黑岱溝露天煤礦拉斗鏟倒堆開采程序優(yōu)化研究

趙鑫璐

神華準(zhǔn)格爾能源有限責(zé)任公司黑岱溝露天煤礦 內(nèi)蒙古鄂爾多斯 010300

拉斗鏟倒堆工藝在世界范圍內(nèi)露天開采領(lǐng)域中占有極其重要的地位，目前世界上采用拉斗鏟倒堆工藝的露天煤礦產(chǎn)量約占世界煤炭總產(chǎn)量的30%-60%[1-2]。該工藝集采運(yùn)排于一體，生產(chǎn)能力大，效率高，不消耗燃油，生產(chǎn)成本僅為單斗-卡車等工藝的50%-60%[3-6]。但考慮到拉斗鏟倒堆綜合開采工藝系統(tǒng)各生產(chǎn)環(huán)節(jié)緊密相扣，時(shí)間上同步、空間上交叉。因此在現(xiàn)有的拉斗鏟倒堆作業(yè)方式優(yōu)化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，還需要針對(duì)拉斗鏟倒堆開采程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，確保優(yōu)化后的工藝系統(tǒng)各環(huán)節(jié)在時(shí)間和空間上實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定接續(xù)。

1 研究背景和問題分析

當(dāng)前黑岱溝露天礦采場(chǎng)劃分為倒堆作業(yè)區(qū)與采煤作業(yè)區(qū)兩個(gè)小采區(qū)，拉斗鏟與原煤開采設(shè)備分別從中部向兩端推進(jìn)，運(yùn)煤通道設(shè)置于采場(chǎng)中部。當(dāng)采煤作業(yè)區(qū)進(jìn)行原煤開采時(shí)，其上部高臺(tái)階提前進(jìn)行穿孔作業(yè)，原煤開采完畢后即可進(jìn)行拋擲爆破，當(dāng)兩個(gè)采區(qū)分別完成倒堆作業(yè)與原煤回采作業(yè)后，倒堆與采煤設(shè)備互換采區(qū)，拉斗鏟繞排土場(chǎng)及中部入溝通道進(jìn)入另一采區(qū)（如圖1所示）。

該走行方式存在以下問題：當(dāng)前拉斗鏟倒堆工作線總長約合1800m，年推進(jìn)度約為360m，為保證露煤速度，現(xiàn)將拋擲爆破爆堆上分層物料由單斗-卡車輔助作業(yè)，導(dǎo)致拉斗鏟單位推進(jìn)距離內(nèi)可挖掘物料量急劇減少，拉斗鏟需要在工作面頻繁移設(shè)走行。但作為移設(shè)緩慢的特大型挖掘設(shè)備，拉斗鏟的頻繁走行必然導(dǎo)致有效作業(yè)時(shí)間減少，作業(yè)效率降低。若拉斗鏟仍沿用現(xiàn)行走行方式，必然導(dǎo)致采場(chǎng)預(yù)留通道占用空間過多，導(dǎo)致排土空間不足的情況發(fā)生，因此必須針對(duì)分區(qū)聯(lián)采方案中拉斗鏟的走行方式、走行通道、原煤上煤通道等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 倒堆開采程序設(shè)計(jì)思路

拉斗鏟倒堆綜合開采工藝系統(tǒng)包括拋擲爆破環(huán)節(jié)（穿孔作業(yè)、裝藥作業(yè)、拋擲爆破作業(yè)）、拉斗鏟倒堆環(huán)節(jié)（工作面預(yù)處理、拉斗鏟倒堆作業(yè)）、原煤回采環(huán)節(jié)（煤層各分層水平先后回采）。系統(tǒng)環(huán)節(jié)緊密相扣，時(shí)間上同步、空間上交叉。因此針對(duì)拉斗鏟走行方式，必須考慮各個(gè)工藝環(huán)節(jié)的時(shí)空關(guān)系，避免出現(xiàn)相互干擾的情況。

（1）緊前緊后工藝在空間上的相互干擾。拋擲爆破-拉斗鏟倒堆工藝系統(tǒng)呈現(xiàn)出追蹤式作業(yè)關(guān)系。先進(jìn)行拋擲爆破，而后拉斗鏟進(jìn)行倒堆，最后進(jìn)行原煤回采，系統(tǒng)中任一環(huán)節(jié)的延誤和中斷，都可能會(huì)導(dǎo)致后續(xù)環(huán)節(jié)難以正常進(jìn)行。

（2）非緊前緊后工序在空間上的相互干擾。原煤回采作業(yè)區(qū)域位于高臺(tái)階之下，爆破后爆堆會(huì)將采空區(qū)掩埋，切斷原煤運(yùn)輸通道。因此必須確保原煤回采工作時(shí)，運(yùn)輸?shù)缆分斜盐锪弦驯磺謇怼?/p>

因此，綜合考慮到拉斗鏟作業(yè)方式及走行通道布置，筆者提出三種方案設(shè)計(jì)：排土場(chǎng)預(yù)留走行通道+拉斗鏟站立于連通采場(chǎng)及排土場(chǎng)的工作面作業(yè)（拉斗鏟作業(yè)方式Ⅰ）、排土場(chǎng)側(cè)臨時(shí)聯(lián)絡(luò)通道方案+拉斗鏟站立于連通采場(chǎng)及排土場(chǎng)的工作面作業(yè)（拉斗鏟作業(yè)方式Ⅰ）、雙工作面往返走行方案+拉斗鏟分別站立于采場(chǎng)與排土場(chǎng)工作面作業(yè)（拉斗鏟作業(yè)方式Ⅱ）。

圖1 拉斗鏟循環(huán)走行路線

3 倒堆開采程序設(shè)計(jì)

3.1 排土場(chǎng)預(yù)留走行通道+拉斗鏟作業(yè)方式Ⅰ

（1）“排土場(chǎng)預(yù)留通道”方案分析。“排土場(chǎng)預(yù)留通道”方案中拉斗鏟服務(wù)區(qū)劃分為倒堆區(qū)與采煤區(qū)兩部分，上煤通道布置于兩端，當(dāng)兩區(qū)分別完成倒堆作業(yè)與原煤回采作業(yè)后，倒堆與采煤設(shè)備互換區(qū)域，拉斗鏟每次從服務(wù)區(qū)兩端向中間推進(jìn)，抵達(dá)中間位置后，經(jīng)由排土場(chǎng)移設(shè)至另一端頭重復(fù)上述作業(yè)循環(huán)。拉斗鏟走行路線呈“8”字型，為與現(xiàn)行“外8字型”走行路線作區(qū)分，故命名為“內(nèi)8字型”走行路線。開采程序中，服務(wù)區(qū)共有“正常推進(jìn)”與“作業(yè)區(qū)交換”兩種狀態(tài)，具體如表1-2所示：

表1 正常推進(jìn)狀態(tài)：以南部倒堆作業(yè)，北部采煤作業(yè)為例

表2 作業(yè)區(qū)交換狀態(tài)：以北部原煤揭露完畢，南部倒堆作業(yè)完畢為例

表3 正常推進(jìn)狀態(tài)：以南部倒堆作業(yè)，北部采煤作業(yè)為例

表4 拉斗鏟轉(zhuǎn)向狀態(tài)：以南部倒堆作業(yè)，北部采煤作業(yè)為例

表5 作業(yè)區(qū)交換狀態(tài)：以南部倒堆作業(yè)完成，采煤作業(yè)開始為例

3.2 排土場(chǎng)側(cè)臨時(shí)聯(lián)絡(luò)通道方案+拉斗鏟作業(yè)方式Ⅰ

“排土場(chǎng)側(cè)臨時(shí)聯(lián)絡(luò)通道”方案與“排土場(chǎng)預(yù)留走行通道”方案的服務(wù)區(qū)布置相似，走行路線為“內(nèi)8字”型，但在正常推進(jìn)狀態(tài)下，拉斗鏟倒堆程序存在一定區(qū)別，拉斗鏟每次從服務(wù)區(qū)中間向兩端推進(jìn)，抵達(dá)服務(wù)區(qū)端頭后，反向向中間位置推進(jìn)，重復(fù)上述作業(yè)循環(huán)。開采過程中，服務(wù)區(qū)共有“正常推進(jìn)”、“拉斗鏟轉(zhuǎn)向”與“作業(yè)區(qū)交換”三種狀態(tài)，倒堆程序設(shè)計(jì)如表3-5所示：

3.3 雙工作面往返走行方案+拉斗鏟作業(yè)方式Ⅱ

“拉斗鏟雙工作面往返走行”方案中，拉斗鏟走行路線為同樣為“內(nèi)8字”型，拉斗鏟每次從服務(wù)區(qū)中間向兩端推進(jìn)，抵達(dá)服務(wù)區(qū)端頭后，反向向中間位置推進(jìn)，重復(fù)上述作業(yè)循環(huán)。開采過程中，服務(wù)區(qū)共有“正常推進(jìn)”、“拉斗鏟轉(zhuǎn)向”與“作業(yè)區(qū)交換”三種狀態(tài)，倒堆程序設(shè)計(jì)如表6-8所示：

4 方案評(píng)價(jià)與對(duì)比

表6 正常推進(jìn)狀態(tài)：以南部倒堆作業(yè)，北部采煤作業(yè)為例

表7 拉斗鏟轉(zhuǎn)向狀態(tài)：以南部倒堆作業(yè)，北部采煤作業(yè)為例

表8 作業(yè)區(qū)交換狀態(tài)：以南部倒堆作業(yè)完成，采煤作業(yè)開始為例

表9 作業(yè)區(qū)交換狀態(tài)：以南部倒堆作業(yè)完成，采煤作業(yè)開始為例

結(jié)合黑岱溝露天礦拉斗鏟倒堆工藝實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，確定方案評(píng)價(jià)指標(biāo)為：環(huán)節(jié)接續(xù)時(shí)間、設(shè)備布置空間、經(jīng)濟(jì)效益、拉斗鏟效率，具體分析如下：

4.1 環(huán)節(jié)接續(xù)時(shí)間

考慮到生產(chǎn)過程中地質(zhì)條件、各環(huán)節(jié)設(shè)備可靠性、生產(chǎn)計(jì)劃等存在不確定性因素，因此首先要保證綜合開采工藝系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)生產(chǎn)能力富余。其次，各環(huán)節(jié)設(shè)備的平均效率基本較為穩(wěn)定，所以在此生產(chǎn)能力基礎(chǔ)上還要確保各環(huán)節(jié)的接續(xù)時(shí)間具有一定的冗余度。

按照當(dāng)前黑岱溝露天煤礦穿爆環(huán)節(jié)、采煤環(huán)節(jié)及拉斗鏟倒堆環(huán)節(jié)推進(jìn)速度來看，三種倒堆開采程序設(shè)計(jì)方案均可以保證綜合開采工藝的正常接續(xù)。

4.2 設(shè)備布置空間

拉斗鏟倒堆工藝的應(yīng)用采場(chǎng)整體形態(tài)呈狹長的“浴缸”型，這一特點(diǎn)決定了設(shè)計(jì)中必須考慮以下問題：

（1）受倒堆工作面和原煤回采工作面空間影響，可布置的設(shè)備數(shù)量有限，限制了露煤速度的提高。方案一中，拉斗鏟倒堆程序是從兩端向中間推進(jìn)，推進(jìn)過程中走鏟路線為Z字型，可將原煤頂板整個(gè)采寬直接揭露。在必要情況下，原煤回采設(shè)備可采用追蹤式開采，在拉斗鏟未完成倒堆區(qū)剝離作業(yè)的情況下實(shí)現(xiàn)倒堆區(qū)原煤回采，為短時(shí)間提高原煤產(chǎn)量創(chuàng)造了空間。

然而優(yōu)化方案二、三中，拉斗鏟先從中間向兩端推進(jìn)挖掘超前溝，再借助工作面排土場(chǎng)側(cè)道路由兩端向中間推進(jìn)挖掘煤溝，挖掘煤溝前，原煤整個(gè)采寬并未全部揭露。因此相比方案一，方案二、三中原煤回采設(shè)備的入場(chǎng)時(shí)間相對(duì)較晚。

（2）拉斗鏟普遍存在軸承損壞、繃?yán)K斷裂等問題。因此新方案必須考慮拉斗鏟出現(xiàn)問題后，單斗-卡車工藝可替代拉斗鏟作業(yè)的工藝組織生產(chǎn)。優(yōu)化方案二，工作面空間主要位于煤臺(tái)階及煤溝上方，排土場(chǎng)僅有一條寬度10m左右聯(lián)絡(luò)通道，因此拉斗鏟一旦損壞，必然會(huì)占用工作面空間。這種情況下需要臨時(shí)修筑道路確保拉斗鏟出溝；而優(yōu)化方案一、三中，排土場(chǎng)已有拉斗鏟走行通道，因此拉斗鏟可移設(shè)至排土場(chǎng)進(jìn)行維修，避免了工作面空間的占用。

（3）拉斗鏟效率及整體經(jīng)濟(jì)效益。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，拉斗鏟移設(shè)周期內(nèi)可挖掘物料量對(duì)效率的影響占主導(dǎo)地位，拉斗鏟作業(yè)旋轉(zhuǎn)角度等因素對(duì)拉斗鏟效率影響與此相比較小。根據(jù)圖解計(jì)算，三項(xiàng)優(yōu)化方案中拉斗鏟移設(shè)周期內(nèi)可挖掘物料量基本相同，拉斗鏟作業(yè)旋轉(zhuǎn)角度差異較小，因此認(rèn)為三項(xiàng)優(yōu)化方案中拉斗鏟的作業(yè)效率基本相同。但由于優(yōu)化方案三的二次倒堆量遠(yuǎn)小于其他兩種作業(yè)方案，因此方案三的整體經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)。

綜合上述分析，三套優(yōu)化方案各項(xiàng)優(yōu)先情況見表9。當(dāng)前三套方案中，原煤回采工作面推進(jìn)速度均大于拉斗鏟倒堆推進(jìn)速度，方案一中原煤工作面空間優(yōu)勢(shì)可暫時(shí)不予考慮，而從經(jīng)濟(jì)效益角度考慮，若維持當(dāng)前拋擲爆破效果和條件，方案三最優(yōu)；若縮短爆寬以提高有效拋擲率，方案一最優(yōu)，但需重新考慮原煤分三層開采（每次僅采一層）以確保工作面空間。

5 結(jié)語

以黑岱溝露天煤礦為研究背景，對(duì)拋擲爆破-拉斗鏟倒堆工藝應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行系統(tǒng)分析，提出了排土場(chǎng)預(yù)留走行通道+拉斗鏟站立于連通采場(chǎng)及排土場(chǎng)的工作面作業(yè)（拉斗鏟作業(yè)方式Ⅰ）、排土場(chǎng)側(cè)臨時(shí)聯(lián)絡(luò)通道方案+拉斗鏟站立于連通采場(chǎng)及排土場(chǎng)的工作面作業(yè)（拉斗鏟作業(yè)方式Ⅰ）、雙工作面往返走行方案+拉斗鏟分別站立于采場(chǎng)與排土場(chǎng)工作面作業(yè)（拉斗鏟作業(yè)方式Ⅱ）三種倒堆開采程序優(yōu)化方案，并對(duì)每種方案作業(yè)流程進(jìn)行詳細(xì)分析河闡述，最后得到基于不同作業(yè)條件下，最優(yōu)經(jīng)濟(jì)效益的方案選擇。