大型露天礦山粗碎運輸系統(tǒng)擴(kuò)能技術(shù)改造

王 麒，劉 威，王 懷

北方礦業(yè)有限責(zé)任公司 北京 100053

國 內(nèi)某大型露天礦山從持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略出發(fā)，適時提出了依據(jù)已有資源對礦山進(jìn)行挖潛擴(kuò)能改造、充分回收資源、加大規(guī)模效益的目標(biāo)。通過優(yōu)化采礦設(shè)計、增加采礦設(shè)備、改造采場環(huán)形供電、增加電動輪汽車保養(yǎng)車間等技改措施，計劃將礦山生產(chǎn)規(guī)模從目前的設(shè)計產(chǎn)能 4.5 萬 t/d 提高到 5.4 萬 t/d。其中，該礦山原礦石粗碎運輸系統(tǒng)采用電動輪汽車運輸—粗碎站破碎—帶式輸送機(jī)運輸方案，近 4 a 來，該運輸方案的平均生產(chǎn)能力為 3.4 萬～3.8 萬 t/d，礦山產(chǎn)能到達(dá)了瓶頸期，礦石粗碎運輸系統(tǒng)必須進(jìn)行改造。筆者對露天礦山粗碎運輸系統(tǒng)擴(kuò)能改造過程中產(chǎn)生的一系列問題進(jìn)行探討。

1 礦石粗碎運輸系統(tǒng)簡述

采場采出的礦石直接通過電動輪汽車運至礦石粗碎站，經(jīng)旋回破碎機(jī)破碎后通過 1 條帶式輸送機(jī) (以下稱 1號帶式輸送機(jī)) 送至選礦廠粗礦堆。現(xiàn)有粗碎站位于露天采場東北側(cè)最終境界線外，卸礦地坪標(biāo)高220.0 m。站內(nèi)安裝 1 臺國產(chǎn) 5474 型旋回破碎機(jī)，設(shè)計生產(chǎn)能力為 3 000 t/h (4.5 萬 t/d)，但一直未達(dá)標(biāo)。

與粗碎站配套的 1 號帶式輸送機(jī)水平長度為2 010.9 m，提升高度為 163.260 m，帶寬為 1 200 mm，帶速為 4.5 m/s，設(shè)計輸送能力為 3 600 t/h。考慮到礦山擁有資源量大，有擴(kuò)產(chǎn)潛力，設(shè)計時留有一定富余。但由于采礦生產(chǎn)能力受破碎機(jī)能力的限制，破碎機(jī)生產(chǎn)能力始終未達(dá)到 4.5 萬 t/d，所以，1 號帶式輸送機(jī)的實際運輸能力還不能確定。

2 粗碎站擴(kuò)能改造

2.1 粗碎站廠址選擇

露天采場位于突起較高的丘陵地帶，四面環(huán)山。目前露天采場采出的礦石由電動輪汽車運往位于礦區(qū)東北角的礦石粗碎站，破碎后的礦石通過 1 號帶式輸送機(jī)運往選礦廠，因此，新建礦石粗碎站的廠址要考慮利用原有礦石運輸系統(tǒng)。經(jīng)研究，礦石粗碎站廠址選擇方案有 2 個：方案 1 是在礦區(qū)東南側(cè)采場附近新建礦石粗碎站Ⅰ，距離采場最終境界線約 150 m，卸礦標(biāo)高為 165.0 m；方案 2 是在現(xiàn)有礦石粗碎站西南方向約 60 m 處新建礦石粗碎站Ⅱ，卸礦標(biāo)高為 220.0 m。方案 1 的優(yōu)點是卸礦標(biāo)高降低了 55.0 m；運礦卡車的坑內(nèi)運輸水平距離減少了 800 m，節(jié)省了汽車運輸成本。缺點是粗碎站Ⅰ所處位置距離采礦工業(yè)場地近，礦石運輸和破碎產(chǎn)生的噪聲和粉塵對大修場地有影響；增加 1 條轉(zhuǎn)載帶式輸送機(jī) (以下稱 2 號帶式輸送機(jī)) 將礦石轉(zhuǎn)載到 1 號帶式輸送機(jī)，增加了前期投資。但考慮到汽車運輸成本對礦山收益的影響比較大，推薦方案 1。

2.2 粗碎站形式選擇

新建礦石粗碎站有移動破碎站、半移動破碎站和固定破碎站 3 種方式[1]可供選擇。

(1)移動破碎站 一般布置在采掘工作面內(nèi)，本身具有行走機(jī)構(gòu)，隨挖掘機(jī)一起向前推進(jìn)。移動破碎站多采用輪胎拖掛式和履帶自行式[2]。目前，在金屬礦山中礦石粗碎只有配置顎式破碎機(jī)的移動破碎站。旋回破碎機(jī)由于其工作時水平方向的轉(zhuǎn)矩大，設(shè)備質(zhì)量大，目前還沒有采用旋回破碎機(jī)的移動破碎站。根據(jù)設(shè)備廠家提供的數(shù)據(jù)，截至目前，移動破碎站配置處理能力最大的 C160 型顎式破碎機(jī)，能夠破碎的礦石最大尺寸為 1 000 mm，處理量為 520～980 t/h。而露天采場的最大給料尺寸為 1 200 mm，要求處理能力在 1.6 萬 t/d 以上。因此，配置顎式破碎機(jī)的移動破碎站在處理最大礦石塊度和處理能力上均不能滿足要求。

(2)半移動破碎站 設(shè)置于采掘工作面附近，移動不如移動破碎站那樣頻繁，往往幾年才移動一次[2]。半移動破碎站可配置顎式破碎機(jī)或旋回破碎機(jī)。采用顎式破碎機(jī)的半移動破碎站包括給料漏斗、給料機(jī)、旁通漏斗、顎式破碎機(jī)、排料輸送帶、液壓碎石機(jī)、鋼結(jié)構(gòu)機(jī)架等。配置 C200 型顎式破碎機(jī)的單套半移動破碎站總重約 300 t。礦山現(xiàn)有粗碎運輸系統(tǒng)能力為 3.8 萬 t/d，要達(dá)到 5.4 萬 t/d 的生產(chǎn)能力，需要增加 2 套配置 C200 型顎式破碎機(jī)的半移動破碎站。采用旋回破碎機(jī)的半移動破碎站包括給料倉、旋回破碎機(jī)、卸料倉、排料輸送帶、液壓碎石機(jī)、鋼結(jié)構(gòu)機(jī)架、礦車棧橋等。配置 6089 型旋回破碎機(jī)的單套半移動破碎站總重約 1 590 t，與設(shè)備廠家詢價了解到，半移動破碎站的投資要高于固定破碎站。

(3)固定破碎站 設(shè)置于露天采場境界外，初期投資較半移動破碎站少。固定破碎站位于礦石開采的中心，電動輪汽車的運輸距離在合理經(jīng)濟(jì)運距以內(nèi)，破碎站建成后可不再進(jìn)行移設(shè)，而且該礦山長期使用固定破碎站，在生產(chǎn)管理方面有豐富經(jīng)驗。所以綜合考慮，推薦采用固定破碎站。

2.3 破碎機(jī)選型

在現(xiàn)有破碎能力 3.8 萬 t/d 的基礎(chǔ)上將產(chǎn)能增加到 5.4 萬 t/d，需新增產(chǎn)能 1.6 萬 t/d。考慮到礦山開采到深部后，礦石變硬以及含水率的變化，將會導(dǎo)致礦石通過時間增加，因而新增產(chǎn)能按 2.0 萬 t/d 考慮更加合理。根據(jù)礦石特性、給料尺寸、排料尺寸和處理能力的要求，本次擴(kuò)能改造考慮 2 種方案：一是新建一個小型粗碎站，和現(xiàn)有粗碎站同時工作，共同完成 5.4 萬 t/d 破碎能力；二是新建一個粗碎站，現(xiàn)有粗碎站最終停用或作為備用。2 種方案的主要優(yōu)缺點和技術(shù)可行性如下。

(1)方案 1 新建一個小型粗碎站，選用 1 臺國產(chǎn) 5474 型旋回破碎機(jī)或 2 臺進(jìn)口 C200 型顎式破碎機(jī)，均能滿足要求。前者在投資上占有優(yōu)勢。

(2)方案 2 新建一個粗碎站，選用 6089 型旋回破碎機(jī)，現(xiàn)有粗碎站最終停用或作為備用。該方案管理更加簡單，礦石不需要運往 2 個破碎站進(jìn)行破碎，集中破碎更加便于操作和管理，并且減少了生產(chǎn)過程中的設(shè)備備品備件。

2.4 粗碎站擴(kuò)能改造方案確定

根據(jù)前述的粗碎站廠址方案和粗碎站配置，組合成 4 個改造方案，具體如表 1 所列，各方案的投資和經(jīng)濟(jì)合理性分析如表 2 所列[3]。

表1 粗碎站各方案比較Tab.1 Comparison of each primary crushing station schemes

表2 運輸方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較Tab.2 Technical and economic comparison of delivery schemes

從凈現(xiàn)值比較結(jié)果可以看出，礦石運輸費用是關(guān)系到方案優(yōu)劣的主要因素。經(jīng)多方面綜合比較，認(rèn)為方案 1 比其他方案更加合理。因此，本次可行性研究推薦方案 1，即在礦區(qū)東南側(cè) 165 m 采礦工業(yè)場地附近新建一座礦石粗碎站，站內(nèi)配置 6089 型旋回破碎機(jī)。

3 輸送系統(tǒng)改造

3.1 輸送線路的確定及優(yōu)化

在新建破碎站處布置 2 號帶式輸送機(jī)，破碎后的礦石通過 2 號帶式輸送機(jī)轉(zhuǎn)運至現(xiàn)有 1 號帶式輸送機(jī)。2 號帶式輸送機(jī)的布置需要考慮與現(xiàn)有 1 號帶式輸送機(jī)尾部的搭接位置。1 號帶式輸送機(jī)尾部位于現(xiàn)有破碎站底部，尾部硐室內(nèi)布置了帶式輸送機(jī)的受料部分、尾部滾筒及支架、張緊裝置等。考慮到 1 號帶式輸送機(jī)輸送帶的更換和檢修，其尾部后面設(shè)有檢修硐室，檢修硐室內(nèi)空間充足并設(shè)有起吊設(shè)備。因此將2 號帶式輸送機(jī)頭部卸料處與現(xiàn)有 1 號帶式輸送機(jī)尾部的搭接位置布置在檢修硐室內(nèi)。為滿足搭接要求，1 號帶式輸送機(jī)向尾部延伸約 40 m。

此方案的優(yōu)點是 2 號帶式輸送機(jī)頭部與驅(qū)動硐室的位置與現(xiàn)有粗碎站及 1 號帶式輸送機(jī)尾部硐室很近，可利用現(xiàn)有的硐室和起吊設(shè)備進(jìn)行設(shè)備安裝和檢修。缺點是 2 號帶式輸送機(jī)輸送線路與采場內(nèi)道路干涉，且有 2 處穿過回填土區(qū)域，總長度約 120 m。就該方案的可行性與采礦場及施工單位進(jìn)行了溝通與討論，認(rèn)為此方案風(fēng)險大，施工難度大、費用高，建議 2 號帶式輸送機(jī)輸送線路避開回填土范圍。經(jīng)過研究，調(diào)整 1 號帶式輸送機(jī)尾部延伸長度及 2 條帶式輸送機(jī)搭接角度，以避開回填土范圍，方案如圖 1 所示。

圖1 帶式輸送機(jī)輸送線路方案示意Fig.1 Sketch of belt conveyor delivery route scheme

3.2 2 號帶式輸送機(jī)

根據(jù)新建礦石粗碎站與 2 號帶式輸送機(jī)頭部搭接位置的空間關(guān)系，確定 2 號帶式輸送機(jī)水平長度為 709 m，與 1 號帶式輸送機(jī)的水平夾角約為106.279°，頭部標(biāo)高為 195.2 m，尾部標(biāo)高為 129.0 m，垂直提升高度為 66.2 m。2 號帶式輸送機(jī)按 5.4萬 t/d (3 600 t/h) 運輸能力進(jìn)行設(shè)計，系統(tǒng)布置如圖 2所示，主要參數(shù)如表 3 所列。

圖2 2 號帶式輸送機(jī)系統(tǒng)布置Fig.2 Layout of No.2 belt conveyor system

由表 3 可知，帶式輸送機(jī)滿載運行時軸功率為1 140 kW，計算電動機(jī)功率為 1 340 kW。設(shè)計采用雙滾筒雙電動機(jī)驅(qū)動，功率配比為 1∶1 時，第一驅(qū)動滾筒張力比S1/S1-2=1.55，第二驅(qū)動滾筒張力比S1-2/S2=2.20，滿足輸送帶不打滑要求。共設(shè)有 2 套驅(qū)動單元，布置在頭部驅(qū)動硐室內(nèi)，采用直交軸布置形式。

表3 2 號帶式輸送機(jī)主要參數(shù)Tab.3 Main parameters of No.2 belt conveyor

3.3 1 號帶式輸送機(jī)

新建礦石粗碎站后，破碎的礦石需要通過 2 號帶式輸送機(jī)轉(zhuǎn)運至 1 號帶式輸送機(jī)上，增加了一個新的物料轉(zhuǎn)載點。考慮到 2 號帶式輸送機(jī)需避開輸送線路上的回填土區(qū)域，需要將 1 號帶式輸送機(jī)沿其尾部方向延長 179.1 m。為保證 1 號帶式輸送機(jī)改造后不增加物料的提升阻力，其尾部滾筒標(biāo)高盡可能保持不變，尾部沿水平方向向后延伸，與原有的傾斜段采用弧段過渡，凹弧半徑為 500 m。1 號帶式輸送機(jī)系統(tǒng)布置如圖 3 所示，帶式輸送機(jī)延伸前后的主要參數(shù)如表 4 所列。

圖3 1 號帶式輸送機(jī)系統(tǒng)布置Fig.3 Layout of No.1 belt conveyor system

表4 1 號帶式輸送機(jī)延伸前后主要參數(shù)對比Tab.4 Comparison of main parameters of No.1 belt conveyor before and after extension

3.3.1 帶式輸送機(jī)系統(tǒng)核算

為確保 1 號帶式輸送機(jī)延長后能達(dá)到設(shè)計產(chǎn)量，需要計算其運行阻力和輸送帶張力變化，核算驅(qū)動功率、輸送帶強(qiáng)度及輸送帶打滑條件等。為此，在系統(tǒng)設(shè)計前對 3 臺電動機(jī)的運行功率進(jìn)行了收集。根據(jù) 1 號帶式輸送機(jī)在滿載運行工況時的電動機(jī)功率和帶速，推算出設(shè)備運行時的實際托輥阻力系數(shù)f=0.009 5。同理，半載運行工況時，f=0.015 6；空載運行工況時，f=0.015 5，均小于設(shè)計手冊中的推薦值[4]。因此，本次改造設(shè)計托輥阻力系數(shù)f=0.020 0，符合設(shè)備的實際運行情況，主要參數(shù)如表 5 所列。

表5 1 號帶式輸送機(jī)的主要參數(shù)Tab.5 Main parameters of No.1 belt conveyor

經(jīng)計算，延伸后 1 號帶式輸送機(jī)滿載運行時軸功率為 2 376 kW，計算電動機(jī)功率為 2 943 kW，帶式輸送機(jī)現(xiàn)有驅(qū)動單元采用 3×1 120 kW，電動機(jī)滿足最大負(fù)荷時的功率要求。設(shè)計采用雙滾筒三電動機(jī)驅(qū)動，功率配比為 2∶1 時，第一驅(qū)動滾筒張力比S1/S1-2=2.09，第二驅(qū)動滾筒張力比S1-2/S2=2.24，滿足輸送帶不打滑要求。輸送帶最大張力為 674 kN，輸送帶安全系數(shù)為 8.01，符合安全規(guī)程要求。1 號帶式輸送機(jī)延伸后滿載啟制動、滿載運行及空載制動下的張力核算如圖 4 所示。

圖4 帶式輸送機(jī)各點張力變化Fig.4 Tension variation at each point of belt conveyor

計算結(jié)果顯示，1 號帶式輸送機(jī)沿其尾部方向延長 179.1 m 后，輸送帶張力較延伸前變化不大，輸送帶安全系數(shù)滿足要求。帶式輸送機(jī)尾部局部改造僅需要增加少量中間架支腿、托輥和一個轉(zhuǎn)載點，輸送帶長度增加約 400 m，對礦山生產(chǎn)影響不大。

3.3.2 輸送帶橫截面積利用率核算

物料在輸送帶上的橫截面積利用率φ核算主要計算參數(shù)和簡圖如圖 5 所示。

圖5 輸送帶截面及參數(shù)Fig.5 Belt cross-section and parameters

為保證正常輸送條件下不撒料，按式(2)～(4)分別計算A1、A2、A3，代入式(1)求得輸送帶上允許的物料最大橫截面積A=0.200 076 m2。

式中：B為帶寬，B=1 200 mm；b為輸送帶可用寬度，b=1 000 mm；L3為中間輥長度，L3=465 mm；θ為物料運行堆積角，θ=25°；λ為托輥槽角，λ=35°，Q為小時輸送量，Q=3 600 t/h；v為帶速，v=4.5 m/s；ρ為物料松散密度，ρ=1.69 t/m3。

按設(shè)計輸送量Q=3 600 t/h 計算物料實際橫截面積q=Q/3 600vρ=0.131 492 m2，實際運行中物料在輸送帶上的橫截面積利用率φ=q/A=65.72%[4]。

按照以往工程經(jīng)驗，輸送帶上的橫截面積利用率一般控制在 60% 以內(nèi)。從設(shè)計的合理性等方面考慮，應(yīng)對 1 號帶式輸送機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的技術(shù)改造，如增加帶寬、提高帶速等，但勢必會給生產(chǎn)帶來較大影響。經(jīng)過仔細(xì)驗算，1 號帶式輸送機(jī)理論上能完成 5.4萬 t/d 的運輸任務(wù)，但對設(shè)備管理、運行時間和系統(tǒng)的維護(hù)、保養(yǎng)等工作提出了更高的要求。現(xiàn)場應(yīng)加強(qiáng)生產(chǎn)調(diào)度管理，增加采場采運設(shè)備數(shù)量，降低給料不均衡對帶式輸送機(jī)工作時間的影響。按系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)18 h/d，給料不均系數(shù)由 1.2 降至 1.1 時，帶式輸送機(jī)輸送量達(dá)到 3 300 t/h 即可滿足生產(chǎn)要求，此時物料在輸送帶上的橫截面積利用率為 60.24%。

4 技改存在問題及改進(jìn)措施

項目技改投產(chǎn)后出現(xiàn)了兩個較大問題，需進(jìn)一步采取改進(jìn)措施，也提醒我們進(jìn)行技改設(shè)計時要認(rèn)真思考。

(1)帶式輸送機(jī)尾部硐室排水設(shè)計考慮不周全固定破碎站是下挖結(jié)構(gòu)，新增帶式輸送機(jī)尾部標(biāo)高位于地面以下深約 40 m 處。技改初期，露天采坑底部標(biāo)高比帶式輸送機(jī)尾部硐室標(biāo)高要高，導(dǎo)致周邊匯水滲透匯集至帶式輸送機(jī)尾部硐室內(nèi)，但設(shè)計時只按常規(guī)選擇了較小的排水設(shè)備。汛期時排水量激增，險情出現(xiàn)后，設(shè)計單位配合礦方迅速對排水方案進(jìn)行了調(diào)整，加大了尾部集水池有效容積，并增設(shè)大流量排水設(shè)備，避免了設(shè)備被淹的情況發(fā)生。隨著露天采礦工作面的推進(jìn)，直到露天采坑底部標(biāo)高降至帶式輸送機(jī)尾部硐室標(biāo)高以下，水流方向發(fā)生變化，帶式輸送機(jī)尾部的匯水才逐漸減少。

(2)帶式輸送機(jī)轉(zhuǎn)運漏斗設(shè)計不合理 新增 2號帶式輸送機(jī)帶速為 5.4 m/s，帶寬為 1 200 mm，帶速高、帶寬窄，運行時轉(zhuǎn)運漏斗內(nèi)礦石飛濺，致使襯板磨損嚴(yán)重。另外，轉(zhuǎn)運漏斗容積偏小，帶式輸送機(jī)急停時，因慣性導(dǎo)致輸送帶上的礦石落入轉(zhuǎn)運漏斗內(nèi)，無法合理引導(dǎo)和緩沖，造成礦石堆料高度超過輸送帶兩側(cè)邊緣高度，重新啟動 1 號帶式輸送機(jī)時礦石撒落現(xiàn)象嚴(yán)重。針對上述情況，提出了漏斗改造方案，將漏斗前部與物料接觸處加工成臺階形狀，使得物料的落料點能夠?qū)崿F(xiàn)料打料，增加緩沖。通過料流模擬計算，將漏斗延長 1.5 m，兩側(cè)側(cè)板各加寬 0.5 m，頭部滾筒向輸送帶運行方向反向移動 1.0 m，加大漏斗容積，增加緩沖作用；同時從系統(tǒng)控制上加以調(diào)整，延長 2 條帶式輸送機(jī)停車的時間差，避免帶式輸送機(jī)急停導(dǎo)致積料的情況出現(xiàn)。

5 結(jié)語

自 2019 年技改項目投產(chǎn)以來，礦石粗碎運輸系統(tǒng)達(dá)到了 5.4 萬 t/d 的設(shè)計產(chǎn)能，實現(xiàn)了擴(kuò)產(chǎn)目標(biāo)；同時縮短了電動輪卡車至破碎站的地表運輸距離，減少了卡車運輸費用。經(jīng)測算，該項目在增加礦石處理能力的同時，每年還可節(jié)省經(jīng)營成本 1 079 萬元，為礦山帶來了較好的經(jīng)濟(jì)效益。