白音華一號露天煤礦現有生產系統合理生產能力研究

馬淑文

(內蒙古平西白音華煤業有限公司，內蒙古自治區錫林郭勒盟，026200)

對于合理產能、科學產能的定義有很多，但大多圍繞資源、經濟、環境、人4方面進行概括描述。國外以產能利用率作為考察一個行業產能合理與否的標準，歐美國家一般認為產能利用率達到70%～80%為合理，否則即為過剩。而國內學者更多是定性給出了考察角度，具體到煤炭行業又有其與眾不同之處。白音華一號露天煤礦利用現有設備，通過生產能力計算分析，從而確定合理的生產能力。

1 一號露天煤礦生產能力計算與分析

1.1 穿孔爆破設備

白音華一號露天煤礦穿孔、爆破工程由外委單位完成，施工承包商為內蒙古赤峰平安工程有限責任公司，該公司持有內蒙古自治區公安廳頒發的爆破設計施工二級資質，使用CM358型鉆機1臺，鉆機現狀態完好，鉆機參數見表1。

表1 鉆機參數表

1.1.1 爆破巖(煤)性

(1)剝離物巖性及強度特征。礦田內第四系表土層以細砂、粉砂為主，局部夾亞粘土和砂礫石層，結構松散，巖石抗壓強度<0.8 MPa；新近系上新統巖層由粘土巖、砂質粘土巖、砂礫巖組成，巖石抗壓強度1.56～9.60 MPa，屬軟巖類；新近系底板至3#煤組底板巖層組以泥巖為主，其次為粉砂巖和薄層粗砂巖，巖石抗壓強度0.26～45.10 MPa，其中：軟巖占67.9%、中硬巖占30.3%、硬巖占1.9%，屬軟巖偏中硬類。

(2)煤層強度特征。煤層約占地層總厚度的15%～20%，煤的抗壓強度2.81～40.86 MPa，屬中硬巖類。根據補充勘探地質報告統計數據，礦田內軟巖占85.0%，中硬巖占23.5%，硬巖占1.5%。按照《煤、泥炭地質勘查規范》(DZ/T0215-2002)[1]分類，白音華一號露天煤礦煤、巖層整體強度屬含少量硬巖的軟巖類巖層。初步設計確定在正常開采情況下，煤、巖層均不爆破，實際采剝生產中對煤層中硬巖區段采取爆破，剝離巖層不爆破。

(3)爆破器材及炸藥。采用垂直多排深孔減弱松動爆破；采用導爆管排間微差起爆；采用乳化炸藥或重銨油炸藥。

(4)作業參數。爆破作業參數見表2。

表2 爆破作業參數表

注：此表為主采2#煤層爆破設計數值

1.1.2 穿爆環節能力計算公式

(1)

式中：n——設備臺數，臺；

Pda——單臺穿孔設備能力，萬m3/a。

單臺穿孔設備能力按下式計算：

Pda=10-4Hy·Mh·Cb·Rd

(2)

式中：Hy——年正常作業小時數，h；

Mh——小時效率，m/h；

Cb——爆破出巖率，m3/m；

Rd——鉆孔利用率，%。

1.1.3 計算過程及結果

CM358型鉆機計算參數如表3所示。

表3 CM358型鉆機計算參數

經計算，穿爆環節中CM358型鉆機的單臺能力為179萬m3/a，即白音華一號露天煤礦穿孔設備總能力為179萬m3/a。

白音華一號露天煤礦穿爆量占全年采剝總量的2%，不需爆破的松散物料計劃挖掘量為8771萬m3/a。

白音華一號露天煤礦穿爆能力為179萬m3/a，不需爆破的松散物料挖掘量為8771萬m3/a，合計為8950萬m3/a。按2015-2017年的3年均衡剝采比5.10 m3/t計算，折合原煤生產能力為1530萬t/a。

1.2 采裝環節能力

白音華一號露天煤礦采裝設備有：液壓反鏟、電鏟、前裝機及輪斗挖掘機。采用剝離全部外包，采煤部分自營、部分外包的生產方式。

自有設備為19臺單斗采掘設備，其中：WK-12C型電鏟2臺，WK-4B型電鏟3臺(1臺檢修)，RH40E型液壓反鏟1臺，CED650-6型液壓反鏟1臺，EC460BLC型液壓反鏟4臺，L350F前裝機2臺，CLG856前裝機6臺。各設備狀態完好，詳細參數見表4。

表4 單斗挖掘設備參數表

1.2.1 采裝環節能力計算公式

(3)

式中：Pla——單臺(套)采裝設備(系統)能力，萬m3/a。

單臺采裝設備能力按下式計算：

Pla=10-4VhHy

(4)

式中：Vh——設備(系統)正常作業平均小時能力，m3/h。

1.2.2 核定計算參數的選取及依據

單斗挖掘機計算參數選取如表5所示。

確定WK-12C型電鏟單臺能力為159萬t/a，WK-4B型電鏟單臺能力為76萬t/a，RH40E型電鉤機單臺能力為47.8萬t/a，CED650-6型鉤機單臺能力為7.47萬t/a，L350F前裝機單臺能力為159萬t/a，EC460B型液壓反鏟單臺能力為51.36萬t/a，CLG856前裝機單臺能力為31.6萬t/a。

1.2.3 計算過程及結果

經計算，WK-12C型電鏟、CED650-6型液壓反鏟、EC460BLC型液壓反鏟單臺能力分別為159萬t/a、7.47萬t/a和51.36萬t/a。

表5 單斗挖掘機計算參數

確定白音華一號露天煤礦自有設備采煤能力530萬t/a，經核查2015-2017年外委原煤破碎工程合同及完成情況，核定外委采煤能力700萬t/a，合計1230萬t/a(約918萬m3/a)。

經核查2015-2017年外委剝離工程合同及完成情況，確定外委剝離能力6500萬m3/a。白音華一號露天煤礦采裝設備總能力為7418萬m3/a。按2015-2017年均衡剝采比5.10 m3/t計算，折合原煤生產能力為1268萬t/a。

1.2.4 采煤能力保障

對于近水平煤層露天礦，煤炭生產能力可按下式計算：

(5)

式中：Ap——生產能力，t/a；

m——煤層厚度，m；

v——工作幫水平速度，m/a；

α——煤層傾角，取平均傾角4°；

β——工作幫坡角，取6°～8°；

γ——煤層容重，t/m3；

η——煤層回采率，取97.25%。

白音華一號露天煤礦共有可采及局部可采煤層7層，各煤層平均厚度、工作線長度、推進速度及計算可達到的生產能力見表6。

表6 白音華一號露天煤礦各煤層生產能力計算表

根據計算結果，考慮采煤工作面布置、采場水平推進速度等，白音華一號露天煤礦生產能力滿足1200萬t/a是有保障的。

1.3 運輸環節能力

1.3.1 運輸設備

白音華一號露天煤礦現有SF31904-C型自卸卡車11臺，卡車參數見表7，目前未正式投入運行。2015-2017年剝離、煤炭運輸全部采用外包方式。

表7 卡車參數表

1.3.2 運輸系統

白音華一號露天煤礦有外包剝離干線道路5條，均通往北排土場。運煤干線道路2條，分別通往一號破碎站及地表。剝離道路采取空重車分離運行方式，標準均為雙車道二級礦山公路，剝離路面寬度35 m。煤炭運輸道路標準為二級礦山公路，路面寬度36 m。道路維修輔助設備齊全，道路狀況良好，日常養護及時，各類安全警示標志清晰、明確、醒目。車輛使用、檢修等管理制度齊全、完整。

1.3.3運輸環節能力計算公式

(6)

式中：Pha——單臺(套)運輸設備(系統)能力，萬m3/a。

運輸設備能力按下式計算：

Pha=10-4Vh·Hy

(7)

1.3.4 計算參數的選取及依據

(1)剝離運輸能力。2015-2017年白音華一號露天煤礦剝離全部采取外包方式，乙方按合同規定的任務量配備相應的運輸設備。依據歷年外包剝離工程量及2017年5個剝離單位實際完成的任務量，確定白音華一號露天煤礦剝離運輸能力為6500萬m3/a。

(2)煤炭運輸能力。根據白音華一號露天煤礦初步設計SF31904-C型自卸卡車生產能力計算結果，參照臨近霍林河礦區南露天煤礦相同型號自卸車實際運行數據，確定年正常作業時間取3860 h，小時作業能力取174 m3/h，因此確定SF31904-C型卡車單臺作業能力為67萬m3/a。外包單位煤炭運輸能力：經查2015-2017年外委原煤破碎工程合同及完成情況，確定外委施工單位煤炭運輸能力可達到1246萬t/a(2017年)。11臺自有運輸設備投入運行后，可根據實際需要核減外委煤炭運輸量。

(3)白音華一號露天煤礦2015-2017年剝離運距4.9～5.21 km，剝離提升高度90～119 m；2018-2020年計劃剝離運距5.6～5.88 km，剝離提升高度160～174 m。剝離、采煤運距及提升高度變化不大，因此，對運輸環節能力基本無影響。

1.3.5 計算過程及結果

經計算，運輸環節中SF31904-C型卡車單臺運輸能力為67萬m3/a，白音華一號露天煤礦自有運輸設備總運輸能力為737萬m3/a。

外包剝離運輸能力6500萬m3/a，11臺SF31904-C型卡車投入運行后，確定外包煤炭運輸能力取256萬t/a(約191萬m3/a)，則外包運輸能力Ph2總計為6691萬m3/a。

確定白音華一號露天煤礦運輸環節總能力為7428萬m3/a；按近3年(2015-2017年)均衡剝采比5.10 m3/t計算，折合原煤生產能力為1270萬t/a。

1.3.6 運輸環節能力保障

《煤礦生產能力核定標準》[2]第四十三條規定，露天煤礦運輸環節能力主要核定運輸設備能力，對運輸系統能力未做要求，但根據生產實際，運輸系統能力是運輸設備能力的保障。

(1)車流密度。車流密度按下式計算：

(8)

式中：N——車流密度，輛/h；

Q——通過的年運量，m3；

K——產量波動系數，取1.1；

H——年工作日數，取270 d；

G——汽車車廂容積，m3；

K1——時間利用系數，取85%；

K2——汽車容積利用系數，取100%。

按照上述公式計算白音華一號露天煤礦各條運輸道路的車流密度，計算結果見表8和表9。

(2)道路通過能力。雙車道的通過能力按下式計算：

(9)

式中：Nk——道路通過能力，輛/h；

v——汽車運行速度，取30 km/h；

Kr——運行不均衡關系，與電鏟數量有關，取0.65；

Km——會車影響系數，在空重車分離運行的條件下，取1；

Kb——制動安全系數，取0.5；

S0——同一方向上汽車間安全距離，即停車視距，取50 m。

經計算，道路最大通過能力為195輛/h，均大于各主干線道路的最大車流密度148輛/h。因此，白音華一號露天煤礦生產能力確定為1200萬t/a在運輸系統方面是有保障的。

表8 白音華一號露天煤礦運輸道路車流密度(剝離)

表9 白音華一號露天煤礦運輸道路車流密度(煤炭)

1.4 排土環節能力

白音華一號露天煤礦剝離采用單斗—卡車間斷工藝，采用邊緣式排土，排土設備為推土機和前裝機，排土工程全部外包，5個外包剝離施工單位分別負責各自標段的排土工程，外包剝離施工單位現有功率220HP推土機10臺，輪式前裝機20臺，各推土機運行狀態完好。

1.4.1 排土環節能力計算公式

(10)

式中：Ps——排土能力，m3/a；

Psa——單臺(套)排土設備(系統)能力，指可服務的排棄量，而不是實際推送量，萬m3/a。

排土設備能力按下式計算：

Pm=10-4Vh·Hy

(11)

式中：Pm——卸煤能力，破碎口和地面煤堆卸煤能力，m3/a。

1.4.2 計算參數選取及依據

經核查2015-2017年外委剝離工程合同及完成情況，確定排土能力Ps取6500萬m3/a。

但此能力反應剝采總能力中總的剝離能力。為了與其他環節的剝采總能力比較，核定排土總能力時，加入采出的原煤量(體積)Pm，即：

(12)

(13)

ρ——原煤視密度，取1.34 t/m3；

R——均衡剝采比，取5.10 m3/t。

因此，確定的排土環節能力為7451萬m3/a，按近3年(2015-2017年)均衡剝采比5.10 m3/t計算，折合原煤生產能力為1274萬t/a。

1.4.3 排土環節能力保障

《煤礦生產能力核定標準》[2]第四十四條規定，露天煤礦排土環節能力主要核定排土設備能力，對排土空間未做要求，但根據生產實際，充足的排土空間是排土設備能力發揮的重要保障。

2018-2020年白音華一號露天煤礦剝離量6430萬m3、6513萬m3、6325萬m3，計劃使用內排土場、北排土場。2018-2020年排土場容量見表10。

表10 白音華一號露天煤礦2018-2020年排土場容量

因此，白音華一號露天煤礦生產能力確定為1200萬t/a時排土空間滿足剝離物排棄要求。

2 原煤生產能力確定

2.1 各環節剝采能力分析

原煤生產能力核定共4個環節：穿爆環節、采裝環節、運輸環節、排土環節，其各自的能力分別為8950萬m3/a、7418萬m3/a、7428萬m3/a、7451萬m3/a。

2.2 確定最終剝采總能力

核定剝采能力取各環節能力的最小值，即：

Pt=min{Pd+Vu,Pl,Ph,Ps}

(14)

式中：Pt——剝采能力，萬m3/a；

Vu——不需爆破的松散物料計劃挖掘量，萬m3/a。

穿爆環節、采裝環節、運輸環節、排土環節中，采裝環節的能力最小，故根據上述剝采能力的選取原則，取采裝環節能力為該露天煤礦的剝采總能力。

2.3 計算原煤生產能力

根據剝采比、原煤視密度和原煤系數計算原煤生產能力。

原煤生產能力計算公式：

(15)

式中：Pc——核定的原煤生產能力，萬t/a；

r——原煤系數，r=1。

核定前一年、當年、后一年剝采比見表11。

表11 核定前一年、當年、后一年剝采比

根據上表計算的3年均衡剝采比為：

(16)

將數據代入公式，計算原煤生產能力為1268萬t/a。

3 生產系統生產能力確定

3.1 采煤生產系統生產能力確定范圍與環節組成

采煤生產系統生產能力核定的范圍為：投入使用的自營部分和外包部分。

采煤生產系統的環節分為：主要設備(包括破碎、輸送、堆料等設備)、儲煤場、汽車運輸。

3.2 采煤生產系統處理原煤的生產能力

3.2.1 主要設備處理原煤的生產能力

投入使用的自營部分主要設備的生產能力為：半移動式破碎站生產能力2000 t/h，實測最小能力為1753.42 t/h，取1750 t/h；二次破碎機生產能力2000 t/h；懸臂式斗輪堆取料機生產能力3600 t/h；M111、M201、M202、M203帶式輸送機輸送量2000 t/h，M209、M311帶式輸送機輸送量3600 t/h。按照《煤礦生產能力管理辦法和核定標準》[2]的有關規定，投入使用的自營部分主要設備處理原煤的生產能力取Q1為1750 t/h。

外包部分的主要設備生產能力為：四川中成煤炭建設(集團)有限責任公司的半移動式破碎站生產能力Q2為400 t/h；遼寧煤建工程集團有限公司的半移動式破碎站生產能力Q3為400 t/h；西烏珠穆沁旗蒙北運輸有限責任公司的輪斗采煤設備生產能力為Q4為1125 t/h。

依據《煤炭工業露天礦設計規范》[3](GB50197-2015)，主要設備處理原煤的生產能力按下式計算，計算所得數據為1293.6萬t/a：

(17)

式中：A——處理原煤核定能力，萬t/a；

Q——主要設備處理能力，t/h；

d——主要設備年工作日數，取330 d；

h1——主要設備每日有效工作小時數，16 h/d；

k1——不均衡系數，一般為1.2～1.5，取1.5。

3.2.2 儲煤場處理原煤的生產能力

投入使用的自營部分條形儲煤場容量為2×7.5萬t。外包部分的儲煤場容量為：四川中成煤炭建設(集團)有限責任公司半移動式破碎站配套的儲煤場容量為4萬t；遼寧煤建工程集團有限公司半移動式破碎站配套的儲煤場容量為10萬t；西烏珠穆沁旗蒙北運輸有限責任公司輪斗采煤配套的儲煤場容量為2萬t。儲煤場合計總容量為3.1萬t。

依據《煤炭工業露天礦設計規范》[3](GB50197-2015)，采用間斷或半連續開采工藝時，儲煤場容量一般為3～7 d的露天煤礦生產能力，本次原煤處理能力確定按5 d考慮，則儲煤場處理原煤的生產能力2244萬t/a。

3.2.3 汽車運輸處理原煤的生產能力

依據《煤礦生產能力管理辦法和核定標準》[2]，汽車運輸處理原煤的能力根據下式計算，計算所得數據為1413.928萬t/a：

A=330×10-4A1·k1·T

(18)

式中：A——裝車外運量，萬t/a；

k1——運輸不均勻系數，煤礦自有汽車隊取0.9，外委汽車隊取0.8，本次核定取0.8；

T——每日裝車作業時間，本次核定取20 h/d；

A1——小時裝車能力，t/h。

裝車能力按下式計算，計算結果為2676 t/h：

(19)

式中：G——每輛車平均載重(因外運汽車有兩種載重，本次核定按加權平均計算)，t；

ns——可同時作業裝車車位數，本次核定取4；

t1——每輛車調車作業時間，本次核定取2 min；

t2——每輛車平均裝車時間，本次核定取3 min。

3.3 最終確定的生產系統核定處理原煤生產能力

原煤生產系統中各環節處理原煤能力計算的結果如下：主要設備處理原煤的核定能力為1293萬t/a；儲煤場處理原煤的核定能力為2244萬t/a；汽車運輸處理原煤的核定能力為1413萬t/a。

依據《煤礦生產能力管理辦法和核定標準》[2]的相關要求，原煤生產系統處理原煤的核定能力為1293萬t/a。

4 生產能力研究分析結果

4.1 各環節生產能力分析

經各環節生產能力的測定、計算及分析，白音華一號露天煤礦各環節生產能力確定情況如下：穿爆環節能力為1530萬t/a；采裝環節能力為1268萬t/a；運輸環節能力為1270萬t/a；排土環節能力為1274萬t/a；供電系統能力為2500萬t/a；生產系統能力為1293萬t/a。

4.2 安全與環境保護分析

白音華一號露天煤礦在煤炭產能增長的同時，把安全生產與環境保護作為重點工作來抓，同時積極履行企業社會責任，為地方經濟發展和草原生態環境保護作出了重要貢獻。白音華一號露天煤礦始終把安全管理放在重要位置，安全生產工作保持著長期平穩發展的良好態勢，2017年通過內蒙古自治區煤炭工業局、內蒙古煤礦安全監察局、國家一級安全生產標準化專家組驗收，被評為一級安全生產標準化煤礦。環境保護工作方面，白音華一號露天煤礦全面推進綠色礦山建設，工業廠區綠化率達70%，植被成活率在75%以上。白音華一號露天煤礦在產能擴大的同時實現了安全生產與環境保護的協調發展，因此將該礦生產能力確定為1200萬t/a在安全與環境方面是有保障的，是可行的。

4.3 煤礦合理生產能力計算結果

白音華一號露天煤礦合理生產能力計算工作從露天煤礦境界內現存資源儲量、采場四大生產環節能力、輔助環節保障、生產系統能力、采場剝采工程均衡狀態、邊坡穩定、煤炭市場、生產安全、生態恢復及礦區環境治理等進行了較全面和嚴格的核定。根據各系統生產能力計算結果，取其中最低能力為白音華一號露天煤礦綜合生產能力，確定白音華一號露天煤礦綜合生產能力為1200萬t/a。

5 結語及建議

5.1 結語

區域內煤炭資源合理產能系統是一個受區域經濟發展、煤炭企業成本控制、安全生產、環境承載力等多重約束條件影響的復雜系統。合理的生產工藝和生產系統對煤礦的設備選擇、臺階參數的選擇以及煤礦產能至關重要，合理的生產能力不僅對煤礦的發展重要，對煤礦的經濟以及地區的經濟也有著重要的影響。通過對白音華一號露天煤礦生產能力的研究得出以下結論：

(1)該礦區自上而下分別為1#、2#、3#煤組，3#煤組在該區分叉為3-1#、3-2#兩個相對獨立的亞組。勘查區含煤地層控制厚度最小118.01 m，最大474.66 m，平均283.70 m。

(2)通過對5種開采工藝的綜合分析和比選，最終確定開采工藝為單斗—卡車—半移動破碎站—帶式輸送機半連續工藝。白音華露天煤礦達產時期剝離物和煤的半連續工藝系統，根據剝離和采煤工作面的推進強度，半固定式破碎站每1～2年移設一次。

(3)計算得出穿爆、采裝、運輸、排土、原煤生產能力以及供電系統的能力，綜合比較，最終確定煤礦合理的產能為1200萬t/a。

5.2 建議

(1)露天煤礦剝離及部分采煤采用外包方式，有效降低了生產成本，但也存在外包單位多、設備能力小、作業面分散等現象，建議進一步加強對外包單位的管理，落實安全責任，確保安全生產。

(2)通過生產能力核定，尋找企業在技術和管理上的薄弱環節，采取有效措施提高薄弱環節的生產能力，對于生產能力富余的環節也要通過全面的分析研究，進一步加強自有設備管理與維護，提高新增設備利用率和工作效率，同時繼續做好環境保護等工作。