(jī)已推進(jìn)至北幫地表境界線位置，亟需對(duì)系統(tǒng)移設(shè)后的布置方案進(jìn)行研究，為輪斗系統(tǒng)的移設(shè)做好準(zhǔn)備。

針對(duì)輪斗系統(tǒng)平面布置進(jìn)行多方案對(duì)比，同時(shí)考慮輪斗系統(tǒng)布置方案對(duì)輪斗系統(tǒng)運(yùn)行及對(duì)下部剝離臺(tái)階推進(jìn)的影響、工期要求及投資等因素，通過技術(shù)和經(jīng)濟(jì)2方面對(duì)比給出輪斗系統(tǒng)移設(shè)的推薦方案，保證輪斗系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行及推進(jìn)方向的平穩(wěn)過渡。

1 設(shè)計(jì)原則及工作方式

1.1 設(shè)計(jì)原則

設(shè)計(jì)原則為：①本次輪斗連續(xù)系統(tǒng)移設(shè)改造工程要求盡量工期短、投資小，避免重復(fù)建設(shè)[1-2]；②移設(shè)后的作業(yè)方式與工況條件應(yīng)有利于輪斗連續(xù)系統(tǒng)效率提升[3-5]；③輪斗連續(xù)系統(tǒng)移設(shè)改造后既應(yīng)避免超前剝離，又要避免對(duì)下部單斗-卡車作業(yè)位置產(chǎn)生影響[6-7]；④輪斗連續(xù)系統(tǒng)移設(shè)改造后的服務(wù)年限長(zhǎng)，與下部采場(chǎng)推進(jìn)強(qiáng)度協(xié)調(diào)統(tǒng)一，避免頻繁移設(shè)[8-9]。

1.2 工作方式

輪斗挖掘機(jī)采用傾斜分層完成這部分表土采掘量，根據(jù)設(shè)備作業(yè)規(guī)格，臺(tái)階高度確定為27 m，采掘帶寬度為50 m，臺(tái)階坡面角50°。輪斗挖掘機(jī)最小作業(yè)平盤寬度為140 m。輪斗挖掘機(jī)采用端工作面方式采掘，采用單一主臺(tái)階，為減少帶式輸送機(jī)移動(dòng)次數(shù)，可利用連接橋形成2采1移。每年1—3月份輪斗系統(tǒng)停止作業(yè)?，F(xiàn)有輪斗系統(tǒng)布置在＋920 m水平上，＋920 m水平上部剝離物由輪斗采裝，剩余剝離工程量由單斗-卡車間斷工藝輔助完成。輪斗挖掘機(jī)作業(yè)平盤寬度組成要素如圖1。

圖1 輪斗挖掘機(jī)作業(yè)平盤寬度組成要素

現(xiàn)有輪斗系統(tǒng)布置在工作幫最上部，開采上部部分松散層剝離物，開采臺(tái)階高度27 m，采用單一主采臺(tái)階形式，剩余部分松散層剝離物由單斗-卡車間斷工藝完成。考慮到轉(zhuǎn)向過后松散層剝離量增大，需增加設(shè)備工藝系統(tǒng)的要求，避免與新增工藝系統(tǒng)產(chǎn)生交叉現(xiàn)象，既有輪斗系統(tǒng)還應(yīng)服務(wù)于最上部水平，新增工藝和設(shè)備布置于其下方，即完成地表以下27 m范圍內(nèi)工程量，根據(jù)轉(zhuǎn)向完成后最上部剝離臺(tái)階位置確定既有輪斗系統(tǒng)布置在＋920 m水平。

2 移設(shè)方案

根據(jù)輪斗系統(tǒng)長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃方案，后期輪斗系統(tǒng)移設(shè)后L114工作幫膠帶布置在采礦境界內(nèi)北側(cè)，延采場(chǎng)地表境界向西推進(jìn)。在保證設(shè)備效率發(fā)揮，避免投資浪費(fèi)的前提下，使輪斗系統(tǒng)工作幫膠帶由現(xiàn)狀平穩(wěn)過渡至后期規(guī)劃位置，對(duì)輪斗系統(tǒng)過渡期間作業(yè)方式進(jìn)行研究。通過方案比選的方式，共制定3種輪斗系統(tǒng)移設(shè)方案。

2.1 方案1—扇形移設(shè)布置

輪斗系統(tǒng)可移設(shè)膠帶L114機(jī)頭位置推至地表境界后，系統(tǒng)將無法繼續(xù)進(jìn)行矩形推進(jìn)移設(shè)，若改成扇形移設(shè)需要對(duì)L114膠帶與L115膠帶之間轉(zhuǎn)載站的設(shè)備結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，結(jié)合地表境界線的特點(diǎn)，在西側(cè)地表境界拐點(diǎn)位置設(shè)置移設(shè)后轉(zhuǎn)載站，新建L115膠帶機(jī)道，實(shí)現(xiàn)L114工作幫膠帶扇形移設(shè)的目的。方案1扇形移設(shè)布置方案示意圖如圖2。

圖2 方案1扇形移設(shè)布置方案示意圖

為滿足工作幫L114膠帶實(shí)現(xiàn)扇形移設(shè)的要求，需要對(duì)輪斗系統(tǒng)進(jìn)行以下幾方面改造：

1）需在地表境界以外新建L115膠帶機(jī)道，新建L115膠帶長(zhǎng)度470 m，L115機(jī)尾轉(zhuǎn)載站標(biāo)高＋920 m水平，L115機(jī)頭轉(zhuǎn)載站標(biāo)高＋941 m水平，提升高度21米，L115膠帶爬坡角度5.5%，滿足膠帶坡度限制10.8°的要求，工程量預(yù)計(jì)28萬m3。

2）為滿足L114與L115膠帶布設(shè)時(shí)轉(zhuǎn)角要求，對(duì)L114膠帶與L115膠帶之間轉(zhuǎn)載站進(jìn)行改造，使其可以旋轉(zhuǎn)，改造后轉(zhuǎn)載站能夠適應(yīng)扇形與平行移設(shè)2種移設(shè)方式，作業(yè)更靈活?？紤]到L116膠帶在現(xiàn)有驅(qū)動(dòng)能力條件下，長(zhǎng)度可增加100 m。轉(zhuǎn)載站改造及新建115機(jī)道完成后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行移設(shè)，預(yù)計(jì)移設(shè)工程總工期為5個(gè)月，工程量總計(jì)28萬m3。

2.2 方案2—平行移設(shè)境界內(nèi)布置

保持2018年9月份L114膠帶停止作業(yè)時(shí)的位置不變，將原L115機(jī)道平行向西移設(shè)990 m，新建L115膠帶機(jī)道，長(zhǎng)度930 m，將L114膠帶與L115膠帶垂直搭接，將搭接點(diǎn)以東的膠帶機(jī)移設(shè)至西部，保持L114膠帶機(jī)1 350 m長(zhǎng)度不變。L115膠帶機(jī)頭與L116膠帶機(jī)尾之間新增1條L116－1膠帶機(jī)，長(zhǎng)度1 230 m，結(jié)合長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃，為下次移設(shè)做準(zhǔn)備，方案2平行移設(shè)境界內(nèi)布置方案如圖3。

為滿足輪斗系統(tǒng)平行移設(shè)的要求，需進(jìn)行以下幾方面工作：

1）在西側(cè)新建L115機(jī)道，長(zhǎng)度930 m，工程量預(yù)計(jì)230萬m3，其中包含北側(cè)境界外L115機(jī)道中的坡道工程量，預(yù)計(jì)20萬m3。新建L115機(jī)頭轉(zhuǎn)載站標(biāo)高＋940 m水平，機(jī)尾轉(zhuǎn)載站標(biāo)高＋920 m水平，按照L115膠帶10.8°爬坡角度設(shè)計(jì)，L115膠帶爬坡段長(zhǎng)度185 m，水平段長(zhǎng)度745 m。

圖3 方案2平行移設(shè)境界內(nèi)布置方案示意圖

2）為保證移設(shè)后L114膠帶工作線1 350 m的長(zhǎng)度不變，需增加L114膠帶西側(cè)機(jī)道拉溝長(zhǎng)度520 m，工程量預(yù)計(jì)120萬m3（如果工期緊張，可暫不恢復(fù)L114長(zhǎng)度）。

3）L115膠帶與L116膠帶之間新增1條L116－1膠帶機(jī)，長(zhǎng)度1 230 m，新增膠帶機(jī)頭（北側(cè)）、機(jī)尾（南側(cè)）轉(zhuǎn)載站標(biāo)高均為＋940 m水平，新增膠帶走向設(shè)計(jì)位置原始地表標(biāo)高最高＋950 m水平，需對(duì)新增膠帶基礎(chǔ)進(jìn)行處理，保證膠帶基礎(chǔ)滿足運(yùn)行的條件。

4）為避免輪斗系統(tǒng)L114膠帶制約下部采場(chǎng)發(fā)展，計(jì)劃L114膠帶年末位置向北150 m范圍內(nèi)由外委標(biāo)段負(fù)責(zé)剝離，剝離量預(yù)計(jì)400萬m3，施工工期4個(gè)月。受此因素影響，移設(shè)后輪斗系統(tǒng)服務(wù)年限約為2年。

5）為縮短移設(shè)時(shí)間，L114、L115機(jī)道需提前進(jìn)行建設(shè)，工程量總計(jì)約350萬m3。考慮輪斗系統(tǒng)新增設(shè)備的招標(biāo)、采購(gòu)、安裝、調(diào)試等工作，預(yù)計(jì)移設(shè)工程總工期為9個(gè)月。

2.3 方案3—沿端幫平行移設(shè)地表布置

輪斗系統(tǒng)L114工作幫膠帶與采場(chǎng)西部地表境界采取垂直布置方式，使L115膠帶平行地表境界線布設(shè)，北側(cè)與地表境界預(yù)留50 m的安全距離。結(jié)合2018年采場(chǎng)推進(jìn)位置，設(shè)計(jì)新建L114工作膠帶長(zhǎng)度1 200 m，預(yù)計(jì)工程量185萬m3；新建L115機(jī)道斜坡段部分185 m，水平段長(zhǎng)度350 m，工程量130萬m3。2條機(jī)道同時(shí)施工，根據(jù)作業(yè)場(chǎng)地條件，可布設(shè)鉤機(jī)9臺(tái)，按照日均能力4.5萬m3計(jì)算，考慮施工降效及氣候影響，預(yù)計(jì)施工工期3個(gè)月。方案3沿端幫平行移設(shè)地表布置方案如圖4。

為滿足L114膠帶垂直地表境界線且平行移設(shè)的要求，需進(jìn)行以下幾方面工作：

1）新建L115機(jī)道北幫與地表境界預(yù)留50 m的安全距離，避免因北幫塌方而造成地表超界的現(xiàn)象。

圖4 方案3沿端幫平行移設(shè)地表布置方案示意圖

2）設(shè)計(jì)L115膠帶爬坡段在露天礦地表境界以內(nèi)，避免機(jī)道拉溝位置超出地表境界。新建L115機(jī)頭轉(zhuǎn)載站標(biāo)高＋940 m水平，機(jī)尾轉(zhuǎn)載站標(biāo)高＋920 m水平，按照L115膠帶10.8°爬坡角度設(shè)計(jì)，L115膠帶爬坡段長(zhǎng)度185 m。

3）L115膠帶與L116膠帶之間新增1條L116－1膠帶機(jī)，長(zhǎng)度985 m。新增膠帶機(jī)頭（東側(cè)）、膠帶機(jī)尾（西側(cè)）轉(zhuǎn)載站標(biāo)高＋940 m水平，新增膠帶基礎(chǔ)局部標(biāo)高超過＋940 m水平，需對(duì)膠帶基礎(chǔ)進(jìn)行處理，以保證場(chǎng)地滿足膠帶運(yùn)行的條件。

4）為縮短移設(shè)時(shí)間，L114、L115機(jī)道需提前進(jìn)行建設(shè)，工程量總計(jì)約315萬m3?？紤]輪斗系統(tǒng)新增設(shè)備的招標(biāo)、采購(gòu)、安裝、調(diào)試等工作，預(yù)計(jì)移設(shè)工程總工期為8個(gè)月。

3 方案比選

上述3個(gè)方案中，方案1與方案2推進(jìn)方向一致，各方案之間端幫帶式輸送機(jī)布置位置差別較大，對(duì)3個(gè)方案從投資和成本、服務(wù)年限、工程量、工期、改造、系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性及效率發(fā)揮等方面進(jìn)行分析和優(yōu)缺點(diǎn)比較。

3.1 方案1優(yōu)缺點(diǎn)

1）方案1優(yōu)點(diǎn)。①機(jī)道工程量最小、施工難度低；②L114膠帶機(jī)改動(dòng)量小，不需增加帶式輸送機(jī)，系統(tǒng)膠帶機(jī)總長(zhǎng)度5 900 m，系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)成本最低；③如轉(zhuǎn)載站改造方案可行，則該方案工期短、投資小。

2）方案1缺點(diǎn)。①轉(zhuǎn)載站改造方案存在不確定性，目前尚未形成有效方案，嚴(yán)重制約后續(xù)工作發(fā)展，改造后轉(zhuǎn)載站運(yùn)行穩(wěn)定性無法保證，生產(chǎn)穩(wěn)定性較差；②扇形移設(shè)方式導(dǎo)致系統(tǒng)作業(yè)效率降低，移設(shè)頻繁，頭站移設(shè)的實(shí)施難度較大；③推進(jìn)方向與下部采掘場(chǎng)推進(jìn)方向不同，影響下部剝離；④由于輪斗作業(yè)范圍內(nèi)部分黃土已剝離完，扇形移設(shè)輪斗作業(yè)量減少，服務(wù)年限約2年。

3.2 方案2優(yōu)缺點(diǎn)

1）方案2優(yōu)點(diǎn)。①L114膠帶機(jī)道工程量較小，大部分位置無需拉溝作業(yè)，施工難度?。虎谛略瞿z帶在未來規(guī)劃中可繼續(xù)使用；③L114膠帶推進(jìn)方向與采場(chǎng)工作幫推進(jìn)方向一致，使采場(chǎng)上、下位置施工組織關(guān)系緊密銜接；④L115膠帶機(jī)道與超前拉溝位置有交叉，降低拉溝施工難度。

2）方案2缺點(diǎn)。①該方案拉溝工程量大，新增膠帶機(jī)長(zhǎng)度最長(zhǎng)，系統(tǒng)膠帶機(jī)總長(zhǎng)度達(dá)到7 590 m，系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)成本最大；②L115機(jī)道境界外工程量預(yù)計(jì)20萬m3，機(jī)道工程局部位置超出采礦境界；③L115機(jī)道一次性建成，投資較大、工期較長(zhǎng)；④作業(yè)方式服務(wù)年限最短約2年，為降低輪斗L114工作幫膠帶對(duì)下部采場(chǎng)推進(jìn)制約，可將工作幫膠帶長(zhǎng)度由1 350 m縮減至1 000 m或更短，由于膠帶長(zhǎng)度縮短，導(dǎo)致膠帶移設(shè)頻率增加，服務(wù)年限不足2年；⑤L116－1帶式輸送機(jī)距離北排土場(chǎng)較近，受排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定因素影響，具有一定安全隱患。

3.3 方案3優(yōu)缺點(diǎn)

1）方案3優(yōu)點(diǎn)。①L115機(jī)道由爬坡段和水平段機(jī)組成，水平段機(jī)道滿足輪斗系統(tǒng)1年的移設(shè)要求一次修建完成，移設(shè)時(shí)無機(jī)道工程量；②新增膠帶在未來規(guī)劃中可繼續(xù)使用，不存在浪費(fèi)現(xiàn)象；③L115機(jī)道沿采礦地表境界布置，在采場(chǎng)范圍內(nèi)L115膠帶由920 m水平提升至地表＋940 m水平，避免了在采礦境界以外產(chǎn)生工程量的情況，不存在越界風(fēng)險(xiǎn)，若允許局部越界可考慮利用新增膠帶提升，減少對(duì)端幫影響；④該方案2條膠帶溝工程量較小，該方案后期可適時(shí)延長(zhǎng)L114膠帶機(jī)長(zhǎng)度，服務(wù)年限約4年；⑤L114推進(jìn)方向與5年規(guī)劃中采場(chǎng)西幫工作線布置方向接近，服務(wù)結(jié)束后，更有利于進(jìn)行下一次移設(shè)；⑥該方案對(duì)采礦規(guī)劃發(fā)展影響最小，且不存在超前剝離現(xiàn)象。工作幫膠帶垂直境界線推進(jìn)位置示意圖如圖5。

2）方案3缺點(diǎn)。①該方案L114拉溝工程量較大，且施工、排水難度較大，機(jī)道縱向被雨水沖刷較大；②L114移設(shè)距離較遠(yuǎn)，輪斗挖掘機(jī)走行距離較長(zhǎng)；③L115與L116－1轉(zhuǎn)載站下部空間占用，對(duì)端幫最終臺(tái)階的形成有一定影響，系統(tǒng)下一次移設(shè)后需對(duì)端幫臺(tái)階局部進(jìn)行修整；④此方案是后2個(gè)方案的結(jié)合，端幫膠帶一部分布置在端幫另一部分布置在地面，L115膠帶布置在端幫會(huì)受到輪斗端幫臺(tái)階穩(wěn)定性影響，不利于系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，新增L116－1膠帶布置與地面離北排土場(chǎng)較近，對(duì)機(jī)道穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。

圖5 工作幫膠帶垂直境界線推進(jìn)位置示意圖

輪斗系統(tǒng)平面布置方案對(duì)比見表1。

表1 輪斗系統(tǒng)平面布置方案對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

1）方案1受轉(zhuǎn)載站改造不確定性、轉(zhuǎn)載站移設(shè)難度大以及移設(shè)頻繁等因素影響不建議采用扇形移設(shè)方案。

2）方案2移設(shè)后服務(wù)年限較短，且對(duì)下部剝離產(chǎn)生不利影響、準(zhǔn)備工程量大等因素影響不建議采用方案2。

3）從投資和成本來看，方案2投資和工程量均較大，方案3經(jīng)濟(jì)效益較好。但方案3L116－1膠帶受露天礦地表境界與北排土場(chǎng)之間的變形區(qū)影響較大，需根據(jù)采掘場(chǎng)及北排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定情況判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。綜合考慮移設(shè)后服務(wù)年限、投資和機(jī)道工程量等方面因素，優(yōu)先選擇方案3沿端幫平行移設(shè)地表布置方案。