輪斗連續(xù)系統(tǒng)在芒萊露天礦首采區(qū)松散層的應(yīng)用

楊 旭

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

芒萊露天礦首采區(qū)現(xiàn)有開采方向?yàn)橄蚰舷驏|L型推進(jìn)，期間上部松散層先由單斗－卡車工藝完成，達(dá)產(chǎn)第4 年工作線完全轉(zhuǎn)入由西向東推進(jìn)后，上部松散層剝離采用輪斗連續(xù)工藝。根據(jù)地質(zhì)勘探情況分析，首采區(qū)工作線轉(zhuǎn)向由西向東推進(jìn)后松散層厚度增大，而且橫采條件下內(nèi)排跟進(jìn)滯后，單斗－卡車間斷工藝完成內(nèi)排工作運(yùn)距較大[1]。為此，對上部松散層剝離是否具備輪斗連續(xù)工藝的可行性進(jìn)行定性與定量分析。

1 松散層賦存條件

芒來露天礦位于錫林郭勒盟蘇尼特左旗，行政區(qū)劃隸屬于蘇尼特左旗賽汗高畢蘇木。區(qū)內(nèi)地形北向東趨勢高，南向西趨勢低，標(biāo)高為1 023～913 m，高差為110 m。礦區(qū)地形較平坦，局部坑洼。開采范圍內(nèi)煤巖分布最上部為表土、中部為巖石層和主采煤層。其中松散層為表土，中部巖石層為砂巖、泥質(zhì)粉砂巖，自然狀態(tài)下較為堅(jiān)固，煤層為全區(qū)可采煤層B煤，屬于褐煤二號。露天開采范圍內(nèi)，松散層平均厚度為30～50 m。

1）松散層賦存特征。對表土層剝離工藝進(jìn)行選擇，確保所選剝離工藝發(fā)揮最大效果。依據(jù)芒萊露天礦地質(zhì)數(shù)據(jù)，運(yùn)用三維地質(zhì)建模軟件對首采區(qū)表土地質(zhì)模型進(jìn)行了構(gòu)建[2]，繪制出松散層厚度等值線。通過分析松散層厚度等值線可知首采區(qū)松散層厚度特點(diǎn)：在北部煤層露頭附近，僅有10～20 m；北部開采深度小，在開采范圍內(nèi)向西南、南、東覆蓋層逐漸加厚，開采深度變大。通過分析地表模型，地表較為平緩，基本沒有大的起伏或沖溝出現(xiàn)；地表松散層近水平賦存。

2）水文地質(zhì)情況。從現(xiàn)有的松散層地質(zhì)賦存條件來看，松散層厚度30～50 m，且賦存較為平緩，無沖溝及間斷現(xiàn)象。無大規(guī)模長久性地表水體及地下水露頭，局部低洼地帶分布有季節(jié)性堿湖或沼澤，所以首采區(qū)范圍內(nèi)布置輪斗系統(tǒng)滿足連續(xù)工藝要求。

2 首采區(qū)松散層工程量

根據(jù)建立的芒萊露天礦三維模型，露天煤礦范圍內(nèi)首采區(qū)表土量為170.79 Mm3。按年產(chǎn)能500 萬t計(jì)算，以達(dá)產(chǎn)第4 年采運(yùn)排工程位置為輪斗起始作業(yè)位置，按照達(dá)產(chǎn)年后每年推進(jìn)度為250 m 計(jì)算。得出首采區(qū)輪斗連續(xù)系統(tǒng)剝離表土量見表1，首采區(qū)表土剝離量與輪斗連續(xù)系統(tǒng)年能力之間的關(guān)系如圖1。

表1 首采區(qū)松散層250 m 步距剝離量統(tǒng)計(jì)表

由圖1 和表1 可知，從達(dá)產(chǎn)第4 年年底開始到首采區(qū)開采終了，每推進(jìn)250 m 時，首采區(qū)松散層每年剝離量變化程度很大。輪斗每年剝離量大多數(shù)都能滿足2 套輪斗年生產(chǎn)能力。由此可見，首采區(qū)松散層剝離量滿足2 套輪斗連續(xù)工藝能力。

圖1 2020 年以后每推進(jìn)250 m 松散層剝離量變化趨勢圖

3 松散層剝離工藝

1）輪斗連續(xù)工藝。礦區(qū)范圍內(nèi)表土松軟，挖掘前無需爆破環(huán)節(jié)，含水量少，物料條件滿足輪斗挖掘機(jī)的要求，適合采用輪斗連續(xù)系統(tǒng)。輪斗挖掘機(jī)工作允許坡度為1∶20，松散層底板大部分滿足輪斗挖掘機(jī)的要求。在輪斗挖掘機(jī)負(fù)責(zé)的表土剝離范圍內(nèi)，生產(chǎn)前5 年，輪斗工藝的年剝離量7 309.45 萬m3，生產(chǎn)第6年至第11 年，輪斗工藝的年剝離量9 769.93 萬m3。鑒于綜合考慮表土盡可能采用輪斗工藝剝離，最大發(fā)揮輪斗挖掘機(jī)后期的利用率，確定輪斗連續(xù)系統(tǒng)年生產(chǎn)能力為600 萬m3／a。基于表土厚度和適宜的年剝離量，選用2 臺理論生產(chǎn)能力為600 萬m3/a 的輪斗挖掘機(jī)。為簡化工藝系統(tǒng)和減少帶式輸送機(jī)長度，黃土層劃分2 個組合臺階，每一組合臺階布置2臺輪斗挖掘機(jī)，配1 套帶式輸送機(jī)，此系統(tǒng)共2 套[3]。

2）單斗－卡車工藝。首采區(qū)松散層剝離使用單斗-卡車間斷工藝進(jìn)行開采。挖掘機(jī)選擇3 m3液壓挖掘機(jī)，配合60 t 級自卸卡車運(yùn)輸。

3）首采區(qū)松散層剝離工藝選擇?；诿⑷R露天礦表土賦存條件、水文地質(zhì)特征以及氣候條件，輪斗系統(tǒng)滿足布置要求。輪斗工藝的前期投資額較大，投產(chǎn)后運(yùn)營成本較低。輪斗連續(xù)系統(tǒng)所需人員少，節(jié)約了勞動力成本和生產(chǎn)安全費(fèi)用，設(shè)備磨耗降低，備件標(biāo)準(zhǔn)化制造[4]。如使用單斗－卡車工藝則增加了采裝、運(yùn)輸環(huán)節(jié)，工藝環(huán)節(jié)多，生產(chǎn)成本較大，人員較多，不利于生產(chǎn)成本的控制和安全管理[5]，輪斗工藝為最優(yōu)工藝。首采區(qū)上部松散層在2 套輪斗作業(yè)的基礎(chǔ)上，松散層其余部分全部由單斗－卡車工藝完成。

4 輪斗挖掘機(jī)設(shè)備選型及系統(tǒng)布置

4.1 輪斗挖掘機(jī)機(jī)型和臺數(shù)

芒萊露天礦地形簡單，表土厚度分布均勻，厚度大約在30～50 m。雖然大型輪斗具備滿足一次采整個臺階的作業(yè)條件，但是松散層只布置1 套大型輪斗連續(xù)系統(tǒng)，并且國內(nèi)應(yīng)用大型輪斗的露天礦屈指可數(shù)，一旦輪斗發(fā)生系統(tǒng)故障，會導(dǎo)致露天礦上部松散層剝離停止不前，從而影響下部煤層開采。另外，由于大型輪斗設(shè)備規(guī)格偏大，作業(yè)不靈活，這些都是大型輪斗設(shè)備的劣勢。針對上述條件的制約，芒萊露天礦的表土層計(jì)劃采用2 個組合臺階進(jìn)行松散層剝離，每個組合臺階工作線布置1 臺小型輪斗，輪斗挖掘機(jī)機(jī)型選擇是國內(nèi)自主研發(fā)的DWY3000 型全液壓輪斗挖掘機(jī)[6]。小型輪斗質(zhì)量較輕，造價成本較低，外形較小，移動靈活，小型輪斗的最大優(yōu)勢體現(xiàn)在重量較輕、靈活性強(qiáng)等特點(diǎn)。

4.2 輪斗系統(tǒng)布置方式

1）輪斗系統(tǒng)布置方案設(shè)計(jì)。輪斗連續(xù)系統(tǒng)采用2組組合臺階，分組分層完成2 組組合臺階的剝離工作。組合臺階分為上、下部臺階，上部臺階高度為10 m，下部臺階高度為10 m，2 組組合臺階總高度為20 m，采掘帶寬度為25 m，臺階坡面角為65°，最小作業(yè)平盤寬度為120 m。首采區(qū)應(yīng)用2 套輪斗工藝系統(tǒng)，采用二機(jī)一線布置，輪斗挖掘機(jī)采用端工作面方式采掘，采用組合臺階方式。輪斗系統(tǒng)二機(jī)一線設(shè)備布置示意圖如圖2。

圖2 輪斗系統(tǒng)二機(jī)一線設(shè)備布置示意圖

2）輪斗挖掘機(jī)臺階布置。根據(jù)芒萊露天礦松散層賦存條件、輪斗挖掘機(jī)作業(yè)參數(shù)及礦方計(jì)劃開采范圍，確定松散層剝離范圍，采用組合臺階進(jìn)行剝離，為減少移動次數(shù)，采用三采一移的推進(jìn)形式。將帶式輸送機(jī)布置在主臺階工作面上，三采一移，輪斗連續(xù)工藝臺階組成要素如圖3。

圖3 輪斗連續(xù)工藝臺階組成要素

3）輪斗系統(tǒng)工作線長度的確定。根據(jù)每臺輪斗生產(chǎn)能力3 000 m3／h 和年有效工作小時數(shù)取2 000 h計(jì)算，2 套輪斗系統(tǒng)年生產(chǎn)能力總共為1 200 萬m3。為了保證輪斗生產(chǎn)能力，每年工作線長度必須穩(wěn)定且可持續(xù)發(fā)展。按照達(dá)產(chǎn)第4 年開始，每年工作面推進(jìn)距離大約為250 m 左右。按照每年推進(jìn)距離統(tǒng)計(jì)，工作面雙臺階總高度為20 m 時，達(dá)產(chǎn)第4 年工作線初始長度大約為1 470 m，取整數(shù)1 400 m 作為工作線初始長度。輪斗系統(tǒng)工作線長度取1 400 m 時，首采區(qū)輪斗連續(xù)系統(tǒng)可服務(wù)11 年。

5 松散層剝離應(yīng)用輪斗連續(xù)系統(tǒng)的必要性

1）人員安全。輪斗工藝的工作條件優(yōu)越，人員配置數(shù)量較少，增加了輪斗工藝操作人員的安全性[7]。因此芒萊露天礦采用輪斗工藝從人員安全上優(yōu)于單斗-卡車工藝。

2）高效的作業(yè)效率。輪斗連續(xù)系統(tǒng)從輪斗剝離、運(yùn)輸機(jī)輸送及排土機(jī)排土都是連續(xù)進(jìn)行工作，具有高效的作業(yè)效率，輪斗連續(xù)工藝的優(yōu)點(diǎn)適用于露天礦大規(guī)模表土剝離。間斷工藝的單斗挖掘機(jī)是間歇作業(yè)，有效挖據(jù)時間只占總時間的約1／3，在同等功率條件下，輪斗挖掘機(jī)的挖掘時間是單斗挖掘機(jī)的挖掘時間的1.5～2.5 倍[8]。因此芒萊露天礦首采區(qū)上部松散層剝離應(yīng)用輪斗工藝從生產(chǎn)效率上遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于單斗-卡車工藝。

3）智能化。在生產(chǎn)能力相同的條件下，輪斗整套系統(tǒng)自動化程度高、系統(tǒng)集成整合度高。因此芒萊露天礦采用輪斗工藝從智能化上優(yōu)于單斗－卡車工藝。

6 結(jié)語

1）達(dá)產(chǎn)第4 年后松散層厚度達(dá)到30～50 m，且地表較為平緩，基本沒有大的起伏或沖溝，首采區(qū)剝離范圍內(nèi)上部松散層厚度滿足二機(jī)一線系統(tǒng)工作臺階高度布置要求。

2）選用2 套國內(nèi)自主研發(fā)的DWY3000 型全液壓輪斗挖掘機(jī)，采用二機(jī)一線布置方式，最大程度上滿足首采區(qū)上部松散層剝離量，為整個露天礦做好上部松散層剝離保障工作。

3）根據(jù)首采區(qū)松散層賦存條件，最終上部松散層采用2 套輪斗連續(xù)系統(tǒng)工藝，下部松散層采用單斗－卡車工藝，使用2 種工藝組合剝離滿足現(xiàn)場實(shí)際生產(chǎn)需要。