跨斷層條件下工作面帶式輸送機(jī)的工作線形態(tài)優(yōu)化

張靈童，王建法

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

連續(xù)系統(tǒng)和自移式破碎機(jī)半連續(xù)系統(tǒng)在我國(guó)大型露天礦中被廣泛地應(yīng)用于露天礦的剝離和采煤作業(yè)，兩者的共同特點(diǎn)是系統(tǒng)中布置有工作面帶式輸送機(jī)，正常情況下工作面布置1 條帶式輸送機(jī)并隨工作面的推進(jìn)向前移設(shè)，但在特殊情況下將打破系統(tǒng)這一固有模式。連續(xù)系統(tǒng)組成包括輪斗挖掘機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、漏斗車(chē)（含電纜車(chē)）、帶式輸送機(jī)、卸料車(chē)（含電纜車(chē)）、排土機(jī)等設(shè)備組成[1]，除了由輪斗挖掘機(jī)組成的連續(xù)系統(tǒng)外，也有由露天采礦機(jī)組成的連續(xù)系統(tǒng)。半連續(xù)系統(tǒng)有2 種：①單斗-自移式破碎機(jī)半連續(xù)系統(tǒng)；②單斗-卡車(chē)-半移動(dòng)式破碎站半連續(xù)系統(tǒng)[2]。其中前者系統(tǒng)組成中有工作面帶式輸送機(jī)，而后者利用卡車(chē)運(yùn)輸替代工作面帶式輸送機(jī)運(yùn)輸[3]，研究主要針對(duì)的是有工作面帶式輸送機(jī)的連續(xù)、半連續(xù)系統(tǒng)。

與單斗卡車(chē)工藝相比，連續(xù)或半連續(xù)工藝效率高、能耗低、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，不僅能夠節(jié)省單位成本和勞動(dòng)力，而且在節(jié)能減排和綠色發(fā)展等方面的優(yōu)勢(shì)明顯，提高了露天礦安全及經(jīng)濟(jì)效益，在露天礦賦存條件、氣候條件適合的情況下宜優(yōu)先采用連續(xù)、半連續(xù)工藝[4-8]。除了上述優(yōu)點(diǎn)外，連續(xù)、半連續(xù)系統(tǒng)也存在一定的缺點(diǎn)，如系統(tǒng)的適應(yīng)性及靈活性較差、系統(tǒng)復(fù)雜、設(shè)備投資大并且需要經(jīng)常移設(shè)。

露天礦開(kāi)采過(guò)程中遇到斷層時(shí)，煤層頂?shù)装迤鸱?，造成剝采比劇烈變化，煤量接續(xù)困難[9]，剝采排工作線及工作面帶式輸送機(jī)布置也將發(fā)生較大變化。

1 研究概況

某礦自移式破碎機(jī)半連續(xù)系統(tǒng)中煤炭經(jīng)單斗挖掘機(jī)采掘卸載至自移式破碎機(jī)進(jìn)行破碎，破碎后的煤炭通過(guò)轉(zhuǎn)載機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)至工作面帶式輸送機(jī)-地面輸煤系統(tǒng)。其中工作面帶式輸送機(jī)平行推進(jìn)。在采掘場(chǎng)推進(jìn)方向的前端中部存在1 條斷層，將工作面帶式輸送機(jī)的工作線在縱向上割裂成2 個(gè)水平。斷層兩側(cè)的煤層存在0～54 m 高差，為正斷層，斷層西側(cè)低東側(cè)高，斷層總長(zhǎng)度為4 000 m，斷層兩側(cè)斷距基本呈對(duì)稱布置，其中50%斷距大于50 m，28%斷距小于30 m，還有22%斷距在30～50 m。

斷層對(duì)自移式破碎機(jī)半連續(xù)系統(tǒng)工作線布置影響較大，根據(jù)斷層的平面位置，初期斷層靠近采區(qū)西端幫逐漸向采區(qū)中部及南部擴(kuò)展，斷距由小變大后又由大變小?？鐢鄬雍蠊ぷ髅鎺捷斔蜋C(jī)按照布置方式不同分為斷層兩側(cè)雙工作線布置和斷層一側(cè)單工作線布置，在此條件下研究工作面帶式輸送機(jī)布置方式。

2 工作面帶式輸送機(jī)雙工作線布置

2.1 方案劃分

雙工作線布置一種方式可以實(shí)現(xiàn)工作面帶式輸送機(jī)在同一煤層的全線布置，中部斷層位置修機(jī)道或者是增加轉(zhuǎn)載設(shè)備；另一種方式是在滿足自移式破碎機(jī)工作要求的坡度條件下直接拉直下部煤工作面，自移式作業(yè)臺(tái)階為煤巖混采，當(dāng)具備條件時(shí)按照就近原則下部煤也可與其他煤層混采，工作線兩端為煤層，中部為巖層，但該方式適用性小、效率低、有效工作線短；因此雙工作線采取第1 種方式。

自移式工作面遇到斷層后，受高差影響工作面帶式輸送機(jī)按照水平和垂直錯(cuò)開(kāi)方式及提升方式不同可劃分為4 個(gè)方案。雙工作線布置如圖1。

圖1 雙工作線布置

1）方案1。垂直方向錯(cuò)開(kāi)則工作面由上下2 條帶式輸送機(jī)組成，機(jī)道與工作線方向同向，2 條工作面帶式輸送機(jī)中間采用機(jī)道和帶式輸送機(jī)提升，布置在斷層處的帶式輸送機(jī)機(jī)道坡度[10]宜盡量取大一些可增加工作面帶式輸送機(jī)有效工作線長(zhǎng)度，暫按15%（8.5°），機(jī)道寬度30 m。

2）方案2。與方案1 類似，區(qū)別在于2 條工作面帶式輸送機(jī)中間采用轉(zhuǎn)載機(jī)提升。

3）方案3。水平和垂直同時(shí)錯(cuò)開(kāi)則工作面由左右及上下3 條帶式輸送機(jī)組成，機(jī)道與2 條工作線方向有一定角度，2 條工作面帶式輸送機(jī)中間采用機(jī)道和帶式輸送機(jī)提升，機(jī)道坡度暫按10%（5.7°），機(jī)道寬度30 m；

4）方案4。與方案3 類似，區(qū)別在于2 條工作面帶式輸送機(jī)中間采用轉(zhuǎn)載機(jī)提升。

因斷層位置地質(zhì)條件較差，不能按照原始斷層面開(kāi)采，需要按照一定的邊坡角度進(jìn)行分臺(tái)階開(kāi)采，在斷層位置形成連接上下2 個(gè)開(kāi)采水平的端幫臺(tái)階，斷層處臺(tái)階幫坡角假定為17°。

因機(jī)道與端幫高差不大機(jī)道兩側(cè)的填挖方放坡角度暫按45°計(jì)算工程量，具體參數(shù)應(yīng)滿足規(guī)范要求[11]。機(jī)道采用間斷方式修筑減少對(duì)正常生產(chǎn)的影響及機(jī)道工程量，斜坡段帶式輸送機(jī)在移設(shè)時(shí)需要拆安。機(jī)道工程量計(jì)算公式如下：

式中：Qj為機(jī)道工程量；Li為不同斷距區(qū)間的長(zhǎng)度；Y 為移設(shè)步距；wi為機(jī)道挖方量；ti為機(jī)道填方量。

按照移設(shè)步距100 m 考慮預(yù)計(jì)斷層范圍內(nèi)需要修筑40 次機(jī)道，采用三維采礦軟件計(jì)算不同斷距條件下機(jī)道工程量，通過(guò)式（1）計(jì)算2 個(gè)方案在斷層影響期間總的機(jī)道工程量均不大，方案1 比方案2 工程量小1.26 Mm3。

2.2 方案對(duì)比

方案3 和方案4 比方案1 和方案2 的帶式輸送機(jī)年運(yùn)行距離長(zhǎng)180 m，按照露天礦剩余開(kāi)采年限13 年進(jìn)行比較。各方案費(fèi)用情況主要考慮提升設(shè)備投資、帶式輸送機(jī)運(yùn)行費(fèi)用、機(jī)道費(fèi)用等方面，各方案費(fèi)用對(duì)比見(jiàn)表1。為了便于4 個(gè)方案的對(duì)比，需要說(shuō)明的是表1 中不含4 個(gè)方案均需增加的1 條帶式輸送機(jī)投資。

表1 各方案費(fèi)用對(duì)比萬(wàn)元

方案1 與方案3 為機(jī)道提升，方案3 與方案1相比機(jī)道工程量大、需增加1 條帶式輸送機(jī)投資且提升設(shè)備運(yùn)行費(fèi)用高，方案3 明顯不如方案1。

方案2 與方案4 為轉(zhuǎn)載設(shè)備提升，由于方案4具有轉(zhuǎn)載設(shè)備大、投資高、運(yùn)行費(fèi)用高等缺點(diǎn)，方案2 明顯優(yōu)于方案4，因此，考慮利用轉(zhuǎn)載設(shè)備提升時(shí)推薦方案2，方案4 首先予以排除。而方案2 與方案3 比較，考慮系統(tǒng)增加的轉(zhuǎn)載機(jī)結(jié)構(gòu)的特殊性影響存在對(duì)轉(zhuǎn)載機(jī)的費(fèi)用估算不準(zhǔn)問(wèn)題，如果從費(fèi)用上進(jìn)行對(duì)比還需要進(jìn)一步調(diào)研和詢價(jià)，現(xiàn)階段認(rèn)為方案3 優(yōu)于方案2。4 個(gè)方案中方案1 最優(yōu)，全生命期自移式破碎機(jī)半連續(xù)系統(tǒng)總費(fèi)用最低，推薦方案1，采用斷層兩側(cè)坑底采煤工作線布置在同一直線上水平方向不錯(cuò)開(kāi)、利用間斷機(jī)道提升并增加鋼橋的方案。

受新增帶式輸送機(jī)費(fèi)用及轉(zhuǎn)載設(shè)備費(fèi)用、提升角度對(duì)機(jī)道、設(shè)備費(fèi)用的影響以及機(jī)道工程量計(jì)算過(guò)程中不確定因素的影響，各方案之間的費(fèi)用會(huì)有所偏差。

3 工作面帶式輸送機(jī)單工作線布置

3.1 方案劃分

根據(jù)自移式破碎機(jī)半連續(xù)系統(tǒng)單工作線未布置帶式輸送機(jī)一側(cè)利用單斗-卡車(chē)工藝采出的煤炭的流向不同，開(kāi)采方式劃分為倒運(yùn)至一號(hào)、二號(hào)、三號(hào)破碎站以及倒運(yùn)至自移式破碎機(jī)2 種方式。自移式破碎機(jī)半連續(xù)與單斗-卡車(chē)-半移動(dòng)破碎站系統(tǒng)破碎環(huán)節(jié)成本相當(dāng)，主要差異在卡車(chē)運(yùn)輸及卸載環(huán)節(jié)。自移式破碎機(jī)半連續(xù)系統(tǒng)單工作線的優(yōu)點(diǎn)是降低了影響內(nèi)排跟進(jìn)，可集中推進(jìn)一個(gè)區(qū)域，釋放排土空間，降低工作面帶式輸送機(jī)對(duì)排土空間的制約[12-15]，節(jié)省了一側(cè)的剝離運(yùn)費(fèi)[16]，同時(shí)倒運(yùn)方式在調(diào)節(jié)平盤(pán)推進(jìn)度、其他系統(tǒng)檢修及特殊天氣停產(chǎn)、配煤提高煤質(zhì)、避免冬季移設(shè)及其他工程需要時(shí)存在其合理性[17]。另外單工作線還可以節(jié)省帶式輸送機(jī)的投資。

3.2 方案對(duì)比

單工作線和雙工作線的不同方式比較的基礎(chǔ)一致，均為自移式破碎機(jī)半連續(xù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)年能力。綜合上述多方面因素構(gòu)建單工作線相對(duì)總費(fèi)用6 因素模型（采煤運(yùn)費(fèi)、采裝費(fèi)用、輸送帶運(yùn)費(fèi)、剝離運(yùn)費(fèi)、設(shè)備投資、機(jī)道費(fèi)用）計(jì)算體系需要說(shuō)明的是去往破碎站不計(jì)算采裝費(fèi)用，計(jì)算模型如下：

式中：F 為單工作線與雙工作線相比的相對(duì)總費(fèi)用，元，若F＞0 說(shuō)明雙工作線更優(yōu)，若F＜0 說(shuō)明單工作線更優(yōu)；Qp為單工作線能力與設(shè)計(jì)能力相比需要倒運(yùn)的煤量，t；Dd為倒運(yùn)部分去往破碎站或者自移式破碎機(jī)的加權(quán)運(yùn)距，km；q 為采煤卡車(chē)單位運(yùn)行費(fèi)用，元/（t·km）；b 為采裝單位費(fèi)用，元/t；Ld為單工作線節(jié)省設(shè)備長(zhǎng)度（帶式輸送機(jī)或轉(zhuǎn)載機(jī)），km；y 為帶式輸送機(jī)單位運(yùn)行費(fèi)用，元/（t·km）；B 為單工作線時(shí)倒運(yùn)側(cè)剝離工程量，m3；f 為剝離卡車(chē)單位運(yùn)行費(fèi)用，元/（m3·km）；Dd為單工作線節(jié)省的運(yùn)距，km；j為設(shè)備單位投資（帶式輸送機(jī)或轉(zhuǎn)載機(jī)），元/km；n為露天礦剩余服務(wù)年限與設(shè)備折舊年限中的小值，年；i 為折現(xiàn)率，%；Qj為總的機(jī)道工程量，m3；d 為機(jī)道修建的單位費(fèi)用，元/m3。需要說(shuō)明的是去往破碎站不計(jì)算采裝費(fèi)用。

單工作線預(yù)計(jì)自移式破碎機(jī)半連續(xù)系統(tǒng)的能力缺口2.70 Mt，該部分倒運(yùn)工程量是按照斷層單工作線長(zhǎng)度計(jì)算得到的。該部分倒運(yùn)工程量一種是通過(guò)卡車(chē)運(yùn)往一號(hào)破碎站和三號(hào)破碎站的量分別為2.0 Mt 和0.70 Mt 計(jì)算增加的運(yùn)距為2、4.5 km，加權(quán)運(yùn)距2.65 km，按卡車(chē)運(yùn)輸費(fèi)用為1.55 元/（t·km）、膠帶運(yùn)輸費(fèi)用為0.3 元/（t·km）計(jì)算，增加卡車(chē)費(fèi)用為1 109 萬(wàn)元，節(jié)省帶式輸送機(jī)1km 運(yùn)輸費(fèi)用為81 萬(wàn)元，綜合增加費(fèi)用為1 028 萬(wàn)元。另一種是通過(guò)倒運(yùn)方式運(yùn)至自移式破碎機(jī)半連續(xù)系統(tǒng)，考慮增加卡車(chē)運(yùn)費(fèi)按照1.55 元/（t·km），運(yùn)距1 km 計(jì)算，倒運(yùn)增加費(fèi)用約419 萬(wàn)元，增加采裝費(fèi)用按照1 元/t 計(jì)算為270 萬(wàn)元，節(jié)省帶式輸送機(jī)1km 運(yùn)輸費(fèi)用為81萬(wàn)元，綜合增加費(fèi)用為608 萬(wàn)元。

斷層西側(cè)剝離采用小設(shè)備作業(yè)，按照小設(shè)備剝離作業(yè)量40.86 Mm3、單位運(yùn)輸費(fèi)0.5 元/（m3·km）考慮2 種工藝8 個(gè)采掘帶和1 個(gè)采掘帶的平盤(pán)寬度差異的運(yùn)距節(jié)省175 m 計(jì)算節(jié)省費(fèi)用為357 萬(wàn)元。

單工作線節(jié)省的帶式輸送機(jī)投資2 000 萬(wàn)元，露天礦剩余服務(wù)年限13 年，折現(xiàn)率10%計(jì)算，利用現(xiàn)值和年值公式計(jì)算每年增加費(fèi)用282 萬(wàn)元。

因服務(wù)期內(nèi)每年機(jī)道工程量差異較大，因此取服務(wù)期內(nèi)平均值，計(jì)算為96 萬(wàn)元/a。

綜合計(jì)算，單工作線方式下采用運(yùn)往其他破碎站方式每年總費(fèi)用增加293 萬(wàn)元，采用倒運(yùn)方式每年總費(fèi)用節(jié)省127 萬(wàn)元，單工作線增加了內(nèi)排土場(chǎng)的排土空間，自移式破碎機(jī)不需要在上下2 條工作面帶式輸送機(jī)間頻繁移動(dòng)并節(jié)省了輔助運(yùn)輸工程量及工作面帶式輸送機(jī)移動(dòng)受料裝置。單工作線倒運(yùn)方式與去往其他破碎站相比更具有合理性。

4 結(jié)語(yǔ)

1）跨斷層條件下連續(xù)、半連續(xù)系統(tǒng)的工作面帶式輸送機(jī)可以采取斷層兩側(cè)雙工作線布置的方式，也可以采取斷層一側(cè)單工作線布置的方式，需結(jié)合斷層賦存特點(diǎn)、所需工作線長(zhǎng)度及通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比確定工作面帶式輸送機(jī)工作線的形態(tài)。

2）通過(guò)采用相對(duì)總費(fèi)用“六因素模型”，結(jié)合該礦實(shí)例，將單工作線2 種方式與雙工作線的4 個(gè)方案中經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的方案1 相比，單工作線倒運(yùn)方式經(jīng)濟(jì)性更高，其次為雙工作線機(jī)道提升方式，最后是單工作線運(yùn)往其他破碎站方式。

3）考慮工藝成本、倒運(yùn)費(fèi)用及剝離影響等參數(shù)取值可能與實(shí)際有偏差，同時(shí)隨著后期自移式破碎機(jī)能力降低，工作線長(zhǎng)度不再是制約系統(tǒng)能力的影響因素，單工作線與雙工作線的費(fèi)用差異將會(huì)進(jìn)一步降低，從簡(jiǎn)化系統(tǒng)布置及增加作業(yè)靈活性方面單工作線倒運(yùn)方式更具有優(yōu)勢(shì)，同時(shí)加快了采掘場(chǎng)推進(jìn)，減少了端幫臺(tái)階暴露時(shí)間，提高了邊坡穩(wěn)定性。

4）提出了確定工作面帶式輸送機(jī)最優(yōu)工作線形態(tài)的一種理論方法，實(shí)例中按照露天礦剩余服務(wù)期內(nèi)各影響參數(shù)的平均值進(jìn)行計(jì)算，在實(shí)際中也可根據(jù)露天礦不同年份不同技術(shù)條件分別計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)工作面帶式輸送機(jī)工作線形態(tài)的優(yōu)化。