露天礦坑底薄煤層機(jī)械鏟倒堆工藝研究

劉志蒙,張東華,李延澤

(1.山西省煤炭規(guī)劃設(shè)計(jì)院(集團(tuán))有限公司,山西 太原 030045; 2.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院,山西 太原 030024;3.中煤平朔集團(tuán)公司安家?guī)X露天礦,山西 朔州 036006)

露天煤礦通常賦存眾多煤層,露天煤礦坑底下部的一定距離內(nèi)通常存在著難以開(kāi)采的薄煤層。采用傳統(tǒng)單斗卡車間斷工藝開(kāi)采坑底薄煤層時(shí),需在坑底新增1個(gè)剝離臺(tái)階和1個(gè)采煤臺(tái)階,臺(tái)階的增加會(huì)造成礦坑長(zhǎng)度的增加,從而增加全礦的卡車平均運(yùn)輸距離,露天煤礦的成本對(duì)卡車平均運(yùn)輸距離非常敏感,導(dǎo)致噸煤成本的顯著增加。受到上述經(jīng)濟(jì)原因的影響,露天煤礦經(jīng)常放棄開(kāi)采坑底薄煤層及中厚煤層,比如平朔礦區(qū)和準(zhǔn)格爾礦區(qū)[1-2]。綜上所述,開(kāi)采露天煤礦的坑底薄煤層是目前工程上的一大難題,研究開(kāi)采坑底薄煤層是目前一個(gè)重要且必要的科學(xué)技術(shù)難題。針對(duì)露天煤礦坑底薄煤層開(kāi)采的研究,陳樹(shù)召等[3]提出以單斗機(jī)械正鏟為基礎(chǔ),用液壓反鏟配合進(jìn)行倒堆作業(yè),用液壓反鏟開(kāi)采煤層的方式開(kāi)采坑底薄煤層。劉光偉等[4]提出采用吊斗鏟工藝進(jìn)行剝離,機(jī)械鏟和采煤機(jī)對(duì)坑底薄煤層進(jìn)行開(kāi)采。李延澤等[1]提出以機(jī)械鏟正鏟站立于煤層頂板進(jìn)行倒堆作業(yè),單斗挖掘機(jī)位于煤層底板開(kāi)采坑底薄及中厚煤層。鄭哲等[5]提出機(jī)械鏟進(jìn)行倒堆作業(yè),單斗鏟和卡車站立于煤層底板開(kāi)采坑底薄煤層的開(kāi)采工藝。

倒堆工藝把采掘、運(yùn)輸和排土3個(gè)環(huán)節(jié)作業(yè)合并為一體,與傳統(tǒng)的單斗卡車工藝相比,單斗鏟無(wú)運(yùn)輸?shù)苟压に囋陂_(kāi)采坑底煤層時(shí)具有效率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)[6-7]。目前,該技術(shù)在美國(guó)、俄羅斯、澳大利亞等國(guó)家得到了廣泛的應(yīng)用[8]。單斗鏟無(wú)運(yùn)輸?shù)苟压に嚪譃槔风P倒堆工藝和機(jī)械鏟倒堆工藝。我國(guó)的黑岱溝露天煤礦2007年引進(jìn)了首臺(tái)二手大型拉斗鏟設(shè)備[9],采用拉斗鏟倒堆工藝進(jìn)行作業(yè),至今為止,國(guó)內(nèi)仍未有露天煤礦應(yīng)用機(jī)械鏟倒堆工藝。針對(duì)倒堆工藝,一些學(xué)者從總體上對(duì)工藝的發(fā)展和應(yīng)用前景進(jìn)行了分析[10-12],并對(duì)拉斗鏟的作業(yè)方式進(jìn)行了研究[13-15]。周偉等[16]研究了拉斗鏟工藝的配合模式,陳彥龍等[17-18]對(duì)拉斗鏟作業(yè)效率進(jìn)行了研究,肖雙雙等[19-20]對(duì)具體的平臺(tái)作業(yè)參數(shù)等進(jìn)行了研究,李克民等[21]對(duì)倒堆工藝中的拋擲爆破環(huán)節(jié)進(jìn)行了詳細(xì)的研究。

針對(duì)露天煤礦坑底薄煤層開(kāi)采問(wèn)題,上述的研究存在2個(gè)方面的問(wèn)題,一方面,未考慮現(xiàn)有設(shè)備的尺寸參數(shù),導(dǎo)致理論可行但沒(méi)有對(duì)應(yīng)的設(shè)備進(jìn)行作業(yè);另一方面,在經(jīng)濟(jì)技術(shù)方面均可行,但是初期投資較大。上述問(wèn)題導(dǎo)致坑底薄煤層的開(kāi)采在教材、手冊(cè)、規(guī)范、論文方面等均有大量研究,但實(shí)際上應(yīng)用較少。

鑒于上述研究并未深入研究機(jī)械鏟倒堆工藝對(duì)薄煤層的開(kāi)采,本文提出以機(jī)械鏟為基礎(chǔ),推土機(jī)配合進(jìn)行直接倒堆剝離作業(yè);液壓反鏟站立于煤層頂板上,卡車站立于煤層底板上開(kāi)采薄煤層的倒堆工藝形式。該研究能為無(wú)運(yùn)輸?shù)苟压に囋谖覈?guó)露天煤礦的推廣應(yīng)用和坑底薄煤層的開(kāi)采提供理論支撐。

1 剝離及回采作業(yè)程序

機(jī)械鏟倒堆工藝主要適用于露天礦坑底薄煤層的開(kāi)采。該工藝的程序是先進(jìn)行拋擲爆破,即把部分巖石拋擲于采空區(qū),然后用推土機(jī)把爆堆推平,形成機(jī)械鏟工作平臺(tái),最后機(jī)械鏟站立于平行煤層頂板所在的平臺(tái)進(jìn)行倒堆作業(yè)。具體作業(yè)程序如下:依據(jù)國(guó)外對(duì)機(jī)械鏟直接倒堆工藝的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),采用1臺(tái)機(jī)械鏟完成倒堆作業(yè),再選用1臺(tái)機(jī)械鏟配合卡車完成采煤作業(yè)。機(jī)械鏟站立于煤層頂板外的剝離平臺(tái)上完成倒堆作業(yè);另有1臺(tái)小型機(jī)械鏟站立在煤層頂板完成煤層回采作業(yè),并由卡車完成運(yùn)輸,倒堆作業(yè)如圖1所示。

圖1 倒堆作業(yè)示意Fig.1 Schematic diagram of dumping operation

1.1 準(zhǔn)備作業(yè)

機(jī)械鏟需要站立在與煤層臺(tái)階等高的作業(yè)平臺(tái)上完成倒堆作業(yè),需要先對(duì)煤層之上的覆巖進(jìn)行拋擲爆破。拋擲爆破如圖2所示。

圖2 拋擲爆破示意Fig.2 Schematic diagram of throwing blasting

這是本工藝中非常重要的環(huán)節(jié),拋擲爆破的裝藥量和孔網(wǎng)參數(shù)以及爆臺(tái)階高寬比直接影響了爆破效果。根據(jù)拉斗鏟倒堆工藝的經(jīng)驗(yàn),當(dāng)采用了較大的臺(tái)階高寬比后,拋擲爆破可將30%～60%的物料直接拋入排土場(chǎng)無(wú)需進(jìn)行倒堆。拋擲爆破完成后,推土機(jī)對(duì)爆破形成的爆堆進(jìn)行整平并形成與煤層頂板平齊的機(jī)械鏟作業(yè)平臺(tái),這樣可以最大限度上減小機(jī)械鏟的倒堆作業(yè)量,推土機(jī)整平作業(yè)平臺(tái)如圖3所示。其中,M為煤層厚度;H為煤層上部剝離體厚度;A為采掘帶寬度和內(nèi)排土場(chǎng)臺(tái)階寬度;Hn為內(nèi)排土場(chǎng)臺(tái)階高度;α為煤層及巖層臺(tái)階坡面角;β為內(nèi)排土場(chǎng)臺(tái)階坡面角;s為臺(tái)階安全距離,Hp為整平后爆堆高度。

圖3 推土機(jī)整平作業(yè)平臺(tái)示意Fig.3 Schematic diagram of bulldozer leveling operation platform

1.2 倒堆和煤層回采

推土機(jī)整平作業(yè)結(jié)束后,機(jī)械鏟站立于推土機(jī)整平的工作平臺(tái)之上,將松散巖石倒堆至內(nèi)排土場(chǎng)的排土臺(tái)階,工作平臺(tái)寬度要大于機(jī)械鏟機(jī)身寬度,內(nèi)排土場(chǎng)臺(tái)階和煤層之間留有安全距離,機(jī)械鏟倒堆作業(yè)如圖4所示。

圖4 機(jī)械鏟倒堆作業(yè)示意Fig.4 Schematic diagram of mechanical shovel stripping operation

在倒堆作業(yè)程序全部結(jié)束后,開(kāi)始煤層的回采。采用液壓反鏟站立于煤層頂板下挖回采煤層,特制卡車站立于煤層底板,運(yùn)煤卡車經(jīng)煤層底板運(yùn)輸通道運(yùn)出,回采煤層如圖5所示。液壓反鏟鏟斗容積根據(jù)年需開(kāi)采的煤量確定,卡車的尺寸根據(jù)采掘帶寬度和安全平臺(tái)寬度確定。

圖5 回采煤層示意Fig.5 Schematic diagram of coal winning coal seams

2 倒堆設(shè)備選型

2.1 機(jī)械鏟作業(yè)參數(shù)

本工藝的核心在于選擇合適的機(jī)械鏟,根據(jù)其作業(yè)原理,推算在機(jī)械鏟進(jìn)行倒堆作業(yè)時(shí),機(jī)械鏟的最大卸載高度加上煤層厚度需大于等于內(nèi)排土場(chǎng)臺(tái)階的高度,電鏟的最大挖掘高度應(yīng)大于推土機(jī)整平后爆堆的高度,電鏟的最大挖掘深度還應(yīng)大于等于煤層厚度,其設(shè)備尺寸應(yīng)滿足式(1)。

(1)

式中,HXZmax為機(jī)械鏟最大卸載高度;HWmax為機(jī)械鏟最大挖掘高度;Hb為推土機(jī)整平后爆堆的高度;HSmax為機(jī)械鏟最大挖掘深度。

現(xiàn)有的機(jī)械鏟通常只考慮把物料裝載到卡車?yán)锩?最大卸載高度通常由卡車車體的高度決定,通常不超過(guò)12 m。根據(jù)公式(1)內(nèi)排土場(chǎng)臺(tái)階高度和機(jī)械鏟的最大卸載高度關(guān)系,內(nèi)排土場(chǎng)臺(tái)階高度還需考慮松散系數(shù)和臺(tái)階形狀,現(xiàn)有機(jī)械鏟制造水平下剝離臺(tái)階高度不能超過(guò)8 m。

當(dāng)機(jī)械鏟站立于工作平臺(tái)之上沿著煤層頂板坡面線工作,要將爆堆經(jīng)拋擲爆破未進(jìn)入內(nèi)排土場(chǎng)的部分破碎巖石倒堆至內(nèi)排土場(chǎng)臺(tái)階,卸載范圍要覆蓋到內(nèi)排土場(chǎng)臺(tái)階,才能將全部物料排入內(nèi)排土場(chǎng),機(jī)械鏟的作業(yè)尺寸滿足式(2)。

(2)

式中,RWmax和RXZmax分別為最大挖掘半徑和最大卸載半徑。

公式(2)結(jié)合現(xiàn)有的機(jī)械鏟制造水平,采掘帶寬度A≤15 m。

卡車行走于煤層底板,卡車雙向行駛的總寬度為采掘帶寬度加上臺(tái)階安全距離,卡車轉(zhuǎn)彎半徑應(yīng)滿足式(3)。

(3)

2.2 機(jī)械鏟斗容推算

根據(jù)拉斗鏟倒堆的經(jīng)驗(yàn),在平整爆堆后,有效拋擲部分無(wú)需進(jìn)行重復(fù)倒堆作業(yè),倒堆作業(yè)臺(tái)階尺寸如圖6所示。

圖6 倒堆作業(yè)臺(tái)階尺寸示意Fig.6 Schematic diagram of step size of stripping operation

機(jī)械鏟的倒堆作業(yè)量為圖6的藍(lán)色陰影處面積,可通過(guò)式(4)計(jì)算。

S=A(HKs-M)

(4)

式中,S為需要倒堆的松散體截面積;Ks為拋擲爆破松散系數(shù)。

根據(jù)每年剝離量計(jì)算機(jī)械鏟斗容見(jiàn)式(5)。

(5)

式中,Eb為機(jī)械鏟的斗容;Q為每年的剝離物量;l為工作線長(zhǎng)度;v為回采作業(yè)年推進(jìn)長(zhǎng)度。

本工藝的倒堆率η計(jì)算見(jiàn)式(6):

(6)

2.3 卡車作業(yè)參數(shù)

根據(jù)式(3)并結(jié)合式(2)的結(jié)論可知,此工藝的道路總寬度小于18 m,道路總寬度較小,小型的礦用卡車或者民用卡車能夠滿足轉(zhuǎn)彎半徑的技術(shù)要求。露天煤礦的年推進(jìn)度是一定的,坑底薄煤層的采煤總量有限,用小型礦用卡車或者民用汽車能夠滿足薄煤層開(kāi)采的能力需要。

根據(jù)式(1)—式(3),結(jié)合現(xiàn)有的機(jī)械鏟制造水平,可知此工藝主要受到機(jī)械鏟最大卸載高度、最大挖掘半徑、最大卸載半徑、卡車最小轉(zhuǎn)彎半徑這些參數(shù)限制。結(jié)合現(xiàn)在的機(jī)械鏟和卡車設(shè)備,剝離層最大厚度為8 m,薄煤層和剝離層的總厚度需≤11 m。需要注意的是,目前我國(guó)的大型露天煤礦尚沒(méi)有機(jī)械鏟用于直接倒堆,故機(jī)械鏟的上述參數(shù)都是常規(guī)尺寸。如煤礦需要機(jī)械鏟進(jìn)行倒堆作業(yè),在機(jī)械鏟的購(gòu)置中可以對(duì)機(jī)械鏟的參數(shù)進(jìn)行專業(yè)定制,從而在同等級(jí)別的機(jī)械鏟中提高最大卸載高度、最大挖掘半徑、最小卸載半徑等參數(shù),使能力和作業(yè)參數(shù)基本匹配。

3 倒堆工藝應(yīng)用

3.1 坑底薄煤層開(kāi)采地質(zhì)條件

安家?guī)X露天煤礦主要開(kāi)采4號(hào)、9號(hào)、11號(hào)煤層,由地質(zhì)報(bào)告可知11號(hào)煤層厚度1.99～3.66 m,平均厚度2.9 m,11號(hào)煤密度為1.6 g/cm3,11號(hào)煤層和9號(hào)煤層之間需要?jiǎng)冸x的巖層厚度為1.33～10.93 m,平均厚度7.1 m。11號(hào)煤層坑底工作線長(zhǎng)1 900 m,年推進(jìn)度約為360 m。

3.2 作業(yè)參數(shù)及設(shè)備選型

根據(jù)安家?guī)X露天煤礦的地質(zhì)條件以及拉斗鏟倒堆作業(yè)經(jīng)驗(yàn),煤層上部剝離體厚度H=7.1 m,煤層厚度2.9 m,設(shè)定采掘帶寬度及內(nèi)排土場(chǎng)臺(tái)階寬度A為10 m,拋擲爆破松散系數(shù)Ks=1.3,α=70°,β=50°,臺(tái)階安全距離s=2 m,整平后爆堆高度Hp=3.5 m。

依據(jù)公式(4)計(jì)算得本工藝倒堆的松散體截面積S=63.3 m2。

由公式(5)計(jì)算得機(jī)械鏟斗容Eb=21.6 m3。計(jì)算出剝離設(shè)備選用22 m3級(jí)別的電鏟,采煤設(shè)備選10 m3級(jí)別的液壓反鏟。

依據(jù)公式(6)計(jì)算得本工藝的倒堆率η=68.6%。

在本煤礦的實(shí)際生產(chǎn)中根據(jù)式(1)—式(3)的參數(shù)要求對(duì)機(jī)械鏟尺寸進(jìn)行計(jì)算。

依據(jù)公式(1)計(jì)算得在倒堆作業(yè)中內(nèi)排土場(chǎng)臺(tái)階高度等于12.2 m,機(jī)械鏟最大卸載高度不小于9.3 m。

機(jī)械鏟最大挖掘高度應(yīng)滿足HWmax≥Hp,以推土機(jī)實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)Hp取剝離體高度的一半,即機(jī)械鏟最大挖掘高度不小于3.5 m。

機(jī)械鏟最大挖掘深度不小于開(kāi)采的煤層的厚度,即HSmax≥M,可知最大挖掘深度不小于2.9 m。

依據(jù)式(2),機(jī)械鏟最大挖掘半徑與電鏟最大卸載半徑之和不小于34.6 m。

由式(3)計(jì)算得卡車轉(zhuǎn)彎半徑應(yīng)小于6 m,當(dāng)選用特種卡車或民用汽車作為本工藝的運(yùn)輸設(shè)備。

經(jīng)在安家?guī)X露天煤礦的地質(zhì)背景以及生產(chǎn)條件下對(duì)機(jī)械鏟的各項(xiàng)作業(yè)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算,選用電鏟WK-35作為倒堆作業(yè)的設(shè)備可滿足機(jī)械鏟倒堆工藝的作業(yè)參數(shù)要求,電鏟WK-35的作業(yè)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 電鏟WK-35作業(yè)參數(shù)Tab.1 Electric shovel WK-35 operating parameters

3.3 經(jīng)濟(jì)效益

現(xiàn)采用傳統(tǒng)的單斗卡車工藝開(kāi)采坑底11號(hào)煤層。工藝初期投資成本,和常規(guī)的單斗卡車工藝相比,剝離方面此工藝少了運(yùn)輸卡車,因參數(shù)能力匹配問(wèn)題,需更大的機(jī)械鏟;采煤方面投資不變。日常運(yùn)營(yíng)成本方面,和常規(guī)的單斗卡車工藝相比,剝離方面少了卡車運(yùn)輸費(fèi)用,電鏟旋轉(zhuǎn)角度大導(dǎo)致電鏟的運(yùn)營(yíng)費(fèi)用更高;采煤方面的運(yùn)營(yíng)成本不變。

根據(jù)安家?guī)X礦的生產(chǎn)資料,11號(hào)煤頂板剝離臺(tái)階寬度50 m,薄煤層采煤臺(tái)階寬度10 m,最小安全距離50 m,對(duì)應(yīng)的排土場(chǎng)臺(tái)階工作平臺(tái)寬度50 m,剝離臺(tái)階和采煤臺(tái)階坡面底邊總長(zhǎng)度4 m,單斗卡車工藝需要的總寬度為164 m。工藝只需1個(gè)剝離臺(tái)階10 m,1個(gè)倒堆臺(tái)階10 m,安全距離2 m,斜坡總長(zhǎng)度為13.5 m,共35.5 m。與傳統(tǒng)的單斗卡車工藝相比,減少了卡車平均運(yùn)距128.5 m,對(duì)噸煤成本的降低作用明顯。

總體來(lái)說(shuō)因減少全礦卡車的平均運(yùn)距,卡車運(yùn)輸費(fèi)約占露天煤礦生產(chǎn)成本的40%,故此工藝的應(yīng)用能夠降低噸煤成本。

4 倒堆工藝應(yīng)用

本文基于國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀提出了一種適用于露天煤礦坑底薄煤層開(kāi)采的機(jī)械鏟倒堆工藝。該工藝是以機(jī)械鏟為主、以推土機(jī)為輔的一種工藝。對(duì)拋擲爆破、整平作業(yè)平臺(tái)、倒堆作業(yè)、回采煤層等各個(gè)作業(yè)環(huán)節(jié)進(jìn)行了說(shuō)明。建立了機(jī)械鏟斗容的計(jì)算公式,并對(duì)經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行了分析。

(1)機(jī)械鏟最大卸載高度、最大挖掘半徑、最大卸載半徑和卡車最小轉(zhuǎn)彎半徑等設(shè)備作業(yè)參數(shù)是限制機(jī)械鏟倒堆開(kāi)采工藝的關(guān)鍵參數(shù),現(xiàn)有的機(jī)械鏟和卡車的適用條件為剝離物厚度≤8 m,薄煤層和剝離層的總厚度≤11 m。

(2)機(jī)械鏟斗容的計(jì)算模型用于機(jī)械鏟設(shè)備的選型,經(jīng)濟(jì)效益包括工藝初期投資、運(yùn)營(yíng)成本、全礦卡車平均運(yùn)距3個(gè)方面。

(3)以安家?guī)X礦為實(shí)例,技術(shù)上可行,倒堆率為68.8%,卡車平均運(yùn)距減少128.5 m,經(jīng)濟(jì)效益顯著。

該研究不僅為露天煤礦坑底薄煤層的開(kāi)采提供了一種技術(shù)可行,經(jīng)濟(jì)合理的新開(kāi)采方法,同時(shí)也為促進(jìn)倒堆工藝在我國(guó)的應(yīng)用發(fā)展提供了使用場(chǎng)景,有利于露天煤礦高產(chǎn)高效地開(kāi)采坑底薄煤層。