天池能源南露天煤礦原煤破碎站移設(shè)方案優(yōu)化

劉振遠(yuǎn)，胡鐵男

（新疆天池能源有限責(zé)任公司，新疆 昌吉 831100）

采用采煤半連續(xù)生產(chǎn)系統(tǒng)的露天煤礦生產(chǎn)成本受原煤破碎站的布置位置和移設(shè)步距的直接影響。半連續(xù)采煤生產(chǎn)系統(tǒng)的破碎站布置位置越接近采煤重心水平位置，布置高程距采煤重心高程位置越接近，則原煤運(yùn)輸成本越低[1]。破碎站移設(shè)周期直接影響原煤平均運(yùn)輸成本，且破碎站和運(yùn)輸帶式輸送機(jī)移設(shè)期間，系統(tǒng)無法正常使用，對(duì)露天煤礦的原煤生產(chǎn)產(chǎn)生影響較大]。為使礦山生產(chǎn)更加高效穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)合理，需要對(duì)破碎站移設(shè)方案進(jìn)行優(yōu)化。

王斌等[3]基于采礦延深速度合理確定礦石半移動(dòng)破碎站移設(shè)步距，通過多方案類比以及全面技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，充分考慮采場(chǎng)由山坡露天階段向深凹露天階段過渡時(shí)，深部帶式輸送機(jī)工藝布置與前期地表帶式輸送機(jī)的銜接，合理確定了礦石半移動(dòng)破碎站-帶式輸送機(jī)開拓運(yùn)輸系統(tǒng)的最佳工藝布置方式，實(shí)現(xiàn)了前期供礦帶式輸送機(jī)的充分利用，節(jié)省了投資。李雁飛[4]通過經(jīng)濟(jì)敏感指標(biāo)計(jì)算給出敏感指標(biāo)的移設(shè)步距動(dòng)態(tài)變化關(guān)系，提出寶日希勒露天煤礦1#原煤破碎站的移設(shè)位置優(yōu)化方案，將原煤破碎站移設(shè)費(fèi)用及成本計(jì)算作為境界對(duì)比指標(biāo)，綜合對(duì)比確定移設(shè)位置最優(yōu)方案。

1 現(xiàn)狀與問題分析

新疆天池能源南露天煤礦為傾斜巨厚煤層賦存，平均厚度達(dá)76.14 m，實(shí)際生產(chǎn)能力30 Mt/a。為了滿足生產(chǎn)能力要求，南露天煤礦先后建設(shè)了3 套采煤破碎站半連續(xù)工藝系統(tǒng)和相應(yīng)的原煤生產(chǎn)系統(tǒng)，3 臺(tái)原煤破碎站布置于北幫煤層底板上，服務(wù)于15 個(gè)采煤臺(tái)階（隨著工作幫推進(jìn)，煤層埋藏條件變化，服務(wù)臺(tái)階數(shù)略有變化）。采區(qū)轉(zhuǎn)向完成后，南露天煤礦改為沿煤層走向推進(jìn)，將逐步實(shí)現(xiàn)內(nèi)排，隨著內(nèi)排的不斷跟進(jìn)，原布置于煤層底板的3 個(gè)原煤破碎站必須隨著剝采排工程的推進(jìn)而不斷移設(shè)。

依據(jù)南露天煤礦初步設(shè)計(jì)及2020 年度開采設(shè)計(jì)，剝離、采煤臺(tái)階均采用水平分層，標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)階高度為15 m，現(xiàn)南幫正逐漸到界，處于首采一區(qū)向首采二區(qū)轉(zhuǎn)向末期。預(yù)計(jì)到2020 年末，南露天煤礦將完成首采一區(qū)向首采二區(qū)的轉(zhuǎn)向，東幫400～610 m 水平形成14 個(gè)剝離臺(tái)階，340～565 m 水平形成15 個(gè)采煤臺(tái)階，在西幫340～550 m 水平形成7 個(gè)內(nèi)排臺(tái)階。天池能源南露天煤礦采區(qū)劃分如圖1。

圖1 天池能源南露天煤礦采區(qū)劃分

按照南露天煤礦3 年規(guī)劃，最晚到2021 年坑下的1#原煤破碎站將制約內(nèi)排土場(chǎng)的發(fā)展，同時(shí)卡車的上煤運(yùn)距開始增加，隨后2#、3#原煤破碎站也逐步面臨同樣的問題。對(duì)于半連續(xù)采煤工藝來說，破碎站移設(shè)的時(shí)空位置選擇和優(yōu)化布置對(duì)于移設(shè)費(fèi)用、后續(xù)產(chǎn)能的穩(wěn)定發(fā)揮和成本控制至關(guān)重要。

2 破碎站移設(shè)步距影響因素

露天煤礦采煤半連續(xù)系統(tǒng)的破碎站移設(shè)步距影響因素，主要有空間條件、經(jīng)濟(jì)條件、邊坡條件等[5]。

1）經(jīng)濟(jì)條件。采煤半連續(xù)系統(tǒng)的核心是采場(chǎng)內(nèi)破碎站位置的確定，確定原則應(yīng)為露天礦整體采煤半連續(xù)系統(tǒng)總生產(chǎn)成本最低，同時(shí)考慮其布置位置對(duì)整個(gè)露天煤礦生產(chǎn)組織的影響，避免出現(xiàn)部分環(huán)節(jié)優(yōu)化而影響整體的情況[6]。以采煤半連續(xù)系統(tǒng)為例，若破碎站和運(yùn)煤帶式輸送機(jī)在布置時(shí)未考慮后期剝離、采煤和內(nèi)排工程位置的發(fā)展情況，未對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)的布置位置和方式充分進(jìn)行論證，可能會(huì)導(dǎo)致單斗-卡車間斷工藝剝離運(yùn)輸系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)雙環(huán)內(nèi)排，使內(nèi)排剝離物運(yùn)距增加，生產(chǎn)成本大幅提高[7]。

2）空間條件。破碎站布置及移設(shè)工程受采場(chǎng)、排土場(chǎng)空間及工程位置影響較大。首先，采煤半連續(xù)系統(tǒng)主要部分為破碎站和運(yùn)煤帶式輸送機(jī)，受限于地形地質(zhì)條件和設(shè)備服務(wù)能力，破碎站和帶式輸送機(jī)的布置均需要一定的空間支撐；其次，為了保證露天煤礦原煤生產(chǎn)接續(xù)和破碎站移設(shè)產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益，破碎站移設(shè)至新位置后必須能夠連續(xù)服務(wù)一定時(shí)間。因此，采場(chǎng)的空間條件是破碎站布置和移設(shè)的重要限制因素。當(dāng)露天煤礦采煤工作面不具備破碎站布置所需的平盤寬度時(shí)，可將超前推進(jìn)產(chǎn)生的工程量計(jì)入破碎站移設(shè)綜合成本中，通過統(tǒng)籌考慮進(jìn)行破碎站布置和移設(shè)方案綜合優(yōu)化，以保證破碎站移設(shè)方案的經(jīng)濟(jì)性和合理性[8]。

3）邊坡條件。露天煤礦開采臺(tái)階由于長(zhǎng)時(shí)間的裸露、風(fēng)化，巖石力學(xué)性質(zhì)差，易破碎塌落；且隨著邊坡存在時(shí)間的延長(zhǎng)，邊坡變形也會(huì)逐漸增大，以上因素都會(huì)威脅到布置在采場(chǎng)內(nèi)的采煤半連續(xù)系統(tǒng)的正常作業(yè)。由于生產(chǎn)系統(tǒng)布置受采場(chǎng)內(nèi)地形、地質(zhì)條件影響較大，破碎站及帶式輸送機(jī)在布置前都會(huì)進(jìn)行填挖方作業(yè)，導(dǎo)致原始的巖石地層結(jié)構(gòu)受到破壞，即使是較細(xì)微的臺(tái)階變形也可能導(dǎo)致帶式輸送機(jī)傾斜而容易出現(xiàn)跑偏等故障[9]。因此，在破碎站移設(shè)前必須對(duì)破碎站布置位置巖體進(jìn)行力學(xué)分析，對(duì)帶式輸送機(jī)基礎(chǔ)布置線路進(jìn)行勘察，對(duì)相關(guān)邊坡工程位置進(jìn)行處理。

3 原煤破碎站移設(shè)優(yōu)化模型

3.1 模型建立

布置在端幫的破碎站移設(shè)工程可以表示為沿帶式輸送機(jī)的線性位置變化過程，水平方向上破碎站每移設(shè)1 次服務(wù)于1 個(gè)區(qū)塊的采掘量[10]，布置于端幫的破碎站移設(shè)過程示意圖如圖2。

圖2 布置于端幫的破碎站移設(shè)過程示意圖

假設(shè)采煤半連續(xù)工藝系統(tǒng)服務(wù)于m 個(gè)采煤臺(tái)階，破碎站布置于第e 個(gè)采煤臺(tái)階，可按露天煤礦的開拓方式分別進(jìn)行移設(shè)步距優(yōu)化。為了減少計(jì)算量，研究對(duì)模型提出如下假設(shè)：①運(yùn)煤卡車在工作幫的運(yùn)距與破碎站移設(shè)步距無關(guān)；②破碎站的超前布置和滯后移設(shè)都將增大上部剝離物內(nèi)排運(yùn)距；③破碎站的經(jīng)濟(jì)移設(shè)步距應(yīng)保證移設(shè)費(fèi)用得到補(bǔ)償且總成本最?。虎芷扑檎疽圃O(shè)時(shí)應(yīng)考慮由于系統(tǒng)停產(chǎn)對(duì)露天煤礦生產(chǎn)造成的經(jīng)濟(jì)損失；⑤由于破碎站移設(shè)步距的變動(dòng)范圍，因此優(yōu)化過程中不考慮追加卡車數(shù)量的問題和單位運(yùn)輸費(fèi)用隨運(yùn)距的變化。

3.2 模型求解

設(shè)破碎站移設(shè)步距為S，其中內(nèi)排土場(chǎng)滯后布置距離Sqh為：

式中：k 為破碎站滯后布置距離系數(shù)。

內(nèi)排土場(chǎng)坡道長(zhǎng)度Sp為：

式中：Hp為破碎站布置水平高度，m；H 為采掘工作面的卡車裝載水平高度，m；i 為卡車坡道斜率與展線系數(shù)乘積。

計(jì)算移設(shè)步距內(nèi)運(yùn)輸費(fèi)用cgn為：

式中：cqp為原煤的水平運(yùn)輸單價(jià)（包括空車返回），元（/m3·km）；n 為破碎站布置優(yōu)化模型中的剝采比，m3/m3；cb為單位原煤開采量分?jǐn)偟膭冸x物運(yùn)輸費(fèi)用，元/m3；cj為帶式輸送機(jī)的單位運(yùn)費(fèi)，元（/m3·km）；Cja為破碎站搬遷費(fèi)用，元；Cf為破碎站移設(shè)附加費(fèi)用，元；M 為半連續(xù)工藝系統(tǒng)單位推進(jìn)度的原煤采出量，m3/m；co為帶式輸送機(jī)的單位延長(zhǎng)費(fèi)，元/m。

破碎站不移設(shè)而直接服務(wù)于下一區(qū)塊的運(yùn)輸費(fèi)用cny′為：

式中：cqy′為原煤運(yùn)輸單價(jià)，元（/m3·km）；cqb′為剝離物運(yùn)輸單價(jià)，元（/m3·km）。

破碎站移設(shè)的補(bǔ)償效果Y 為：

式中：cny為移設(shè)破碎站時(shí)的運(yùn)輸系統(tǒng)總費(fèi)用。

滿足破碎站移設(shè)費(fèi)用補(bǔ)償?shù)淖钚∫圃O(shè)步距為：

式中：v 為工作線推進(jìn)速度，m/a；Q 為半連續(xù)工藝系統(tǒng)的生產(chǎn)能力，m3/a。

根據(jù)天池能源南露天煤礦生產(chǎn)參數(shù)，通過上述模型計(jì)算得出北幫一號(hào)原煤破碎站經(jīng)濟(jì)合理移設(shè)步距為870 m，按照300 m 的年推進(jìn)度，約3 年移設(shè)1次，移設(shè)期為6 個(gè)月，考慮移設(shè)期間的推進(jìn)度，礦坑內(nèi)需要滿足的水平距離為1 020 m。

4 1#原煤破碎站移設(shè)方案

4.1 方案提出

1#破碎站布置在北幫430 m 水平上，到2020 年年底，內(nèi)排土場(chǎng)初步建立，內(nèi)排土場(chǎng)北側(cè)430 m 水平到工作幫430 m 水平的距離為833 m，破碎站移設(shè)需要6 個(gè)月安裝調(diào)試期，即150 m 的推進(jìn)距離，則該水平剩余寬度僅為683 m，這意味著1#破碎站布置的水平距離小于其經(jīng)濟(jì)合理移設(shè)步距，1#破碎站的移設(shè)步距受礦坑幾何尺寸限制，為該水平礦坑寬度減去6 個(gè)月的推進(jìn)度，該量每年都不相同，應(yīng)該按照移設(shè)年的具體情況詳細(xì)計(jì)算，在此不做詳細(xì)論述。

按照年產(chǎn)量30 Mt 原煤計(jì)算，南露天礦的年推進(jìn)度約為300 m，2021 年底內(nèi)排土場(chǎng)北側(cè)430 m 水平到1#破碎站的距離為458 m，約為1.5 年的推進(jìn)度，考慮破碎站移設(shè)需要的時(shí)間，1#破碎站應(yīng)于2020 年末開始移設(shè)，直接布置于2020 年末工作幫位置，2021 年中期完成移設(shè)和設(shè)備調(diào)試。移設(shè)布置水平有2 個(gè)方案：①方案1：同水平移設(shè)（430 m 水平）；②方案2：同2#破碎站水平（475 m 水平）。

4.2 方案對(duì)比

方案2 相比方案1，水平距離滿足經(jīng)濟(jì)合理移設(shè)步距要求，但是增加了45 m 提升運(yùn)距，1#破碎站的能力為1 500 萬t/a，按照煤密度1.24 t/m3計(jì)算，年破碎體積約為1 209 萬m3。按照每百米提升運(yùn)費(fèi)0.8 元/m3計(jì)算，每年因提升運(yùn)距增加而多花費(fèi)的運(yùn)費(fèi)約為435 萬元。優(yōu)化的移設(shè)間隔時(shí)間為3 年，430 m 水平間隔時(shí)間為1.5 年，一次移設(shè)的費(fèi)用為1 000萬元，布置水平提高平均每年減少的移設(shè)費(fèi)用為333 萬元。相比每年多花費(fèi)的提升費(fèi)用為435 萬元，增加成本每年約102 萬元。

因此將1#破碎站繼續(xù)布置到430 m 水平在經(jīng)濟(jì)上是合理的，提升到足夠移設(shè)的水平雖然能減少移設(shè)費(fèi)用，但是增加了提升運(yùn)費(fèi)，提升布置水平每年約多花費(fèi)102 萬元。

1#破碎站帶式輸送機(jī)和2#破碎站帶式輸送機(jī)按現(xiàn)有搭接方式會(huì)出現(xiàn)交叉，由于2#破碎站帶式輸送機(jī)上部填方高度較高，下部未預(yù)留涵洞，所以應(yīng)避免膠帶交叉。經(jīng)研究，推薦使用調(diào)整搭接頭位置的方案，即：將2#破碎站現(xiàn)有帶式輸送機(jī)延伸搭接到移設(shè)后的1#破碎站上，將新鋪設(shè)的帶式輸送機(jī)搭接到2#破碎站上。

5 結(jié)語

1）通過建立原煤半連續(xù)系統(tǒng)破碎站移設(shè)模型，確定了南露天煤礦1#原煤破碎站的經(jīng)濟(jì)最優(yōu)移設(shè)步距870 m，受限于工程地質(zhì)條件和剝離、采煤、排土的時(shí)間和空間關(guān)系影響，保證排土工程接續(xù)，又要使移設(shè)步距盡可能經(jīng)濟(jì)合理以降低生產(chǎn)成本，保證礦山生產(chǎn)效益最大化。

2）結(jié)合南露天煤礦內(nèi)排情況，提出了1#原煤破碎站在礦坑空間受限的條件下同水平、小步距移設(shè)的設(shè)計(jì)方案，對(duì)比分析了不同方案的經(jīng)濟(jì)性，論證了1#原煤破碎站采用同水平、短步距移設(shè)的科學(xué)性、合理性。

3）1#破碎站移設(shè)方案為露天煤礦在受限于工程地質(zhì)條件和礦坑空間條件的影響下，以技術(shù)可行，經(jīng)濟(jì)合理的開展破碎站移設(shè)工程提供了科學(xué)的依據(jù)，對(duì)國(guó)內(nèi)外傾斜巨厚煤層露天煤礦坑下原煤破碎站移設(shè)具有借鑒意義。