露天礦輪斗連續(xù)系統(tǒng)移設(shè)布置時(shí)空優(yōu)化研究

馬婧佳，張靈童

(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)開(kāi)采工藝具有效率高、消耗低、工作安全、節(jié)省勞動(dòng)力、保護(hù)環(huán)境、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用。系統(tǒng)移設(shè)主要是對(duì)系統(tǒng)中帶式輸送機(jī)進(jìn)行移設(shè)，包含機(jī)頭驅(qū)動(dòng)站、過(guò)渡橋、尾站、中間架等[1]。扎哈淖爾露天礦輪斗連續(xù)系統(tǒng)2014年投入生產(chǎn)，布置于露天礦最上部開(kāi)采松散層。目前有關(guān)輪斗連續(xù)系統(tǒng)的研究主要針對(duì)工作面帶式輸送機(jī)移設(shè)方式以及輪斗連續(xù)系統(tǒng)能力等方面，孫進(jìn)步等通過(guò)增加移設(shè)設(shè)備縮短移設(shè)時(shí)間提高系統(tǒng)能力[2]，孫國(guó)敏研究帶式輸送機(jī)方式及移設(shè)過(guò)程[3]，潘博等通過(guò)調(diào)整作業(yè)參數(shù)減少移設(shè)次數(shù)提高系統(tǒng)能力[4]，王文忠和王世文對(duì)小龍?zhí)哆B續(xù)工藝能力制約因素進(jìn)行分析提出改進(jìn)思路[5，6]，李亮盼和張文英等針對(duì)黑岱溝露天礦輪斗挖掘機(jī)系統(tǒng)使用現(xiàn)狀提出改進(jìn)思路[7，8]，王晨光研究了元寶山連續(xù)工藝的應(yīng)用和改進(jìn)[9]，彭世濟(jì)對(duì)連續(xù)工藝系統(tǒng)可靠性進(jìn)行研究[10]，王學(xué)中研究了黑岱溝連續(xù)工藝系統(tǒng)的能力確定[11]，王東旭針對(duì)扎哈淖爾露天礦半連續(xù)系統(tǒng)移設(shè)方案進(jìn)行了平面空間布置方式的研究[12]。對(duì)于輪斗連續(xù)系統(tǒng)空間布置方面的研究較少，移設(shè)布置時(shí)空優(yōu)化對(duì)輪斗連續(xù)系統(tǒng)能力發(fā)揮影響較大，有必要進(jìn)行此方面的研究。

1 項(xiàng)目概況

1.1 礦山開(kāi)采條件

扎哈淖爾露天礦為大型生產(chǎn)露天礦，生產(chǎn)規(guī)模為18.0Mt/a，屬霍林河煤田二號(hào)露天采區(qū)，礦區(qū)的自然氣候特點(diǎn)表現(xiàn)為干旱、風(fēng)沙大、冬季嚴(yán)寒、凍結(jié)期長(zhǎng)等。地形平坦，礦區(qū)內(nèi)地層可大致分為上部松散層、中部巖石層和煤層，上部松散層主要由第四系和第三系松散土層組成。露天開(kāi)采范圍內(nèi)松散層平均厚度68m，由東至西，厚度漸大，東部?jī)H20～30m，西部平均厚度70m左右，最厚處大于80m，松散層抗壓強(qiáng)度為2.94～7.06MPa，松散層底板近水平賦存，正常情況下可使用輪斗進(jìn)行開(kāi)采。

露天礦境界范圍內(nèi)松散層內(nèi)部包含三個(gè)含水層，即第四系全新、上更新統(tǒng)(Q3+4)含礫細(xì)砂含水層；中下更新統(tǒng)(Q1+2)砂礫石含水層；第三系上新統(tǒng)(N12)砂礫石(泥礫)含水層。

1.2 系統(tǒng)作業(yè)條件

輪斗連續(xù)系統(tǒng)由輪斗挖掘機(jī)、帶式輸送機(jī)和排土機(jī)組成。地面膠帶機(jī)由5條膠帶組成，分別為L(zhǎng)114采掘工作幫單面平行可移設(shè)膠帶、L118排土工作面雙面扇形可移設(shè)膠帶、L115、L116、L117三條半固定式膠帶組成。系統(tǒng)總長(zhǎng)度7.3km，膠帶寬度2m，帶速5m/s。輪斗挖掘機(jī)采用端工作面方式采掘，采用單一主臺(tái)階，可利用連接橋形成兩采一移。每年1—3月份輪斗連續(xù)系統(tǒng)停止作業(yè)。現(xiàn)每年實(shí)際可完成剝離量5.0mm3。

對(duì)輪斗作業(yè)區(qū)域產(chǎn)生影響的含水層為第四系全新、上更新統(tǒng)(Q3+4)含礫細(xì)砂含水層，巖性以淺黃色細(xì)砂為主，含少量小礫石。地下水位埋深一般2～10m，含水層厚度25m，為孔隙潛水。

現(xiàn)有系統(tǒng)可移設(shè)膠帶L114沿著L115膠帶以矩形方式向北移設(shè)推進(jìn)。2018年8月，L114已推進(jìn)至L115帶式輸送機(jī)提升段及地表境界處，繼續(xù)向前推進(jìn)L114靠近頭站位置會(huì)發(fā)生越界現(xiàn)象，且L114帶式輸送機(jī)在L115帶式輸送機(jī)爬坡段無(wú)法移設(shè)，不移設(shè)系統(tǒng)將面臨停產(chǎn)。輪斗連續(xù)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)布置如圖1所示。

圖1 輪斗連續(xù)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)布置

2 工藝對(duì)比分析

與單斗-卡車(chē)間斷工藝相比，輪斗連續(xù)工藝具有生產(chǎn)效率高、能耗低、壽命長(zhǎng)、成本低、人員少等優(yōu)點(diǎn)，但也存在可靠性要求高、適用條件嚴(yán)格、工藝復(fù)雜、挖掘力小、專(zhuān)業(yè)性強(qiáng)等缺點(diǎn)[13]。隨著露天礦采場(chǎng)北部到界，推進(jìn)方向由向北轉(zhuǎn)為向西推進(jìn)，端幫帶式輸送機(jī)向推進(jìn)方向延伸，系統(tǒng)需增加設(shè)備才能滿(mǎn)足工藝需求，同時(shí)還需進(jìn)行移設(shè)。

如果輪斗連續(xù)系統(tǒng)不進(jìn)行移設(shè)，將造成輪斗連續(xù)系統(tǒng)無(wú)法進(jìn)行作業(yè)，其每年完成的5.0Mm3剝離量則需要通過(guò)自有設(shè)備或者采用外包的方式進(jìn)行生產(chǎn)。在運(yùn)距為6.4km提升高度為120m條件下，結(jié)合實(shí)際情況，采用三種工藝模式下投資及成本費(fèi)用情況見(jiàn)表1。

表1 三種工藝模式下投資及成本費(fèi)用對(duì)比表

由表1方案對(duì)比可知，輪斗單位成本費(fèi)用最低，輪斗連續(xù)系統(tǒng)增加的2997萬(wàn)元投資可以看成以輪斗連續(xù)工藝與其他兩者工藝相比節(jié)省的成本形式收回，采用單斗—卡車(chē)間斷工藝自營(yíng)條件下，靜態(tài)投資回收期為0.68a，采用單斗—卡車(chē)間斷工藝外包條件下，靜態(tài)投資回收期為2.98a，投資回收期均較小，因此，輪斗連續(xù)系統(tǒng)移設(shè)增加的設(shè)備投資是經(jīng)濟(jì)合理的，同時(shí)輪斗連續(xù)工藝與單斗卡車(chē)間斷工藝相比具有安全、環(huán)保和經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)勢(shì)，建議繼續(xù)采用輪斗連續(xù)系統(tǒng)開(kāi)采上部松散層。

3 平面空間布置

本次移設(shè)工程需考慮以下原則：一是工期短、投資小，避免重復(fù)建設(shè)，二是移設(shè)后的作業(yè)方式與工況條件應(yīng)有利于效率提升，三是移設(shè)位置既應(yīng)避免產(chǎn)生超前剝離，又要避免對(duì)下部單斗—卡車(chē)作業(yè)位置產(chǎn)生影響，四是移設(shè)后位置的服務(wù)年限長(zhǎng)，與下部采場(chǎng)推進(jìn)強(qiáng)度協(xié)調(diào)統(tǒng)一，避免頻繁移設(shè)。

隨著采掘場(chǎng)北幫上部臺(tái)階到界，采掘場(chǎng)將轉(zhuǎn)為向西推進(jìn)。帶式輸送機(jī)常用的移設(shè)方式有三種，分別為平行移設(shè)、扇形移設(shè)和平行與扇形混合移設(shè)，平行移設(shè)是指帶式輸送機(jī)的所有部件都移設(shè)相同的距離，采用平行移設(shè)時(shí)移設(shè)和開(kāi)采效率最高；扇形移設(shè)是指移設(shè)時(shí)一端不動(dòng)，另一端繞著不動(dòng)端以扇形的形式轉(zhuǎn)動(dòng)移設(shè)；平行與扇形混合移設(shè)是指輸送機(jī)的機(jī)頭和機(jī)尾都移設(shè)，但一端要比另一端移設(shè)的距離遠(yuǎn)[14]。

3.1 方案布置

結(jié)合輪斗連續(xù)系統(tǒng)現(xiàn)有布置方式共提出6個(gè)移設(shè)方案，平面空間移設(shè)方案情況見(jiàn)表2，移設(shè)前后平面空間位置對(duì)比如圖2所示。

3.2 方案比選

方案一與方案六不購(gòu)置設(shè)備，方案二、三、四、五需購(gòu)置一條膠帶，方案三、四、五工作面膠帶布置一致，區(qū)別在于L115及新增L116-1布置位置不同，對(duì)于技術(shù)上均可行的六個(gè)方案，還需從投資和成本、服務(wù)年限、工程量、工期、改造及施工難度、系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性及效率發(fā)揮以及對(duì)露天礦其它環(huán)節(jié)的影響等幾方面進(jìn)行分析和優(yōu)缺點(diǎn)比較，主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比見(jiàn)表3。

除方案一外其余五個(gè)方案工作面膠帶機(jī)與端幫膠帶機(jī)均為垂直搭接方式，由于現(xiàn)有設(shè)備不能實(shí)現(xiàn)扇形轉(zhuǎn)向，兩條帶式輸送機(jī)之間應(yīng)保持垂直方式才能實(shí)現(xiàn)工作面膠帶機(jī)平行移設(shè)[15]。方案一受機(jī)頭站改造不確定性、移設(shè)難度大以及移設(shè)頻繁等因素影響，不推薦。雖然方案二移設(shè)后服務(wù)年限較短，且對(duì)下部剝離產(chǎn)生不利影響、準(zhǔn)備工程量大等因素影響，不推薦。方案六雖然初期投資較低，但服務(wù)年限較短，一年后還需發(fā)生投資，并且兩年內(nèi)發(fā)生兩次移設(shè)費(fèi)用造成資金浪費(fèi)，最大的弊端是對(duì)下一次移設(shè)時(shí)布置方案布置影響較大，同時(shí)第一年還對(duì)下部剝離產(chǎn)生影響，不推薦。方案一、二、六對(duì)露天礦其它生產(chǎn)環(huán)節(jié)影響較大且存在越界現(xiàn)象，因此，推薦方案在方案三、四、五中選擇。

從投資和成本來(lái)看，方案四投資和成本較大，方案五投資最大、工期最長(zhǎng)，方案三經(jīng)濟(jì)效益較好。從工程量來(lái)看，方案四工程量較大，方案三比方案五稍大，但是方案三后期輪斗工作面每次移設(shè)時(shí)不需要發(fā)生機(jī)道工程量，但是機(jī)道施工難度稍大，方案五每次移設(shè)發(fā)生機(jī)道工程量，機(jī)道同工作面同時(shí)推進(jìn)、全線(xiàn)布置，施工難度稍小，若后期輪斗考慮布置水平調(diào)至松散層下部時(shí)，移設(shè)產(chǎn)生的機(jī)道工程量還會(huì)增加，生產(chǎn)管理難度加大。從系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性考慮，方案四端幫膠帶布置在最上部第一個(gè)端幫臺(tái)階上，受沙層穩(wěn)定性差及下部端幫靠界開(kāi)采影響系統(tǒng)維護(hù)工程量大，穩(wěn)定性較差且存在越界現(xiàn)象。方案三和方案五L116-1膠帶受露天礦地表境界與北排土場(chǎng)之間的變形區(qū)影響較大，需根據(jù)采掘場(chǎng)及北排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定情況判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。根據(jù)礦上邊坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及經(jīng)驗(yàn)，方案五的穩(wěn)定性要優(yōu)于方案三。考慮方案五移設(shè)難度較大、投資和成本稍高，初步推薦優(yōu)先選擇移設(shè)工程量少、移設(shè)相對(duì)容易、經(jīng)濟(jì)效益稍好的方案三。

4 降水平空間布置

輪斗連續(xù)系統(tǒng)投入后一直沒(méi)有達(dá)到10.0Mm3/a的設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力，每年僅能完成5.0Mm3/a的土方剝離量。連續(xù)開(kāi)采工藝系統(tǒng)生產(chǎn)能力的制約因素主要有地質(zhì)、工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)、設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造和生產(chǎn)組織管理等，其中最主要的原因是受輪斗作業(yè)臺(tái)階含水率高、基底穩(wěn)定性差影響系統(tǒng)能力發(fā)揮，降水平移設(shè)主要是通過(guò)降低輪斗作業(yè)水平使輪斗作業(yè)條件改善，達(dá)到提高系統(tǒng)能力的目的。

移設(shè)后輪斗作業(yè)范圍內(nèi)的松散層厚度能夠滿(mǎn)足上下兩個(gè)輪斗作業(yè)臺(tái)階高度，輪斗具備降水平地質(zhì)條件，初步估算地表以下35m范圍內(nèi)主要為第四系含水層，與下部臺(tái)階相比含水量較大，輪斗布置在下部水平有利于減少水對(duì)輪斗作業(yè)效率的影響，同時(shí)輪斗作業(yè)在基巖層上，大大降低了輪斗行走范圍內(nèi)的輔助工程量，初步判斷輪斗降水平方案是可行的。

輪斗調(diào)整至下部臺(tái)階作業(yè)后，輪斗工作線(xiàn)上部的三個(gè)剝離臺(tái)階由外包設(shè)備作業(yè)，外包作業(yè)與輪斗作業(yè)空間交換，會(huì)造成輪斗作業(yè)范圍內(nèi)的外包剝離運(yùn)距增加及上部端幫運(yùn)輸平盤(pán)被輪斗連續(xù)系統(tǒng)切斷。

通過(guò)對(duì)輪斗連續(xù)系統(tǒng)降水平初期布置方案的初步研究，輪斗連續(xù)系統(tǒng)降水平方案與平面布置方案相比具有作業(yè)范圍內(nèi)基底穩(wěn)定、含水量有可能稍小等優(yōu)勢(shì)，但存在初期機(jī)道工程量大、外包剝離運(yùn)距增加、對(duì)目前生產(chǎn)影響較大等問(wèn)題，在本次移設(shè)時(shí)實(shí)施降水平方案有一定的不確定性，建議初期輪斗仍布置在上部，待后期條件成熟后進(jìn)一步明確輪斗效率提升情況及松散層含水情況后再實(shí)施該方案。

初步預(yù)計(jì)2023年以后具備實(shí)施降水平條件，此時(shí)松散層厚度由60m逐漸增加至70m，輪斗布置水平也隨著松散層厚度的增加進(jìn)行降深，布置在880～870水平，輪斗布置水平上部有3～4個(gè)外包剝離臺(tái)階，由于輪斗布置水平與地面高差較大，機(jī)道工程量較大，不宜將與工作面帶式輸送機(jī)搭接的端幫帶式輸送機(jī)布置在地面，應(yīng)布置在端幫上，減少移設(shè)工程量，根據(jù)膠帶布置位置不同提出兩個(gè)布置方案，方案對(duì)比表見(jiàn)表4。降水平空間移設(shè)方案對(duì)比如圖3所示。

表4 降水平空間移設(shè)方案對(duì)比

圖3 降水平空間移設(shè)方案對(duì)比

從投資上來(lái)看，方案一投資和運(yùn)行成本稍小，且不存在越界風(fēng)險(xiǎn)，系統(tǒng)穩(wěn)定性也稍好，優(yōu)勢(shì)較明顯，推薦方案一。實(shí)施降水平方案后，因輪斗作業(yè)水平與外包作業(yè)水平交換導(dǎo)致了外包運(yùn)距增加了0.4km，影響的剝離量約為8.5mm3，剝離運(yùn)距增加的費(fèi)用約為782萬(wàn)，再考慮增加一座地面跨膠帶鋼橋的費(fèi)用200萬(wàn)元，按照外包價(jià)格9.6元/m3估算，輪斗連續(xù)系統(tǒng)每年能力增加83萬(wàn)m3能夠與增加的費(fèi)用持平，系統(tǒng)效率需提高8%以上才能發(fā)揮輪降水平方案的優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)移設(shè)的必要性研究得出輪斗連續(xù)系統(tǒng)與自營(yíng)和外包單斗—卡車(chē)工藝相比具有技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，移設(shè)產(chǎn)生的設(shè)備投資在今后的生產(chǎn)中還能繼續(xù)使用，推薦露天礦沿用輪斗連續(xù)系統(tǒng)生產(chǎn)。由于本次移設(shè)不具備降水平條件，推薦采用平面移設(shè)方案三，工作面帶式輸送機(jī)與端幫帶式輸送機(jī)垂直布置，新增一條帶式輸送機(jī)布置于地表，連續(xù)系統(tǒng)由北推改為向西北推進(jìn)。可考慮在下一次系統(tǒng)整體移設(shè)時(shí)考慮實(shí)施降水平方案，由于此次僅給出了對(duì)于降水平來(lái)說(shuō)經(jīng)濟(jì)的系統(tǒng)能力提升建議值，下一步將重點(diǎn)研究降水平方案實(shí)施后系統(tǒng)效率的提升情況，或?qū)⒊蔀槁短斓V降本增效、提升生產(chǎn)效率的有效途徑。