大型露天礦山粗碎運輸系統(tǒng)擴能技術改造

王 麒，劉 威，王 懷

北方礦業(yè)有限責任公司 北京 100053

國 內(nèi)某大型露天礦山從持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略出發(fā)，適時提出了依據(jù)已有資源對礦山進行挖潛擴能改造、充分回收資源、加大規(guī)模效益的目標。通過優(yōu)化采礦設計、增加采礦設備、改造采場環(huán)形供電、增加電動輪汽車保養(yǎng)車間等技改措施，計劃將礦山生產(chǎn)規(guī)模從目前的設計產(chǎn)能 4.5 萬 t/d 提高到 5.4 萬 t/d。其中，該礦山原礦石粗碎運輸系統(tǒng)采用電動輪汽車運輸—粗碎站破碎—帶式輸送機運輸方案，近 4 a 來，該運輸方案的平均生產(chǎn)能力為 3.4 萬～3.8 萬 t/d，礦山產(chǎn)能到達了瓶頸期，礦石粗碎運輸系統(tǒng)必須進行改造。筆者對露天礦山粗碎運輸系統(tǒng)擴能改造過程中產(chǎn)生的一系列問題進行探討。

1 礦石粗碎運輸系統(tǒng)簡述

采場采出的礦石直接通過電動輪汽車運至礦石粗碎站，經(jīng)旋回破碎機破碎后通過 1 條帶式輸送機 (以下稱 1號帶式輸送機) 送至選礦廠粗礦堆?，F(xiàn)有粗碎站位于露天采場東北側最終境界線外，卸礦地坪標高220.0 m。站內(nèi)安裝 1 臺國產(chǎn) 5474 型旋回破碎機，設計生產(chǎn)能力為 3 000 t/h (4.5 萬 t/d)，但一直未達標。

與粗碎站配套的 1 號帶式輸送機水平長度為2 010.9 m，提升高度為 163.260 m，帶寬為 1 200 mm，帶速為 4.5 m/s，設計輸送能力為 3 600 t/h?？紤]到礦山擁有資源量大，有擴產(chǎn)潛力，設計時留有一定富余。但由于采礦生產(chǎn)能力受破碎機能力的限制，破碎機生產(chǎn)能力始終未達到 4.5 萬 t/d，所以，1 號帶式輸送機的實際運輸能力還不能確定。

2 粗碎站擴能改造

2.1 粗碎站廠址選擇

露天采場位于突起較高的丘陵地帶，四面環(huán)山。目前露天采場采出的礦石由電動輪汽車運往位于礦區(qū)東北角的礦石粗碎站，破碎后的礦石通過 1 號帶式輸送機運往選礦廠，因此，新建礦石粗碎站的廠址要考慮利用原有礦石運輸系統(tǒng)。經(jīng)研究，礦石粗碎站廠址選擇方案有 2 個：方案 1 是在礦區(qū)東南側采場附近新建礦石粗碎站Ⅰ，距離采場最終境界線約 150 m，卸礦標高為 165.0 m；方案 2 是在現(xiàn)有礦石粗碎站西南方向約 60 m 處新建礦石粗碎站Ⅱ，卸礦標高為 220.0 m。方案 1 的優(yōu)點是卸礦標高降低了 55.0 m；運礦卡車的坑內(nèi)運輸水平距離減少了 800 m，節(jié)省了汽車運輸成本。缺點是粗碎站Ⅰ所處位置距離采礦工業(yè)場地近，礦石運輸和破碎產(chǎn)生的噪聲和粉塵對大修場地有影響；增加 1 條轉載帶式輸送機 (以下稱 2 號帶式輸送機) 將礦石轉載到 1 號帶式輸送機，增加了前期投資。但考慮到汽車運輸成本對礦山收益的影響比較大，推薦方案 1。

2.2 粗碎站形式選擇

新建礦石粗碎站有移動破碎站、半移動破碎站和固定破碎站 3 種方式[1]可供選擇。

(1)移動破碎站 一般布置在采掘工作面內(nèi)，本身具有行走機構，隨挖掘機一起向前推進。移動破碎站多采用輪胎拖掛式和履帶自行式[2]。目前，在金屬礦山中礦石粗碎只有配置顎式破碎機的移動破碎站。旋回破碎機由于其工作時水平方向的轉矩大，設備質(zhì)量大，目前還沒有采用旋回破碎機的移動破碎站。根據(jù)設備廠家提供的數(shù)據(jù)，截至目前，移動破碎站配置處理能力最大的 C160 型顎式破碎機，能夠破碎的礦石最大尺寸為 1 000 mm，處理量為 520～980 t/h。而露天采場的最大給料尺寸為 1 200 mm，要求處理能力在 1.6 萬 t/d 以上。因此，配置顎式破碎機的移動破碎站在處理最大礦石塊度和處理能力上均不能滿足要求。

(2)半移動破碎站 設置于采掘工作面附近，移動不如移動破碎站那樣頻繁，往往幾年才移動一次[2]。半移動破碎站可配置顎式破碎機或旋回破碎機。采用顎式破碎機的半移動破碎站包括給料漏斗、給料機、旁通漏斗、顎式破碎機、排料輸送帶、液壓碎石機、鋼結構機架等。配置 C200 型顎式破碎機的單套半移動破碎站總重約 300 t。礦山現(xiàn)有粗碎運輸系統(tǒng)能力為 3.8 萬 t/d，要達到 5.4 萬 t/d 的生產(chǎn)能力，需要增加 2 套配置 C200 型顎式破碎機的半移動破碎站。采用旋回破碎機的半移動破碎站包括給料倉、旋回破碎機、卸料倉、排料輸送帶、液壓碎石機、鋼結構機架、礦車棧橋等。配置 6089 型旋回破碎機的單套半移動破碎站總重約 1 590 t，與設備廠家詢價了解到，半移動破碎站的投資要高于固定破碎站。

(3)固定破碎站 設置于露天采場境界外，初期投資較半移動破碎站少。固定破碎站位于礦石開采的中心，電動輪汽車的運輸距離在合理經(jīng)濟運距以內(nèi)，破碎站建成后可不再進行移設，而且該礦山長期使用固定破碎站，在生產(chǎn)管理方面有豐富經(jīng)驗。所以綜合考慮，推薦采用固定破碎站。

2.3 破碎機選型

在現(xiàn)有破碎能力 3.8 萬 t/d 的基礎上將產(chǎn)能增加到 5.4 萬 t/d，需新增產(chǎn)能 1.6 萬 t/d?？紤]到礦山開采到深部后，礦石變硬以及含水率的變化，將會導致礦石通過時間增加，因而新增產(chǎn)能按 2.0 萬 t/d 考慮更加合理。根據(jù)礦石特性、給料尺寸、排料尺寸和處理能力的要求，本次擴能改造考慮 2 種方案：一是新建一個小型粗碎站，和現(xiàn)有粗碎站同時工作，共同完成 5.4 萬 t/d 破碎能力；二是新建一個粗碎站，現(xiàn)有粗碎站最終停用或作為備用。2 種方案的主要優(yōu)缺點和技術可行性如下。

(1)方案 1 新建一個小型粗碎站，選用 1 臺國產(chǎn) 5474 型旋回破碎機或 2 臺進口 C200 型顎式破碎機，均能滿足要求。前者在投資上占有優(yōu)勢。

(2)方案 2 新建一個粗碎站，選用 6089 型旋回破碎機，現(xiàn)有粗碎站最終停用或作為備用。該方案管理更加簡單，礦石不需要運往 2 個破碎站進行破碎，集中破碎更加便于操作和管理，并且減少了生產(chǎn)過程中的設備備品備件。

2.4 粗碎站擴能改造方案確定

根據(jù)前述的粗碎站廠址方案和粗碎站配置，組合成 4 個改造方案，具體如表 1 所列，各方案的投資和經(jīng)濟合理性分析如表 2 所列[3]。

表1 粗碎站各方案比較Tab.1 Comparison of each primary crushing station schemes

表2 運輸方案技術經(jīng)濟性比較Tab.2 Technical and economic comparison of delivery schemes

從凈現(xiàn)值比較結果可以看出，礦石運輸費用是關系到方案優(yōu)劣的主要因素。經(jīng)多方面綜合比較，認為方案 1 比其他方案更加合理。因此，本次可行性研究推薦方案 1，即在礦區(qū)東南側 165 m 采礦工業(yè)場地附近新建一座礦石粗碎站，站內(nèi)配置 6089 型旋回破碎機。

3 輸送系統(tǒng)改造

3.1 輸送線路的確定及優(yōu)化

在新建破碎站處布置 2 號帶式輸送機，破碎后的礦石通過 2 號帶式輸送機轉運至現(xiàn)有 1 號帶式輸送機。2 號帶式輸送機的布置需要考慮與現(xiàn)有 1 號帶式輸送機尾部的搭接位置。1 號帶式輸送機尾部位于現(xiàn)有破碎站底部，尾部硐室內(nèi)布置了帶式輸送機的受料部分、尾部滾筒及支架、張緊裝置等。考慮到 1 號帶式輸送機輸送帶的更換和檢修，其尾部后面設有檢修硐室，檢修硐室內(nèi)空間充足并設有起吊設備。因此將2 號帶式輸送機頭部卸料處與現(xiàn)有 1 號帶式輸送機尾部的搭接位置布置在檢修硐室內(nèi)。為滿足搭接要求，1 號帶式輸送機向尾部延伸約 40 m。

此方案的優(yōu)點是 2 號帶式輸送機頭部與驅動硐室的位置與現(xiàn)有粗碎站及 1 號帶式輸送機尾部硐室很近，可利用現(xiàn)有的硐室和起吊設備進行設備安裝和檢修。缺點是 2 號帶式輸送機輸送線路與采場內(nèi)道路干涉，且有 2 處穿過回填土區(qū)域，總長度約 120 m。就該方案的可行性與采礦場及施工單位進行了溝通與討論，認為此方案風險大，施工難度大、費用高，建議 2 號帶式輸送機輸送線路避開回填土范圍。經(jīng)過研究，調(diào)整 1 號帶式輸送機尾部延伸長度及 2 條帶式輸送機搭接角度，以避開回填土范圍，方案如圖 1 所示。

圖1 帶式輸送機輸送線路方案示意Fig.1 Sketch of belt conveyor delivery route scheme

3.2 2 號帶式輸送機

根據(jù)新建礦石粗碎站與 2 號帶式輸送機頭部搭接位置的空間關系，確定 2 號帶式輸送機水平長度為 709 m，與 1 號帶式輸送機的水平夾角約為106.279°，頭部標高為 195.2 m，尾部標高為 129.0 m，垂直提升高度為 66.2 m。2 號帶式輸送機按 5.4萬 t/d (3 600 t/h) 運輸能力進行設計，系統(tǒng)布置如圖 2所示，主要參數(shù)如表 3 所列。

圖2 2 號帶式輸送機系統(tǒng)布置Fig.2 Layout of No.2 belt conveyor system

由表 3 可知，帶式輸送機滿載運行時軸功率為1 140 kW，計算電動機功率為 1 340 kW。設計采用雙滾筒雙電動機驅動，功率配比為 1∶1 時，第一驅動滾筒張力比S1/S1-2=1.55，第二驅動滾筒張力比S1-2/S2=2.20，滿足輸送帶不打滑要求。共設有 2 套驅動單元，布置在頭部驅動硐室內(nèi)，采用直交軸布置形式。

表3 2 號帶式輸送機主要參數(shù)Tab.3 Main parameters of No.2 belt conveyor

3.3 1 號帶式輸送機

新建礦石粗碎站后，破碎的礦石需要通過 2 號帶式輸送機轉運至 1 號帶式輸送機上，增加了一個新的物料轉載點?？紤]到 2 號帶式輸送機需避開輸送線路上的回填土區(qū)域，需要將 1 號帶式輸送機沿其尾部方向延長 179.1 m。為保證 1 號帶式輸送機改造后不增加物料的提升阻力，其尾部滾筒標高盡可能保持不變，尾部沿水平方向向后延伸，與原有的傾斜段采用弧段過渡，凹弧半徑為 500 m。1 號帶式輸送機系統(tǒng)布置如圖 3 所示，帶式輸送機延伸前后的主要參數(shù)如表 4 所列。

圖3 1 號帶式輸送機系統(tǒng)布置Fig.3 Layout of No.1 belt conveyor system

表4 1 號帶式輸送機延伸前后主要參數(shù)對比Tab.4 Comparison of main parameters of No.1 belt conveyor before and after extension

3.3.1 帶式輸送機系統(tǒng)核算

為確保 1 號帶式輸送機延長后能達到設計產(chǎn)量，需要計算其運行阻力和輸送帶張力變化，核算驅動功率、輸送帶強度及輸送帶打滑條件等。為此，在系統(tǒng)設計前對 3 臺電動機的運行功率進行了收集。根據(jù) 1 號帶式輸送機在滿載運行工況時的電動機功率和帶速，推算出設備運行時的實際托輥阻力系數(shù)f=0.009 5。同理，半載運行工況時，f=0.015 6；空載運行工況時，f=0.015 5，均小于設計手冊中的推薦值[4]。因此，本次改造設計托輥阻力系數(shù)f=0.020 0，符合設備的實際運行情況，主要參數(shù)如表 5 所列。

表5 1 號帶式輸送機的主要參數(shù)Tab.5 Main parameters of No.1 belt conveyor

經(jīng)計算，延伸后 1 號帶式輸送機滿載運行時軸功率為 2 376 kW，計算電動機功率為 2 943 kW，帶式輸送機現(xiàn)有驅動單元采用 3×1 120 kW，電動機滿足最大負荷時的功率要求。設計采用雙滾筒三電動機驅動，功率配比為 2∶1 時，第一驅動滾筒張力比S1/S1-2=2.09，第二驅動滾筒張力比S1-2/S2=2.24，滿足輸送帶不打滑要求。輸送帶最大張力為 674 kN，輸送帶安全系數(shù)為 8.01，符合安全規(guī)程要求。1 號帶式輸送機延伸后滿載啟制動、滿載運行及空載制動下的張力核算如圖 4 所示。

圖4 帶式輸送機各點張力變化Fig.4 Tension variation at each point of belt conveyor

計算結果顯示，1 號帶式輸送機沿其尾部方向延長 179.1 m 后，輸送帶張力較延伸前變化不大，輸送帶安全系數(shù)滿足要求。帶式輸送機尾部局部改造僅需要增加少量中間架支腿、托輥和一個轉載點，輸送帶長度增加約 400 m，對礦山生產(chǎn)影響不大。

3.3.2 輸送帶橫截面積利用率核算

物料在輸送帶上的橫截面積利用率φ核算主要計算參數(shù)和簡圖如圖 5 所示。

圖5 輸送帶截面及參數(shù)Fig.5 Belt cross-section and parameters

為保證正常輸送條件下不撒料，按式(2)～(4)分別計算A1、A2、A3，代入式(1)求得輸送帶上允許的物料最大橫截面積A=0.200 076 m2。

式中：B為帶寬，B=1 200 mm；b為輸送帶可用寬度，b=1 000 mm；L3為中間輥長度，L3=465 mm；θ為物料運行堆積角，θ=25°；λ為托輥槽角，λ=35°，Q為小時輸送量，Q=3 600 t/h；v為帶速，v=4.5 m/s；ρ為物料松散密度，ρ=1.69 t/m3。

按設計輸送量Q=3 600 t/h 計算物料實際橫截面積q=Q/3 600vρ=0.131 492 m2，實際運行中物料在輸送帶上的橫截面積利用率φ=q/A=65.72%[4]。

按照以往工程經(jīng)驗，輸送帶上的橫截面積利用率一般控制在 60% 以內(nèi)。從設計的合理性等方面考慮，應對 1 號帶式輸送機進行相應的技術改造，如增加帶寬、提高帶速等，但勢必會給生產(chǎn)帶來較大影響。經(jīng)過仔細驗算，1 號帶式輸送機理論上能完成 5.4萬 t/d 的運輸任務，但對設備管理、運行時間和系統(tǒng)的維護、保養(yǎng)等工作提出了更高的要求。現(xiàn)場應加強生產(chǎn)調(diào)度管理，增加采場采運設備數(shù)量，降低給料不均衡對帶式輸送機工作時間的影響。按系統(tǒng)正常運轉18 h/d，給料不均系數(shù)由 1.2 降至 1.1 時，帶式輸送機輸送量達到 3 300 t/h 即可滿足生產(chǎn)要求，此時物料在輸送帶上的橫截面積利用率為 60.24%。

4 技改存在問題及改進措施

項目技改投產(chǎn)后出現(xiàn)了兩個較大問題，需進一步采取改進措施，也提醒我們進行技改設計時要認真思考。

(1)帶式輸送機尾部硐室排水設計考慮不周全固定破碎站是下挖結構，新增帶式輸送機尾部標高位于地面以下深約 40 m 處。技改初期，露天采坑底部標高比帶式輸送機尾部硐室標高要高，導致周邊匯水滲透匯集至帶式輸送機尾部硐室內(nèi)，但設計時只按常規(guī)選擇了較小的排水設備。汛期時排水量激增，險情出現(xiàn)后，設計單位配合礦方迅速對排水方案進行了調(diào)整，加大了尾部集水池有效容積，并增設大流量排水設備，避免了設備被淹的情況發(fā)生。隨著露天采礦工作面的推進，直到露天采坑底部標高降至帶式輸送機尾部硐室標高以下，水流方向發(fā)生變化，帶式輸送機尾部的匯水才逐漸減少。

(2)帶式輸送機轉運漏斗設計不合理 新增 2號帶式輸送機帶速為 5.4 m/s，帶寬為 1 200 mm，帶速高、帶寬窄，運行時轉運漏斗內(nèi)礦石飛濺，致使襯板磨損嚴重。另外，轉運漏斗容積偏小，帶式輸送機急停時，因慣性導致輸送帶上的礦石落入轉運漏斗內(nèi)，無法合理引導和緩沖，造成礦石堆料高度超過輸送帶兩側邊緣高度，重新啟動 1 號帶式輸送機時礦石撒落現(xiàn)象嚴重。針對上述情況，提出了漏斗改造方案，將漏斗前部與物料接觸處加工成臺階形狀，使得物料的落料點能夠實現(xiàn)料打料，增加緩沖。通過料流模擬計算，將漏斗延長 1.5 m，兩側側板各加寬 0.5 m，頭部滾筒向輸送帶運行方向反向移動 1.0 m，加大漏斗容積，增加緩沖作用；同時從系統(tǒng)控制上加以調(diào)整，延長 2 條帶式輸送機停車的時間差，避免帶式輸送機急停導致積料的情況出現(xiàn)。

5 結語

自 2019 年技改項目投產(chǎn)以來，礦石粗碎運輸系統(tǒng)達到了 5.4 萬 t/d 的設計產(chǎn)能，實現(xiàn)了擴產(chǎn)目標；同時縮短了電動輪卡車至破碎站的地表運輸距離，減少了卡車運輸費用。經(jīng)測算，該項目在增加礦石處理能力的同時，每年還可節(jié)省經(jīng)營成本 1 079 萬元，為礦山帶來了較好的經(jīng)濟效益。