黑岱溝露天煤礦輪斗系統連續開采工藝

張海旺

（神華準格爾能源有限公司黑岱溝露天煤礦 內蒙古鄂爾多斯）

一、引言

黑岱溝露天煤礦輪斗系統是從德國克虜伯公司引進的大型礦山挖掘設備，共有兩套輪斗系統。主要設備包括緊湊型輪斗挖掘機4臺，A皮帶車4臺，B皮帶車2臺，電纜/漏斗車4臺，卸料車2臺，排土機2臺，以及與之相匹配的膠帶運輸機12條，（其中帶寬1.4 m工作面膠帶機4條，帶寬1.8 m端幫膠帶機6條，帶寬1.8 m排土場膠帶機6條）和輪斗集中控制系統。輔助設備包括2臺履帶搬運車及液壓泵站等，承擔黑岱溝露天煤礦上部黃土的剝離任務。

二、輪斗系統工藝特點

黑岱溝露天煤礦輪斗系統工藝為連續開采工藝，即采掘、運輸及排棄為一體，它與間斷工藝、半連續工藝相比有一些特殊的優缺點。

1.優點

（1）生產能力大、效率高。由于輪斗系統工藝，采掘、運輸及排棄生產環節是連續作業，因此生產效率高，特別是在物料較好條件下，高效率的優點尤為明顯。并適于大規模開采。

（2）切削力較大。輪斗挖掘機切削力較大，可以直接采掘褐煤，省掉鉆孔、爆破等生產環節，生產工藝簡化，成本降低。

（3）對復雜的煤層可以進行選采。對煤層中硬度不高的夾矸以及煤、巖分界處的采掘，都可用輪斗挖掘機進行選采，不僅提高了煤炭資源的回采率，而且提高了煤炭質量，減少了選煤工作量。

（4）膠帶輸送機提升角度大。膠帶輸送機一般工作角度在10°～18°，鐵道運輸允許工作坡度在 10‰～15‰，汽車運輸允許工作坡度在6‰～10‰。可見膠帶輸送機輸送物料的提升角度要比鐵道運輸和汽車運輸大得多，因此采用膠帶輸送機系統輸送物料可以大大縮短運輸距離，與鐵道運輸相比，可節省大批鋼軌。

（5）動力消耗低、操作簡單維修方便。輪斗系統設備，采用電機驅動，單機操作多為按鈕、手柄、操作靈活省力，勞動條件好，安全可靠，與汽車、機車（蒸汽車、內燃機車等）相比，動力消耗低、維修方便。

（6）容易實現現代化管理。輪斗挖掘機成套設備，多采用集中控制，和間斷、半連續工藝相比機械化、自動化程度高，更容易實現現代化管理。

2.缺點

（1）設備初期投資高，對采掘物料的硬度有嚴格要求。

（2）專業性強，作業機動性差，要求系統有很高的可靠性，各環節之間需緊密配合。

（3）受地質條件、氣候因素影響較大。

三、輪斗系統開采工藝流程

黑岱溝露天煤礦輪斗生產系統由外排Ⅰ系統和內排Ⅱ系統兩套構成。

1.輪斗系統開采工藝流程

由輪斗挖掘機通過鏟斗將工作面黃土物料切下，經輪斗挖掘機→A皮帶車→電纜/漏斗車→1.4 m工作面膠帶機→1.8 m端幫膠帶機→1.8 m排土場膠帶機→卸料車→排土機，排棄至排土場，完成采掘、運輸、排棄流程。

2.輪斗系統集控室啟、停機控制過程

啟機過程：啟動排土機、啟動排土場膠帶機、啟動端幫膠帶機、啟動工作面膠帶機、啟動轉載機（A皮帶車）、啟動輪斗挖掘機依次順序啟動，稱為逆物料流啟動。

停機過程。停止斗輪挖掘機、停止轉載機（A皮帶車）、停止工作面膠帶機、停止端幫膠帶機、停止排土場膠帶機、停止排土機依次順序停機，稱為順物料流停機。

四、輪斗系統生產運行時間的分析

黑岱溝露天煤礦輪斗系統中，每臺輪斗挖掘機理論生產能力為3100 m3/h；每臺排土機理論生產能力為6200 m3/h。截至2013年底，輪斗系統已累計剝離黃土1.289億立方米，其中輪斗Ⅰ系統于1996年6月投入運行，輪斗Ⅰ系統排土機累計運行60 368 h，產量為6 428 208 m3；輪斗Ⅱ系統于2003年7月投入運行，輪斗Ⅱ系統排土機累計運行28 858 h，產量38 027 372 m3。

由于準格爾地區冬季溫度低，受冬季氣候影響，輪斗系統設備工作運行時間為9個月（每年3～12月初），輪斗系統工作運行天數約280 d，輪斗系統生產運行實行4班3倒制，每班工作8 h，每年可利用時間6720 h。根據2013年運行數據統計，輪斗Ⅰ系統實際生產運行時間為3981 h，產量為6 428 208 m3。影響生產運行時間的因素有5方面。

（1）設備維護保養時間。設備維護保養包括日常維護保養和計劃性維護保養。設備維護保養分為日檢、周檢、月檢、季檢、半年檢和年檢（在輪斗系統停止運行后進行）。輪斗Ⅰ系統維護保養時間約為368 h。

（2）設備故障影響時間。輪斗Ⅰ系統設備故障平均影響時間為841 h。

（3）設備工藝影響時間。由于輪斗系統工作面的不斷推進，膠帶需要進行移設和拆除，輪斗Ⅰ系統損失時間為1050 h。

（4）氣候影響時間。由于受下雨等氣候影響，輪斗Ⅰ系統損失時間為329 h。

（5）供電影響時間。由于受供電線路春檢等影響，輪斗Ⅰ系統損失時間為151 h。

從以上影響因素可以看出，設備工藝影響時間多，主要原因是輪斗Ⅰ系統由于工藝要求，拆除了一條膠帶機，采掘工作面條件差，移設次數多。其次，由于輪斗系統設備運行時間長，設備部件老化嚴重，設備故障多，影響設備運行。另外，氣候影響也占很大的比例，原因是露天礦區雨水比往年偏多。一般情況下，輪斗系統每年平均工作小時應在5200～5400 h。

五、輪斗系統開采工藝的經濟性分析

黑岱溝露天礦上部黃土的剝離，一般采取3種方式，一是外委承包剝離；二是單斗-卡車工藝剝離；三是輪斗系統剝離。

2013年露天礦輪斗Ⅰ系統黃土剝離量按600萬立方米計算：輪斗Ⅰ系統運營費用10.27元/m3（不包括折舊），總運營費6162萬元人民幣；采用外委承包剝離，運營費用11元/m3，總運營費用6600萬元；采用自營單斗卡車工藝，運距3 km左右，運營費用15.35元/m3，總運營費用9210萬元。可見，輪斗連續開采工藝剝離黃土成本最低、經濟性最好。

按照黑岱溝露天煤礦轉向過渡時期的規劃，黑岱溝露天煤礦內排場空間嚴重不足，且無外排土場，必須對輪斗系統進行重新布置。綜合考慮二條區工程位置（黑岱溝露天煤礦共有3個采區）、設備狀態等因素的影響，需要對輪斗系統進行整體搬遷。使用輪斗系統雖然有優點，但由于此次搬遷費用高，回收效益較慢，而且存在幾個具體問題。

（1）輪斗系統超前剝離3.5年，增加了近幾年的生產剝采比，從而增加了生產成本，5年后一條區內排土場的覆土工作難以進行。

（2）輪斗系統端幫膠帶經過的溝壑較深，填溝后難以保證其基礎的穩定性。

（3）輪斗系統（折舊已提完）設備均已老化，繼續使用每年將投入較大的維護費用；且還需購置新設備和配件。

（4）單斗系統內排空間不足。在不考慮黑岱溝露天礦剝離量進入哈爾烏素內排土場的情況下，內排土場需增高至1300 m水平。但由于排土場空間較小，外委施工單位無法增高至1300 m水平排棄，2015年300萬立方米剝離量及2016年4106萬立方米的剝離量無空間排棄。

（5）露天礦一條區東端幫供電線路，需要重新進行布設，費用約為100萬元。

（6）此次輪斗系統搬遷后，只能維持5年，5年后輪斗系統還需進行大搬遷或停用。

綜上所述，雖然輪斗系統在剝離黃土在成本上有很大的優勢，但是，考慮到以上因素的影響，黑岱溝露天煤礦輪斗系統決定停止運行。

六、輪斗系統典型事故分析與預防措施

導致事故發生的因素有人的不安全行為，機的不安全狀態，環境的不良影響和管理的欠缺。在事故原因構成中，人的不安全行為和物的不安全狀態是造成事故的直接原因將近占95%左右。當人的不安全行為和物的不安全狀態在一定時空發生交叉時，就是安全事故的觸發點。每次事故的發生不僅會給生產運行帶來影響，也會造成一定的經濟損失。因此，在輪斗系統生產過程中，分析事故的產生的原因，采取有效措施，預防事故的發生，把事故隱患消滅在萌芽中，有效避免事故的發生。

1.膠帶撕裂事故

（1）主要原因。在物料采掘中，由于大塊物料如泥土、石塊等砸向正在運轉的膠帶，砸傷部位被清掃器刮住或卡住，造成膠帶撕裂。

輪斗系統設備鋼結構件在膠帶運行中脫落，在物料轉載點處被卡住，造成膠帶撕裂。膠帶的托輥或滾筒等停止轉動或斷裂，受力卡住后，將膠帶撕裂。在設備維護檢修后，不慎將備件、工器具等遺留在膠帶上，導致卡住膠帶造成膠帶撕裂。

膠帶發生跑偏時未及時調整或膠帶防跑偏開關失靈，而發生膠帶撕裂。在膠帶運轉過程中，由于其他異物墜落在回程膠帶上，被卡在膠帶某個位置或膠帶與滾筒間，都會造成膠帶撕裂。

（2）預防措施。在輪斗挖掘機采掘物料時，操作人員要采用合理的切削方式，盡量減少大塊物料的產生。加強對設備的日常點檢和維護保養，檢查設備轉載點等重要部位，確保該部位的鋼結構件(比如犁式清掃器等)未松動或損壞。

設備運轉過程中，加強對膠帶的巡視檢查，發現托輥及滾筒等回轉部件不運轉或損壞，及時進行停機處理。檢修設備完畢后，要認真清理檢修現場，確保膠帶上無遺留工器具或備件等。

保證膠帶防跑偏開關等安全裝置的有效可靠，以便膠帶跑偏后自行保護停機，同時要隨時觀察膠帶運轉情況，若膠帶跑偏撒料嚴重，及時對膠帶進行調整。

按檢修工藝要求，經常調整膠帶滾筒清掃器，保證良好的清掃效果，發現異物及時清理。要不定期地檢查膠帶的接頭，以防出現起皮、鼓包等異常情況，若發生要及時進行處理或者重新硫化膠帶接頭。

2.輪斗挖掘機（皮帶車A、排土機）履帶脫軌事故

（1）主要原因。地面指揮人員監護不到位，操作人員與指揮人員配合不夠、呼喚應答不準確。一次扭車角度大，設備在短距離行走范圍內頻繁扭車（履帶板斷原因）。地面指揮人員所處位置不合適。地面平整不及時或地面橫向坡度大。安全保護裝置失效。履帶張緊度未達到要求。

（2）預防措施。加強地面監護，地面指揮與操作人員要默契配合。每次扭車角度＜5°，特殊情況應選擇更小的角度。

指揮人員應站立合適位置進行指揮，同時要清楚本班安全重點部位。保持地面平整；確保地面橫向坡度＜3%。加強對設備進行檢查，確保安全保護裝置齊全有效。按照技術要求張緊履帶裝置。

3.膠帶火災事故

（1）主要原因。膠帶機膠帶跑偏開關、膠帶打滑監測開關等失靈。滾筒、托輥等轉動部件的軸承損壞，造成筒體溫度升高而引燃膠帶。膠帶局部跑偏，摩擦膠帶機架引燃膠帶。外部明火，如檢修人員檢修時產生的焊渣或未滅的煙頭等引燃膠帶附近的易燃物。

（2）預防措施。加強日常檢查，保證設備的安全保護裝置齊全可靠。膠帶運行中，加強對膠帶的巡查，發現滾筒、托輥等轉動部件的軸承發熱，及時采取相應措施處理。及時調整跑偏膠帶。檢修人員檢修完設備后，要及時清理檢修現場，嚴禁煙火。配備足夠的滅火器等消防器材，并經常檢查確保其有效。

七、輪斗系統膠帶機的移設

隨著采掘工作面和排土場位置的不斷推進與改變，工作面膠帶機和排土場膠帶機需進行移設，以滿足采掘和排棄的要求。工作面膠帶機移設的天數一般為5 d，排土場膠帶機移設的天數一般為7 d。膠帶機移設情況的好壞，會直接影響膠帶機的運行，從而降低輪斗系統效率。

1.膠帶機移設前的工程技術要求

膠帶機移設前，要認真做好移設前工程準備工作，膠帶移設前需完成膠帶機移設工作面的平整工作，工作面平整度要求沿采掘帶（或排土場帶）橫向坡度＜2.5%，縱向坡度＜4%，工程質量的好壞，直接影響膠帶機移設的質量。

2.膠帶機的移設操作與技術要求

移設期間設一名現場總指揮，負責現場設備的統一協調與調度。移設前應作好切口，排空設備上的物料，將輪斗挖掘機、皮帶車A、電纜/漏斗車及排土機走到指定位置。松開膠帶張緊裝置、制動器，設備斷電，并做好電纜耦合器保護，揭開頭尾站錨固。平整移設工作面，平整程度以移設機能均勻移設為標準。測量并表處膠帶機的最終位置，按膠帶機基礎標準進行平整，基礎做好后側出膠帶機移設的最終位置。

根據膠帶機移設的最終位置，確定滑撬漏斗及皮帶車B的位置。工作面膠帶機移設步局在0.5～0.8 m。

電纜/漏斗車、卸料車行走曲率半徑≥120 m。由現場總指揮指定專人指揮移設機，并觀察鋼軌、魚尾板、中間架和電纜。移設到位后，按要求對膠帶機進行調直、調平，并進行試運行。

八、輪斗系統開采工藝的改造

隨著石油、輪胎價格的不斷上漲，露天礦開采成本也隨著增加，由于受生產技術要求和其他客觀因素的影響，輪斗Ⅰ系統于2013年12月停止運行，輪斗Ⅱ系統于2011年12月停止運行。為了盤活輪斗系統閑置設備，降低露天開采成本，可以將輪斗連續開采工藝改造為自移式破碎機半連續工藝。

自移式破碎機半連續工藝可以用于采煤及剝離巖石，實現了以電帶油，用膠帶輸送機代替卡車，可以節省為卡車道路維護的設備和人員，還減少了卡車尾氣的排放及揚塵，改善礦山環境，符合國家節能減排的方針政策。自移式破碎機半連續工藝綜合了間斷工藝的廣泛適應性和連續工藝高效率等優點，但此工藝對穿爆質量要求較高，還需增加物料的破碎環節。