布沼壩露天煤礦剝離工藝優化選擇

楊 宏，才慶祥，張天文，陳樹召，陳彥龍

(1. 中國礦業大學礦業工程學院，江蘇 徐州 221116；2. 小龍潭礦務局， 云南 開遠 661601)

布沼壩露天煤礦為云南省小龍潭礦務局的主力礦井，2006年達到4.8Mt/a的四期設計生產能力，并開始進行五期擴建。擴建工程完成后，布沼壩露天煤礦生產能力將達到13Mt/a。隨著剝離量的增大和露天礦采剝工程的推進，必須進行剝離工藝改造。

1 工藝現狀

布沼壩露天煤礦現行剝離工藝，為單斗-汽車間斷工藝和輪斗挖掘機連續工藝，隨著礦山工程發展和市場情況變化，四期擴建所采用的工藝均表現出了不同的問題。單斗-汽車間斷工藝機動靈活，是布沼壩露天煤礦四期擴建所采用的主要剝離工藝。但五期擴建后，該礦產量規模大幅度提高，剝離物的外排量和物料運輸需克服的高差均增大，因此采用單斗-汽車工藝物料提升高差大，汽車運距遠(已超過7km)，運營成本高。四期工程布置一套輪斗挖掘

機連續工藝系統(103)用于泥灰巖剝離，但由于物料含水量大、黏性大，連續工藝系統的生產能力嚴重利用不足。2003～2005年的統計數據表明，連續工藝系統年實際運行時間均小于2000h，實際生產能力不足800m3/h，遠小于帶式輸送機的運輸能力2200 m3/h。

2 開采條件

布沼壩露天煤礦經過半個世紀左右的開發，對單斗-卡車間斷工藝、輪斗挖掘機連續工藝和半連續工藝均有應用，而且對露天礦開發的物料巖性也有充分了解。因此，露天礦五期擴建工藝選擇，應對礦山物料條件、設備條件及生產條件予以充分考慮。

2.1 工程地質條件

小龍潭煤田是新第三紀小龍潭煤系地層構成的山間向斜盆地，區內三條較大的斷層(F2、F3、F4)形成了煤田的東、西、南自然邊界。南盤江為區內最大河流，橫切盆地腰部，將小龍潭煤田分割成江南、江北兩個井田。布沼壩露天煤礦屬江南井田。

2.2 物料條件

根據“國家發展改革委關于云南省小龍潭礦務局露天煤礦擴建項目核準的批復”，小龍潭礦務局布沼壩露天煤礦五期擴建規模為13Mt，生產能力凈增8.2Mt。因此，露天礦改擴建所選擇的生產工藝，必須具有生產能力大的特點，能夠滿足露天礦增產的要求。

布沼壩露天煤礦上覆土巖主要為表土層與泥灰巖層。該礦表土層厚約30.0m，結合本區氣候特點及地質條件，表土層的巖性特征為：含水量大、黏性高且不均勻的分布有硬度較高的鈣華。布沼壩露天煤礦的另一類主要剝離物為泥灰巖，該層物料相對較低且均一，可不經爆破而直接采裝。因此，泥灰巖既適用于輪斗挖掘機采裝，也可適用于單斗挖掘機直接挖掘。

2.3 邊坡條件

布沼壩煤系地層為一山間向斜盆地，煤層沿采場兩端幫向上翹起，工作幫除表土臺階外，深部各水平都是煤巖混采臺階，采用輪斗連續工藝必須要進行分流。由于布沼壩露天礦的排土場建在采場的西部，運煤出入溝建在采場的北部，分流系統必須環采場的西北幫。然而，采場西北幫地質構造復雜，軟弱巖層(黏土巖)厚度大、強度低、分布范圍大，邊坡穩定性差，多年來一直處于蠕變滑坡狀態，雖經多次清幫及采取多種加固措施處理，邊坡穩定程度一直不高。隨著采場服務時間的延長，產生蠕變滑坡的可能性將會更大。隨著采場深度的加大，邊坡高度越來越大，所形成的高大邊坡，其穩定性將會進一步降低。所以，再建分流系統難度比較大，維護也比較困難，對露天礦正常生產威脅比較大。

2.4 設備條件

布沼壩露天煤礦現有設備可滿足年產原煤4.8Mt的生產要求。現有采裝設備有輪斗挖掘機、液壓挖掘機和裝載機，運輸設備有自卸卡車和帶式輸送機，排土設備有排土機和推土機，其中相當部分為礦山四期擴建新購設備。因此，五期擴建的工藝選擇，應盡量使用現有設備并保證其效率的發揮。

3 工藝選擇

3.1 表土剝離工藝

根據國內露天礦表土剝離工藝的應用經驗，主要有單斗-卡車間斷工藝和輪斗-帶式輸送機-排土機連續工藝兩種。一般而言，表土為松散物料，硬度小，便于輪斗挖掘機直接采裝，因此是采用連續工藝的最優資源。但對于小龍潭礦務局布沼壩露天煤礦而言，表土及黏土類巖土為剝離物的主體，但多年的生產實踐表明，該礦表土層不適合采用連續工藝作業。其主要原因為：首先由于表土層含水量大，排水困難，采用輪斗連續工藝開采，極易造成系統各環節黏結、堵料、物料液化、提升運輸困難等；另一方面，由于表土層中不均勻的分布有硬度較大的鈣華層，需要進行爆破才能采裝，因此不適宜采用輪斗挖掘機采裝。此外，由于表土及黏土巖黏性高、含水量大，采用帶式輸送機運輸后成流狀，與排土場穩定不利。因此，研究推薦布沼壩露天煤礦五期擴建表土剝離，采用單斗-卡車間斷工藝。

3.2 泥灰巖剝離工藝

布沼壩露天煤礦的泥灰巖層，是一套淺灰色厚層狀泥灰巖，致密均一，具貝殼狀斷口，細水平層理，下部顏色較深，泥質膠結，節理發育，屬不堅固巖石，其濕抗壓強度為1400～4100kPa，天然狀態下的泥灰巖因含水表現較軟，風干后則較硬。對于泥灰巖剝離而言，可行工藝方案有如下三種：方案Ⅰ：全單斗-汽車間斷工藝；方案Ⅱ：全單斗-汽車-破碎站-帶式輸送機半連續工藝；方案Ⅲ：單斗-汽車間斷工藝+一套輪斗連續工藝+卡車—破碎站半連續工藝綜合工藝。

全單斗-汽車工藝方案的系統可靠性高，機動靈活，對巖性、選采等適應性強，便于管理，比較適合布沼壩露天煤礦所屬企業性質。但布沼壩露天煤礦排土運距較遠，采用汽車運輸成本高；且本方案不能利用現有輪斗挖掘機-帶式輸送機系統，需增加設備投資。

全單斗-汽車-破碎站-帶式輸送機半連續工藝方案，可以充分發揮汽車運輸機動靈活的特點，無需建分流系統；地面運輸采用帶式輸送機，可以適應布沼壩露天煤礦剝離運輸高差大，運距遠的特點。缺點是現有輪斗挖掘機無法利用，需要增加其它設備投資，而且如果泥灰巖全部采用帶式輸送機運往排土場，無法滿足排土場基底建設的特殊需要。

單斗-汽車間斷工藝+輪斗連續工藝(一套，采泥灰巖)+半連續工藝(卡車-破碎站)綜合工藝方案，主要是考慮到502系統采用輪斗挖掘機作業時，系統能力只能達到150萬m3/a左右，帶式輸送機系統的能力沒有得到充分發揮；搭配一套半連續工藝后，可使系統的生產能力提高，增加502系統的運量，降低運輸成本。系統設置：初期輪斗挖掘機和卡車-破碎站共用一套帶式輸送機系統，后期取消輪斗挖掘機，完全采用卡車-破碎站半連續工藝，以簡化工作面管理。本方案的優點是可以充分利用現有的設備及系統，通過輪斗挖掘機和卡車-破碎站互補作業，提高系統的利用率；但存在系統間的相互干擾。

綜合以上分析，研究認為，布沼壩露天煤礦泥灰巖剝離采用綜合工藝方案是合理的。初期保留輪斗連續工藝與新增半連續工藝并聯，后期取消連續工藝系統以簡化工藝系統布置。

4 破碎站選擇

根據布沼壩露天煤礦泥灰巖賦存情況和開拓運輸系統布置，該礦新增泥灰巖剝離半連續工藝系統可行的破碎設備，為半固定破碎站和移動式破碎站。

4.1 半固定破碎站

布沼壩露天煤礦剝離物全部運往外排土場排棄，因此物料的運輸相對集中，具備應用半固定破碎站半連續工藝的條件。破碎站布置于西幫203-1帶式輸送機一側，工作面采出的泥灰巖由卡車運至破碎站，破碎后由帶式輸送機運至龍橋排土場經排土機排棄。隨著采場工作幫的推進，破碎站可逐步向南移設。

4.2 移動式破碎站

移動式破碎站可以適應工作面帶式輸送機移設頻繁的特點，因此可以布置在103帶式輸送機上。五期擴建后，布沼壩露天煤礦同時存在東幫和南幫兩個工作幫，且采場內的剝離物均需通過西幫的出入溝運往龍橋排土場，因此將破碎站布置于103工作面帶式輸送機上，可大幅度縮短泥灰巖的卡車運距，降低剝離費用。

4.3 設備選擇

根據小龍潭礦務局設備考察結果，備選的半固定破碎站為MMD公司生產的(采用雙齒輥式破碎機)，廠家報價為500萬元(合人民幣3495.6萬元)；移動式破碎站為DBT公司生產的他移式破碎站(采用錘式滾軸破碎機)，廠家報價為225.6萬元(合人民幣2508.3萬元)。兩方案生產費用分析見表1。

表1 系統生產能力

根據以上分析，在年生產能力為Q的條件下，計算泥灰巖剝離費用如下：

半固定：Cb=11.68×100×Q+315=

(1)

移動式：Cy=11.19×100×Q+354=

(2)

由此可見，不同類型破碎站的應用效果與泥灰巖剝離量有關，擬合兩者關系見圖1。

圖2 生產費用與剝離量關系

根據以上分析，當半連續工藝系統的生產能力大于0.8Mm3/a時，采用移動式破碎站的投資和單位生產費用均較低，具有經濟優勢；另外，他移式破碎站的制造、調試時間較短，可實現盡快投入，有利于保證露天礦剝離進度。布沼壩露天煤礦兩年來應用經驗表明，該礦條件下，泥灰巖剝離采用移動式破碎站半連續工藝是成功的。

5 研究結論

論文對布沼壩露天煤礦條件下剝離工藝進行優化研究，得出如下結論：

(1)由于表土含水量大，只能采用單斗-卡車間斷工藝剝離；

(2)泥灰巖剝離可采用間斷工藝、連續工藝或半連續工藝，綜合考慮物料條件和現有設備情況，研究推薦采用綜合工藝：初期為間斷工藝+連續工藝+半連續工藝，輪斗挖掘機與卡車-破碎站半連續工藝并聯，后期取消輪斗挖掘機以簡化系統布置；

(3)技術經濟分析結果表明，布沼壩露天煤礦新增半連續工藝系統，采用移動式破碎站不僅投資省，而且當系統生產能力大于0.8Mm3/a時，生產費用也較低。

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