勝利一號(hào)露天礦6#煤層采用輪斗連續(xù)工藝的探討

張 洪

（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）

近年來，隨著《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》、《國(guó)家能源集團(tuán)關(guān)于加快煤礦智能化建設(shè)的實(shí)施意見》、《關(guān)于促進(jìn)煤炭安全綠色開發(fā)和清潔高效利用的意見》等文件發(fā)布，“成本”和“環(huán)?！睂?duì)露天煤礦的雙重約束逐漸收緊，以電力作為主要驅(qū)動(dòng)的露天開采綠色開采工藝成為未來趨勢(shì)[1]。全連續(xù)、少人化、智能化已經(jīng)成為露天煤礦安全、綠色、高效、智能開采目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的迫切需求，因此，連續(xù)開采裝備的應(yīng)用已成為露天采礦技術(shù)發(fā)展的主要方向之一。與間斷工藝、半連續(xù)工藝相比，輪斗連續(xù)開采工藝是露天煤礦最易實(shí)現(xiàn)智能化、少人（無人）、安全、綠色、高效開采的一種開采工藝。

1 礦山概況

勝利一號(hào)露天礦距錫林浩特市6 km，行政區(qū)劃隸屬錫林浩特市寶力根蘇木，礦田面積34.36 km2，剩余可采儲(chǔ)量12.45 億t，服務(wù)年限40 年，該礦為1次設(shè)計(jì)分期實(shí)施，其中一期規(guī)模10 Mt/a，二期規(guī)模20 Mt/a，2020 年核準(zhǔn)工程規(guī)模28 Mt/a。主要可采煤層為5＃、6＃煤，占總儲(chǔ)量的90%以上，5＃煤層平均厚度為18 m，6＃煤層平均厚度為36 m，煤層傾角一般5°以內(nèi)，其中6＃煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、發(fā)熱量高，無需爆破。礦田水文地質(zhì)勘查類型為一類二型，工程地質(zhì)條件中等?？刹擅簩泳鶠楹置海骄l(fā)熱量為13.5 MJ/kg，屬于中灰～中低灰煤、低硫、低磷、中等發(fā)熱量，是良好的動(dòng)力用煤和民用煤[2]。

勝利一號(hào)露天礦煤層采用單斗－卡車－地表半固定式破碎站－帶式輸送機(jī)半連續(xù)開采工藝，剝離采用單斗－卡車間斷開采工藝。核準(zhǔn)工程是在二期規(guī)模20 Mt/a 基礎(chǔ)上，凈增8 Mt/a 產(chǎn)能，達(dá)到28 Mt/a生產(chǎn)能力，其間剝采總量高達(dá)120～160 Mm3。因此，開采工藝連續(xù)化、開采設(shè)備大型化是必然手段[3]。

2 輪斗連續(xù)工藝及適用條件

2.1 輪斗連續(xù)工藝應(yīng)用情況

輪斗連續(xù)開采工藝由輪斗挖掘機(jī)＋轉(zhuǎn)載機(jī)＋懸臂受料車＋帶式輸送機(jī)等系統(tǒng)組成，輪斗連續(xù)工藝適用于露天礦煤層開采、露天礦松散（土）層及軟巖剝離、松散物料的挖裝或倒堆及土地整理等，尤其在需要長(zhǎng)距離運(yùn)輸大宗物料時(shí)，采用連續(xù)工藝是較為經(jīng)濟(jì)、合理的運(yùn)輸方式[4]。

輪斗開采系統(tǒng)為連續(xù)開采工藝，即采掘、運(yùn)輸、排棄為一體、工作環(huán)節(jié)是連續(xù)的，它與間斷工藝、半連續(xù)工藝相比具有采掘連續(xù)作業(yè)，生產(chǎn)能力大、效率高的特點(diǎn)。

輪斗開采系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：①采后工作面形態(tài)規(guī)整；②輔助工序功耗低，操作簡(jiǎn)單，維修方便，開采成本低；③切削力大，采掘軟巖或煤層時(shí)無需穿孔爆破，安全性好，容易實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化管理[5]；④效率高、消耗低、保護(hù)環(huán)境，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化[6]。

輪斗開采系統(tǒng)的缺點(diǎn)：①設(shè)備初期投資大，準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)，要求條件苛刻；②連續(xù)工藝時(shí)，為串聯(lián)系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)的可靠性要求高；③對(duì)物料物理力學(xué)性質(zhì)和氣候等條件較為敏感；④出動(dòng)率、管理水平和維修水平要求高[7]。

2.2 輪斗系統(tǒng)適應(yīng)性

6＃煤層天然抗壓強(qiáng)度為平均值10.37 MPa，點(diǎn)載荷強(qiáng)度平均值0.44 MPa，屬于屬中硬類煤層，對(duì)地比壓不小于0.1 MPa。煤層傾角小于5°，全區(qū)內(nèi)差異不大，地質(zhì)構(gòu)造較簡(jiǎn)單，無大的斷層，煤層、煤質(zhì)、水文地質(zhì)條件變化不大。煤層底板巖性主要為泥巖、砂質(zhì)泥巖和細(xì)砂巖組成，局部發(fā)育砂礫巖，抗壓強(qiáng)度2.09～11.1 MPa。全區(qū)可采較穩(wěn)定煤層，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需選采。首采區(qū)內(nèi)6＃煤厚度22～40 m，全區(qū)6＃煤層平均厚度31 m。夾矸在1～7 層，夾矸厚度為0.1～0.61 m，且大部分在0.5 m 以下，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。通過對(duì)輪斗關(guān)鍵部位材料改進(jìn)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，解決冬季易出現(xiàn)生產(chǎn)凍粘堵等問題。

綜上，6＃煤層硬度適中、厚度大，具備適合輪斗連續(xù)開采工藝的先天條件，如能成功應(yīng)用，將首先建立特厚煤層輪斗連續(xù)系統(tǒng)“多機(jī)協(xié)同＋智能決策”的智能作業(yè)模式，也將是首次建立深大露天礦扇形轉(zhuǎn)向條件下的輪斗連續(xù)開采工藝系統(tǒng)。

3 輪斗系統(tǒng)生產(chǎn)能力確定

考慮設(shè)備保養(yǎng)、設(shè)備故障、帶式輸送機(jī)工藝應(yīng)用時(shí)間、氣候影響、初停產(chǎn)及系統(tǒng)各環(huán)節(jié)之間的影響等因素，綜合確定勝利一號(hào)露天礦輪斗連續(xù)工藝年工作小時(shí)數(shù)為3 600 h。按生產(chǎn)規(guī)劃2022 年勝利一號(hào)露天礦生產(chǎn)規(guī)模將達(dá)到28 Mt/a，其中作為主采煤層的6＃煤產(chǎn)量約為18 Mt/a。按優(yōu)化確定的采區(qū)劃分及開采順序，首采區(qū)向二采區(qū)的過渡方式為扇形過渡，經(jīng)過采區(qū)過渡方式的模擬推演，根據(jù)年生產(chǎn)能力計(jì)算，采煤工作線扇形端部的年推進(jìn)度最大約為600 m/a，扇形軸部的年推進(jìn)度約為40 m/a，如果對(duì)6＃號(hào)煤層布置全工作線進(jìn)行輪斗采掘，將導(dǎo)致扇形端部位置的設(shè)備頻繁移設(shè)，大大降低了設(shè)備的工作效率。

為了保證設(shè)備的平穩(wěn)生產(chǎn)，根據(jù)輪斗挖掘機(jī)的開采流程及移設(shè)步距（4 采1 移，移設(shè)步距100 m），輪斗采煤工作線年最大推進(jìn)度500 m，按年移設(shè)5次進(jìn)行能力計(jì)算。6＃煤層在首采區(qū)向二采區(qū)過渡期間的工作線長(zhǎng)度約為1 800～2 800 m，按照上述推進(jìn)強(qiáng)度計(jì)算，適合輪斗挖掘機(jī)采掘的區(qū)域在采煤工作線扇軸部的占比約為64%～85%，根據(jù)煤層厚度及推進(jìn)強(qiáng)度計(jì)算，輪斗完成的工程量約占6＃煤層總量的71.6%，即輪斗系統(tǒng)生產(chǎn)能力12.80 Mt/a，輪斗系統(tǒng)采煤范圍如圖1。

圖1 輪斗系統(tǒng)采煤范圍

輪斗挖掘機(jī)的有效生產(chǎn)能力是考慮在實(shí)際采掘工作面各種因素的影響條件下所能達(dá)到的小時(shí)生產(chǎn)能力。包括有設(shè)備自身采幅效率、地質(zhì)條件、非計(jì)劃性停機(jī)、輔助作業(yè)環(huán)節(jié)等影響，按6＃煤層輪斗系統(tǒng)總完成的工程量及有效工作時(shí)間設(shè)計(jì)，輪斗挖掘機(jī)的小時(shí)生產(chǎn)能力為：

式中：QA為理論生產(chǎn)能力，m3/h；QM為斗輪挖掘機(jī)年實(shí)際生產(chǎn)能力，Mt/a；TA為實(shí)際年生產(chǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間，取3 600 h；ρ 為煤密度，取1.02t/m3；KA為工作面系數(shù)，取0.7～0.9；KE為管理系數(shù)，取0.8～0.95；KT為理論生產(chǎn)能力利用系數(shù)，取0.5～0.8。

輪斗連續(xù)工藝要求每個(gè)環(huán)節(jié)都必須順暢、無故障，才能充分發(fā)揮其生產(chǎn)效能[8]，國(guó)產(chǎn)輪斗挖掘機(jī)生產(chǎn)能力計(jì)算參數(shù)如下：①理論能力(松方)：8 544 m3/h；②有效工作時(shí)間：3 600 h；③松散系數(shù)：1.3；④實(shí)方密度：1.33 t/m3；⑤松方密度：1.02 t/m3；⑥工作面系數(shù)：0.75；⑦管理系數(shù)：0.85；⑧理論生產(chǎn)能力利用系數(shù)：0.60；⑨計(jì)算單臺(tái)設(shè)備年能力：4 272 m3/h；⑩設(shè)計(jì)單臺(tái)取值設(shè)備能力：4 500 m3/h。

3.3 輪斗采煤工藝布置

勝利一號(hào)露天礦6＃煤層平均厚度為31 m，可將煤層分為2 個(gè)開采臺(tái)階，采用端工作面開采。2 臺(tái)輪斗挖掘機(jī)分別布置于6＃煤層的底板及中部，開采整個(gè)煤層。輪斗挖掘機(jī)布置在臺(tái)階的端部，按分層垂直切削方式開采作業(yè)，采掘帶寬25 m，各臺(tái)階分層開采高度4.0～5.0 m。經(jīng)計(jì)算，采用“4 采1 移”，臺(tái)階布置平盤寬度148 m。輪斗系統(tǒng)采煤工程量計(jì)算示意圖如圖2。

圖2 輪斗系統(tǒng)采煤工程量計(jì)算示意圖

首采區(qū)扇形轉(zhuǎn)向期間，輪斗系統(tǒng)的提升帶式輸送應(yīng)布置北幫附近，考慮到內(nèi)排量的影響，帶式輸送機(jī)布置應(yīng)盡量與北幫垂直。北端幫5＃煤臺(tái)階以上邊坡角度為14°、下部邊坡角度為17°，為不影響北端幫內(nèi)排運(yùn)輸通道，端幫提升帶式輸送機(jī)偽傾斜布置爬升至地面，地面帶式輸送機(jī)穿過內(nèi)排土場(chǎng)進(jìn)入地面生產(chǎn)系統(tǒng)。首采區(qū)北端幫內(nèi)排運(yùn)輸通路可通過搭橋的方式解決。根據(jù)首采區(qū)開采現(xiàn)狀，北幫既有運(yùn)輸通路10 個(gè)，可搭設(shè)橋涵5 處，實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)排土場(chǎng)的聯(lián)通，橋涵的結(jié)構(gòu)形式宜為鋼結(jié)構(gòu)。

由于采煤為全年連續(xù)作業(yè)，如冬季寒冷出現(xiàn)頂板凍結(jié)，可采用利用推土機(jī)完成0.2～0.5 m 的頂板褐煤的松動(dòng)[9]。

4 開采工藝對(duì)比分析

1）輪斗連續(xù)工藝。以2 套輪斗連續(xù)系統(tǒng)完成生產(chǎn)能力為12.0 Mt/a 為例，投資主要考慮2 臺(tái)SRS4500 型輪斗挖掘機(jī)（單臺(tái)4 800 萬元）、2 臺(tái)BRs4500 轉(zhuǎn)載機(jī)（單臺(tái)1 800 萬元）、2 臺(tái)懸臂受料車（單臺(tái)1 000 萬元）、工作面（帶寬1 600 mm）帶式輸送機(jī)（3 360 萬元）、端幫（帶寬1 800 mm）帶式輸送機(jī)（3 500 萬元）、2 臺(tái)移設(shè)機(jī)（單臺(tái)150 萬元）、5 座端幫跨膠帶橋（2 500 萬元）等設(shè)備投資約為29 980萬元[10]。SRS4500 型輪斗挖掘機(jī)的功率為3 800 kW、工作時(shí)間按3 600 h、電費(fèi)按0.5 元/（kW·h）、帶式輸送機(jī)運(yùn)距2.7 km、帶式輸送機(jī)運(yùn)費(fèi)按0.5 元/（t·km）等條件，輪斗挖掘機(jī)、帶式輸送機(jī)、人員的費(fèi)用分別為1 368 萬元、1 620 萬元、300 萬元，其它費(fèi)用598萬元，合計(jì)單位成本為3.25 元/t。

2）單斗－卡車間斷工藝。單斗－卡車間斷工藝采裝環(huán)節(jié)單位成本為1.79 元/t，運(yùn)輸環(huán)節(jié)單位成本為7.44 元/t（運(yùn)距4.5 km），破碎環(huán)節(jié)單位成本為0.83元/t，合計(jì)單位成本為10.06 元/t。

3）對(duì)比分析。輪斗連續(xù)工藝以電力驅(qū)動(dòng)，綠色環(huán)保，其生產(chǎn)過程連續(xù)，開采效率高，安全性高；生產(chǎn)過程中一方面減少了破碎環(huán)節(jié)，另一方面采用帶式輸送機(jī)運(yùn)輸實(shí)現(xiàn)“以電代油”，綜合開采成本低；定員30 人，單斗－卡車間斷工藝少45 人，更容易能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，易于實(shí)現(xiàn)智能化開采，屬于能耗低、碳排放少，粉塵污染少，相對(duì)清潔生產(chǎn)的綠色工藝。其投資為2.998 億元，估算綜合成本為3.25 元/t，比現(xiàn)行間斷工藝10.06 元/t 的綜合成本，節(jié)省6.28 元/t，年可節(jié)約8 000 萬元以上，多出的靜態(tài)投資可在4 年內(nèi)收回。

4）需注意的問題。6＃煤層采用輪斗連續(xù)工藝開采技術(shù)可行，并具有安全、高效、開采成本低的優(yōu)點(diǎn)，但應(yīng)用輪斗連續(xù)工藝系統(tǒng)的前提是必須保障西端幫的邊坡穩(wěn)定。在采區(qū)扇形轉(zhuǎn)向過渡中由于工作線兩端推進(jìn)度不一致，帶式輸送機(jī)與西端幫剝離運(yùn)輸系統(tǒng)存在立體交叉，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)管理相對(duì)復(fù)雜。

5 結(jié)語

輪斗連續(xù)工藝具有綠色、安全、高效、智能化強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，是露天礦山裝備大型化、集成化、智能化的必然選擇。研究表明勝利一號(hào)露天礦6＃煤層采用輪斗連續(xù)工藝開采技術(shù)是可行的，但5＃煤頂板存在弱層，需采取相應(yīng)的工程保障措施，以保證西端幫的整體穩(wěn)定性。采區(qū)過渡期間采用扇形過渡方式，現(xiàn)場(chǎng)管理難度加大。