茂名油頁(yè)巖露天礦開(kāi)采工藝

張繼平，張 洪

（中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110015）

茂名油頁(yè)巖發(fā)電項(xiàng)目規(guī)劃電廠一期建設(shè)2×210 MW 循環(huán)流化床機(jī)組，油頁(yè)巖需求量6.0 Mt/a。電廠規(guī)劃容量為1 260 MW，油頁(yè)巖需求量18.0 Mt/a。油頁(yè)巖露天礦可采礦量為198.29 Mt，總剝離量為295.48 Mm3，平均剝采比為1.49 m3/t，達(dá)到6.0 Mt/a設(shè)計(jì)規(guī)模時(shí)的生產(chǎn)剝采比為1.10 m3/t。由于茂名油頁(yè)巖露天礦外排土場(chǎng)和北外排土場(chǎng)均無(wú)富余容量且外排運(yùn)距較遠(yuǎn)，同時(shí)地區(qū)土地資源緊缺，因此不考慮利用原排土場(chǎng)或重新選擇外排土場(chǎng)。礦田在1958—1995 年開(kāi)采的采空區(qū)可以滿足礦田開(kāi)采時(shí)剝離物實(shí)現(xiàn)全部?jī)?nèi)排要求[1]。

1 開(kāi)采技術(shù)條件

1）氣候條件。茂名油頁(yè)巖礦區(qū)氣候?qū)儆趤啛釒ШＱ笮詺夂?，一般?7.79～29.7 ℃，平均22.01 ℃；風(fēng)力為3～6 級(jí)；本區(qū)雨量極為豐富，歷年年平均降雨量為1 558.3 mm，每年降雨天數(shù)平均為139 d，每年最多降雨天數(shù)為178 d，本區(qū)常有暴風(fēng)雨和雷雨，對(duì)開(kāi)采工藝選擇影響較大的氣候因素主要是雨季長(zhǎng)且雨量大。

2）地質(zhì)條件。本礦田油頁(yè)巖為一構(gòu)造簡(jiǎn)單的獨(dú)立層，厚度為4.52～34.32 m，平均厚度為24.60 m，以5°～7°的緩傾角向北傾斜。油頁(yè)巖抗壓強(qiáng)度為10～15 MPa。油頁(yè)巖底板為油頁(yè)巖貧礦或細(xì)粒砂巖，其抗壓強(qiáng)度分別為6.0 MPa 和10～15 MPa。露天礦的主要?jiǎng)冸x物層巖性松散，由半膠結(jié)砂礫石、粗土組成，其抗壓強(qiáng)度為2.0～6.0 MPa，剝離層厚度平均為56.86 m。礦田劃分為首采區(qū)、中采區(qū)和東采區(qū)3 個(gè)采區(qū)。礦區(qū)內(nèi)上覆剝離物厚度、油頁(yè)巖厚度和傾角賦存情況統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。由于礦田推進(jìn)方向沿傾向進(jìn)行，因此3 個(gè)采區(qū)的上覆剝離物厚度均隨本采區(qū)的推進(jìn)而增加，礦層厚度在3 個(gè)采區(qū)內(nèi)變化不大，基本呈小幅度增厚的趨勢(shì)，而剝離物厚度除表現(xiàn)為逐漸增厚外，同時(shí)隨著采區(qū)的轉(zhuǎn)換而呈現(xiàn)出周期性的由薄變厚的變化規(guī)律。

表1 礦區(qū)內(nèi)上覆剝離物厚度、油頁(yè)巖厚度和傾角賦存情況統(tǒng)計(jì)

3 擬比選的開(kāi)采工藝方案

3.1 油頁(yè)巖采礦工藝方案

開(kāi)采工藝的選擇應(yīng)遵循以經(jīng)濟(jì)效益為中心，降低初期投資，突出露天礦初期經(jīng)濟(jì)效益，因礦制宜[2]。依據(jù)本礦條件，提出單斗－卡車(chē)+半移動(dòng)破碎站－帶式輸送機(jī)半連續(xù)工藝作為采礦的首選方案。

1）油柑窩層的油頁(yè)巖地基承載力為1 000～1 200 kPa，而油頁(yè)巖本身，屬于變質(zhì)巖類，其抗壓強(qiáng)度較高（10～15 MPa），其軟化系數(shù)為0.5，即使雨水浸泡后強(qiáng)度折減，仍有較高的抗壓強(qiáng)度?？梢詽M足85 t 卡車(chē)的行車(chē)條件，適合本礦的開(kāi)采條件。

2）單斗－卡車(chē)－可移動(dòng)式破碎站－帶式輸送機(jī)半連續(xù)工藝是我國(guó)露天礦中應(yīng)用最廣泛的采礦工藝，工藝先進(jìn)、技術(shù)可靠，即有單斗－卡車(chē)機(jī)動(dòng)靈活適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，又具有帶式輸送機(jī)運(yùn)輸效率高、成本低的優(yōu)點(diǎn)，在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)綜合指標(biāo)上有其它開(kāi)采工藝無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，已成為露天煤礦剝采工藝的一個(gè)重要技術(shù)發(fā)展方向[3]。

3.2 剝離開(kāi)采工藝方案

剝離工藝是指完成移除覆蓋月礦產(chǎn)資源之上的廢棄巖石所采用的方法或技術(shù)[4]。剝離工藝選擇是本礦的技術(shù)難點(diǎn)之一，為尋求本礦最佳的剝離開(kāi)采工藝，依據(jù)開(kāi)采工藝選擇的原則及本礦油頁(yè)巖與剝離物賦存特點(diǎn)，提出可供本礦選擇的剝離工藝方案。

3.2.1 單斗－卡車(chē)開(kāi)采工藝方案

單斗－卡車(chē)是世界上，特別是我國(guó)露天礦應(yīng)用較廣泛的開(kāi)采工藝，雖然近幾年由于油價(jià)和修理費(fèi)用增幅較大，有逐步減少的趨勢(shì)，但仍屬于4 種基本開(kāi)采工藝之一。該工藝具有爬坡能力大、機(jī)動(dòng)靈活、工作線短、推進(jìn)強(qiáng)度大、工藝系統(tǒng)簡(jiǎn)單、礦建工程量少、生產(chǎn)管理簡(jiǎn)單和投資少等優(yōu)點(diǎn)，但生產(chǎn)成本高、卡車(chē)對(duì)路面狀況要求高、人工成本高以及對(duì)環(huán)境影響相對(duì)較大[5]。該礦剝離采用自卸卡車(chē)運(yùn)輸方式存在以下問(wèn)題：

1）剝離臺(tái)階工作平盤(pán)雨季或有水狀態(tài)下卡車(chē)運(yùn)行困難。本礦油頁(yè)巖頂板以上的上第三紀(jì)地層剝離物成巖性較差，抗壓強(qiáng)度較低（2～6 MPa），并根據(jù)資料分析老虎嶺層、尚村層、黃牛嶺層的巖土特征，分析得到剝離臺(tái)階地基承載力為300～400 kPa。低于卡車(chē)對(duì)地比壓。茂名地處亞熱帶區(qū)域，年降雨量較大，年平均降雨日數(shù)達(dá)139 d，最長(zhǎng)為178 d，剝離物經(jīng)含水率達(dá)到飽和后會(huì)發(fā)生軟化，其承載力將大幅度降低，據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘和調(diào)研了解到，剝離物遇水后工作平盤(pán)陷車(chē)現(xiàn)象非常嚴(yán)重。這樣的自然條件對(duì)卡車(chē)的運(yùn)輸是非常不利的，會(huì)造成行車(chē)?yán)щy，甚至難以通行，從而會(huì)影響整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。所以油頁(yè)巖頂板以上剝離臺(tái)階采用卡車(chē)運(yùn)輸方式在技術(shù)上存在較大的問(wèn)題，不予推薦。

2）生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)成本高，燃油消耗大。近幾年，卡車(chē)輪胎、柴油呈現(xiàn)短缺和價(jià)格攀升趨勢(shì)，致使卡車(chē)運(yùn)營(yíng)成本增幅較大，這種趨勢(shì)短期內(nèi)很難改變。若剝離全部采用卡車(chē)運(yùn)輸，則每年柴油消耗將達(dá)近4 000 t，導(dǎo)致生產(chǎn)成本增加。

綜上所述，受運(yùn)輸條件和運(yùn)營(yíng)成本限制，本礦剝離不適合大量采用單斗－卡車(chē)開(kāi)采工藝，但為了充分發(fā)揮其機(jī)動(dòng)靈活的特點(diǎn)，本礦局部，如礦層頂板的部分三角臺(tái)階等可考慮采用此開(kāi)采工藝。

3.2.2 輪斗連續(xù)開(kāi)采工藝方案

輪斗挖掘機(jī)是在單鏈斗和其他采掘設(shè)備的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種高效率連續(xù)作業(yè)的多斗采掘設(shè)備[6]，是露天礦4 種基本開(kāi)采工藝之一，在軟巖露天礦應(yīng)用廣泛，結(jié)合茂名油頁(yè)巖礦區(qū)的礦石、剝離巖性、賦存條件及氣象特點(diǎn)，輪斗開(kāi)采工藝在該礦應(yīng)用在技術(shù)上是可行的，它具有自動(dòng)化程度高、生產(chǎn)連續(xù)、效率高、開(kāi)采強(qiáng)度大、生產(chǎn)成本低、人工費(fèi)用低、選采性能好、受氣候影響較小等優(yōu)點(diǎn)，但存在初期設(shè)備投資相對(duì)較高、機(jī)動(dòng)靈活性差、制造周期較長(zhǎng)等缺點(diǎn)。

由于本礦年降雨量大，剝離物含水率達(dá)到飽和后容易產(chǎn)生松軟，這種情況下輪斗挖掘機(jī)站立水平承載力將會(huì)減小，可能產(chǎn)生下陷，這種情況可以采取加長(zhǎng)或加寬履帶來(lái)增加機(jī)器與地表接觸面積實(shí)現(xiàn)減少對(duì)地比壓。

輪斗挖掘機(jī)－帶式輸送機(jī)連續(xù)開(kāi)采工藝生產(chǎn)連續(xù)，效率高；該礦剝離物松軟，且氣候溫暖，適合輪斗連續(xù)工藝優(yōu)點(diǎn)的發(fā)揮，因此輪斗連續(xù)開(kāi)采工藝在本礦的應(yīng)用技術(shù)上是可行的。

3.2.3 吊斗鏟倒堆開(kāi)采工藝方案

吊斗鏟倒堆綜合開(kāi)采工藝是一種先進(jìn)的開(kāi)采工藝，它集采掘、運(yùn)輸、排卸3 項(xiàng)作業(yè)于一體[7]，將剝離物直接排棄于采空區(qū)的內(nèi)排土場(chǎng)中，工藝流程簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本低。其具有技術(shù)成熟、可靠、工藝環(huán)節(jié)簡(jiǎn)單和生產(chǎn)效率高、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)，但存在設(shè)備需要進(jìn)口，可供選擇余地小、購(gòu)置費(fèi)高、對(duì)采場(chǎng)工程位置要求較高，日常生產(chǎn)、工程管理復(fù)雜，經(jīng)驗(yàn)少等缺點(diǎn)。

吊斗鏟倒堆工藝一般適用于礦層覆蓋物較薄、礦層厚度適中、傾角小、巖性在中等硬度以下的開(kāi)采條件，根據(jù)茂名油頁(yè)巖礦區(qū)的礦石、剝離巖性、賦存條件及地形特點(diǎn)，該礦首采區(qū)后期及中采區(qū)、東采區(qū)剝離層厚度大部分大于吊斗鏟倒堆剝離厚度，其倒堆臺(tái)階以上剩余的剝離層需安排1 套輪斗連續(xù)工藝系統(tǒng)來(lái)完成，因此，吊斗鏟倒堆工藝方案在本礦的應(yīng)用應(yīng)是一個(gè)聯(lián)合剝離工藝方案。

3.2.4 自移式破碎機(jī)半連續(xù)開(kāi)采工藝方案

自移式破碎機(jī)半連續(xù)綜合開(kāi)采工藝的一般構(gòu)成為單斗挖掘機(jī)－自移動(dòng)式破碎機(jī)－帶式輸送機(jī)[8]，與輪斗開(kāi)采工藝相比其采裝環(huán)節(jié)改用單斗挖掘機(jī)，使工藝的靈活性增加、巖性適應(yīng)性增強(qiáng)、效率高、開(kāi)采強(qiáng)度大、采運(yùn)排設(shè)備均采用電力驅(qū)動(dòng)，運(yùn)營(yíng)費(fèi)用相對(duì)較少。但初期投資較大、生產(chǎn)環(huán)節(jié)多，管理復(fù)雜、中間增加了破碎環(huán)節(jié)及機(jī)動(dòng)靈活性差，僅適于礦層賦存簡(jiǎn)單的露天礦。

結(jié)合茂名油頁(yè)巖礦區(qū)的礦石、剝離巖性、賦存條件及地形特點(diǎn)，本方案各工藝環(huán)節(jié)均采用電力驅(qū)動(dòng)，優(yōu)缺點(diǎn)都很突出，因此自移式破碎機(jī)半連續(xù)開(kāi)采工藝在本礦的應(yīng)用技術(shù)上是可行的。

4 開(kāi)采工藝

3 個(gè)綜合開(kāi)采工藝方案在本礦的應(yīng)用技術(shù)上均是可行的，需要進(jìn)行較全面的經(jīng)濟(jì)對(duì)比。達(dá)產(chǎn)年3 個(gè)開(kāi)采工藝方案采運(yùn)排設(shè)備投資如圖1，3 個(gè)開(kāi)采工藝方案采運(yùn)排設(shè)備運(yùn)營(yíng)成本如圖2。

圖1 3 個(gè)開(kāi)采方案采運(yùn)排設(shè)備投資

圖2 3 個(gè)開(kāi)采方案采運(yùn)排設(shè)備運(yùn)營(yíng)成本

茂名油頁(yè)巖露天礦達(dá)產(chǎn)當(dāng)年輪斗連續(xù)綜合開(kāi)采工藝方案采運(yùn)排設(shè)備投資比吊斗鏟倒堆開(kāi)采工藝方案少8 128.87 萬(wàn)元，比自移式破碎機(jī)半連續(xù)開(kāi)采工藝方案少7 781.72 萬(wàn)元，而吊斗鏟倒堆開(kāi)采工藝方案比自移式破碎機(jī)半連續(xù)開(kāi)采工藝方案多347.15萬(wàn)元。達(dá)產(chǎn)當(dāng)年輪斗連續(xù)綜合開(kāi)采工藝方案采運(yùn)排設(shè)備運(yùn)營(yíng)費(fèi)比吊斗鏟倒堆開(kāi)采工藝方案多867 萬(wàn)元（1.445 元/t），比自移式破碎機(jī)半連續(xù)開(kāi)采工藝方案少464 萬(wàn)元（0.773 3 元/t），吊斗鏟倒堆開(kāi)采工藝方案比自移式破碎機(jī)半連續(xù)開(kāi)采工藝方案少1 331 萬(wàn)元（1.885 元/t）。

5 結(jié)語(yǔ)

1）借鑒土耳其EUAS 電力公司COLLOLAR 露天煤礦經(jīng)驗(yàn)，剝離采用的輪斗連續(xù)開(kāi)采工藝，通過(guò)采取加長(zhǎng)或加寬履帶來(lái)增加機(jī)器與地表接觸面積來(lái)減少對(duì)地比壓。本礦剝離采用輪斗連續(xù)開(kāi)采工藝和自移式破碎機(jī)半連續(xù)開(kāi)采工藝均是可行的。

2）自移式破碎機(jī)半連續(xù)開(kāi)采工藝具有輪斗連續(xù)綜合開(kāi)采工藝的優(yōu)點(diǎn)，但主要設(shè)備技術(shù)不夠成熟，投資偏大，達(dá)產(chǎn)當(dāng)年自移式破碎機(jī)半連續(xù)開(kāi)采工藝方案主要設(shè)備投資費(fèi)用比輪斗連續(xù)開(kāi)采工藝方案多7 781.72 萬(wàn)元，比吊斗鏟倒堆開(kāi)采工藝方案少347.15萬(wàn)元。

3）吊斗鏟倒堆開(kāi)采工藝集采掘、運(yùn)輸和排土3個(gè)主要工藝環(huán)節(jié)于一體，吊斗設(shè)備可靠、運(yùn)營(yíng)成本低，達(dá)產(chǎn)當(dāng)年吊斗鏟倒堆開(kāi)采工藝方案采運(yùn)排設(shè)備運(yùn)營(yíng)費(fèi)比輪斗連續(xù)開(kāi)采綜合開(kāi)采工藝方案少867 萬(wàn)元（投資回收期為9.38 年），比自移式破碎機(jī)半連續(xù)開(kāi)采工藝方案少1 331 萬(wàn)元，但吊斗鏟倒堆開(kāi)采工藝作業(yè)的礦層地底傾角在4°～9°，內(nèi)排土場(chǎng)穩(wěn)定性直接對(duì)采礦工作面帶來(lái)不安全因素；其次生產(chǎn)期第10 年，剝離層厚度增加，生產(chǎn)剝采比增大，1 臺(tái)吊斗鏟不能完成其全部剝離量，其上部部分剝離量需上另一種開(kāi)采工藝（如輪斗連續(xù)工藝系統(tǒng)）來(lái)完成，導(dǎo)致生產(chǎn)管理復(fù)雜，同時(shí)主要設(shè)備均需引進(jìn)，設(shè)備投資偏大，達(dá)產(chǎn)當(dāng)年吊斗鏟倒堆開(kāi)采工藝方案比輪斗連續(xù)開(kāi)采綜合開(kāi)采工藝方案多8 128.87 萬(wàn)元。

綜上所述，本礦剝離開(kāi)采工藝采用輪斗連續(xù)工藝綜合方案，即：剝離采用輪斗挖掘機(jī)-帶式輸送機(jī)-排土機(jī)+局部單斗-卡車(chē)開(kāi)采工藝；采礦采用單斗-卡車(chē)+可移式破碎機(jī)-帶式輸送機(jī)開(kāi)采工藝。