煤礦改擴(kuò)建項(xiàng)目關(guān)鍵技術(shù)方案研究

文/張坤龍

（作者單位：冀中能源邢臺(tái)礦業(yè)集團(tuán)工程有限責(zé)任公司）

（責(zé)任編輯：龐永厚）

近些年，項(xiàng)目的可行性研究在我國(guó)的各類投資管理領(lǐng)域得到了廣泛重視和應(yīng)用，它是項(xiàng)目在前期階段的核心工作，對(duì)有效控制投資、確保科學(xué)決策具有重要作用。煤礦工程項(xiàng)目的可行性研究源于對(duì)煤礦工程建設(shè)項(xiàng)目的評(píng)價(jià),對(duì)煤礦的工程建設(shè)及后續(xù)生產(chǎn)具有十分重要的意義。

內(nèi)蒙古嘉信德煤礦改擴(kuò)建項(xiàng)目，在建設(shè)初期除考慮采用露天開采外，也考慮過重新選擇該礦在合并之前就曾采用過的井巷式煤炭開采方式。但井巷式采煤方式存在著投入成本高、安全隱患多、開采效率低等多種不利因素，導(dǎo)致井巷式煤炭開采方式的經(jīng)濟(jì)效益總體不如露天式開采方式。因此，在經(jīng)過綜合考量后，本次煤礦改擴(kuò)建項(xiàng)目的可行性方案選擇露天式開采方式。

一、開采工藝及開采方法

1.開采工藝分析

（1）開采工藝選擇遵循的原則。開采工藝的選擇首先應(yīng)該全面考慮露天礦的自然條件，主要包括氣候條件、地形特點(diǎn)、煤巖性質(zhì)和埋藏條件等因素，選擇適應(yīng)本礦區(qū)地質(zhì)賦存、氣候等條件的開采工藝技術(shù)及采、運(yùn)、排設(shè)備。按照可持續(xù)發(fā)展的原則，考慮露天礦的規(guī)模和發(fā)展，確定合理的開采程序、采區(qū)劃分及其接續(xù)。此外，開采工藝的選擇還應(yīng)遵循市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)原則，力求做到投資少、成本低和效益高，開采工藝及設(shè)備應(yīng)盡可能地統(tǒng)一、可靠、通用，并實(shí)現(xiàn)社會(huì)化系列化。

（2）開采工藝選擇。根據(jù)開采工藝選擇所遵循的原則，結(jié)合嘉信德煤礦具體條件，可供選擇的開采工藝主要包括單斗—卡車工藝和半連續(xù)工藝。

單斗—卡車工藝具有生產(chǎn)靈活，不受地質(zhì)巖性影響，方便管理的優(yōu)點(diǎn)。采用的挖掘機(jī)和卡車相匹配。與其他開采工藝相比，汽車爬坡能力強(qiáng)，坡道短基建礦坑小，基建剝離量少，設(shè)備投資相對(duì)較少。不足之處是耗油量大，修理費(fèi)用高，生產(chǎn)成本高。

半連續(xù)工藝分為半固定破碎機(jī)半連續(xù)開采工藝和自移式破碎機(jī)半連續(xù)工藝兩種工藝類型，這兩種半連續(xù)工藝都具有運(yùn)輸成本低的優(yōu)點(diǎn)，但是在空間布置上都較困難，且基建工程量成倍增加。這兩項(xiàng)工藝還具有投資大、維修成本高的缺點(diǎn)。

經(jīng)上述比較，嘉信德煤礦規(guī)模較小，空間范圍狹窄，本次改擴(kuò)建項(xiàng)目仍沿用礦區(qū)改擴(kuò)建前所選用的單斗—卡車間斷式開采工藝。其他工藝由于技術(shù)上或投資成本的原因，均不適宜嘉信德煤礦現(xiàn)狀，故本次設(shè)計(jì)不予考慮。

2.剝離方式和采煤方法

（1）開采參數(shù)。剝離臺(tái)階最小工作平盤寬度由采掘帶寬度、爆堆伸出距離、工作面道路寬度和其他寬度等構(gòu)成。由于煤層薄，按照最小工作平盤寬度構(gòu)成要素計(jì)算將使采煤臺(tái)階最小工作平盤寬度小于剝離臺(tái)階，不盡合理（如爆堆伸出距離取值）。考慮剝離臺(tái)階與采煤臺(tái)階關(guān)系以及煤層頂板需要推土機(jī)（裝載機(jī)）清理，所以本項(xiàng)目最終將剝離臺(tái)階最小工作平盤寬度和采煤臺(tái)階最小工作平盤寬度設(shè)定為基本一致。

（2）剝離方式。將巖石剝離臺(tái)階按照水平分層后，進(jìn)行穿孔爆破，然后按端工作面由挖掘機(jī)平裝車，汽車運(yùn)輸至卸料場(chǎng)進(jìn)行處理，最后端工作面到達(dá)端幫位置后回返，依此方法類推，直至煤層出露。因地形關(guān)系，可為非標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)階，有高有低，但一般以臺(tái)階高度超過10m時(shí)另行分段，不足10m時(shí)仍為一剝離臺(tái)階，不能強(qiáng)求剝離臺(tái)階高度整體一致。

另外，局部地段由于地形關(guān)系無法布置正常的最小平盤寬度，可以按照倒堆作業(yè)方式剝離以減少平盤寬度。

（3）采煤方法。采煤臺(tái)階應(yīng)為傾斜分層，臺(tái)階高度是煤層自然厚度，在形成最小工作平盤寬度后，首先清理出煤層頂板，沿頂板露煤，在頂板處使用液壓挖掘機(jī)從工作面坡面挖掘其暴露煤層直至露出底板，經(jīng)轉(zhuǎn)載機(jī)堆集后由挖掘機(jī)裝載，最后由自卸卡車運(yùn)輸。依此方法，剩余煤層間巖石依然采取下一煤層頂板露煤方式進(jìn)行開采。

3.運(yùn)輸系統(tǒng)

（1）運(yùn)輸方式。嘉信德煤礦的運(yùn)輸主要分為生產(chǎn)運(yùn)輸和礦山輔助運(yùn)輸兩大類，其中生產(chǎn)運(yùn)輸主要是運(yùn)輸剝離物和煤炭；礦山輔助運(yùn)輸則包括燃料、水源、設(shè)備材料、爆破器材、通勤、消防、救護(hù)、檢修和礦山道路維護(hù)等，根據(jù)嘉信德露天礦的運(yùn)輸物資情況，運(yùn)輸方式可以采用自卸卡車—公路運(yùn)輸。

（2）開拓運(yùn)輸系統(tǒng)。嘉信德煤礦的運(yùn)輸系統(tǒng)包括剝離物運(yùn)輸系統(tǒng)和原煤運(yùn)輸系統(tǒng)。其中土、巖石等剝離物采用自卸卡車由各自的運(yùn)輸平臺(tái)、移動(dòng)坑線和端幫運(yùn)輸至內(nèi)部垃圾場(chǎng)；開采出的原煤則由坑內(nèi)采煤工作面通過坑線運(yùn)到地面的儲(chǔ)煤場(chǎng)。

（3）運(yùn)輸量。剝離和采煤運(yùn)輸量根據(jù)開采進(jìn)度以及達(dá)產(chǎn)年產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)。

（4）礦山道路主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)嘉信德礦區(qū)交通量和道路密度，采礦道路和地面運(yùn)輸?shù)缆房刹捎玫V山三級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)，地面運(yùn)輸干線則采用泥礫路面。隨著采礦工程的進(jìn)展，工作面和聯(lián)絡(luò)道路需要進(jìn)行平整和加固。

礦山三級(jí)道路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定主要包括幾個(gè)方面：路面寬度為采場(chǎng)及排土場(chǎng)道路12m；最大限坡為一般車輛坡度8%，重型卡車下坡路坡度7%；轉(zhuǎn)彎半徑為30m；豎曲線半徑為500m；會(huì)車視距為60m；停車視距為30m。

（5）礦山行車密度與道路通過能力。如果礦區(qū)某一區(qū)域的車輛行駛密度大于該區(qū)域的道路實(shí)際可通過能力時(shí)，該礦區(qū)就不能正常生產(chǎn)，而這一區(qū)域就是礦區(qū)運(yùn)輸?shù)难屎聿课弧＜涡诺旅旱V在達(dá)產(chǎn)時(shí)共有1008×104m3剝離物需要運(yùn)往外排土場(chǎng)進(jìn)行排棄，其咽喉部位于出入溝口。

根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)，首先計(jì)算出該出入溝口的行車密度N1，具體計(jì)算公式：

式中 Q為年運(yùn)輸量，單位：噸；

K為不均衡系數(shù)，取1.10；

H為全年工作日，取330天；

q為汽車載重，單位：噸，取20；

K1為時(shí)間利用系數(shù)，取0.95；

K2為汽車載重利用系數(shù)，取1.00。

經(jīng)計(jì)算，N1為142輛/小時(shí)。

再通過計(jì)算得出該出入溝口的實(shí)際通過能力N2，具體計(jì)算公式：

式中 K為車輛行駛不均衡系數(shù)，取0.6；

n為單向行車道路數(shù)，取0.5；

V為汽車在計(jì)算區(qū)域內(nèi)的行駛速度，單位km/h，取20；

S為相鄰兩同向行駛汽車的距離，單位m。按路面視距取40m計(jì)算。

經(jīng)計(jì)算，N2為150輛/h。

由于N2＞N1，所以該出入溝口車輛實(shí)際通過能力可以滿足平時(shí)礦區(qū)生產(chǎn)要求。

（6）道路養(yǎng)護(hù)和設(shè)備維護(hù)。道路養(yǎng)護(hù)工作的內(nèi)容主要包括：及時(shí)清理汽車上掉落下的石塊等道路雜物；及時(shí)修復(fù)路基沉陷、路基缺口、損壞的擋墻和道路標(biāo)志；邊坡小坍方或水溝阻塞后，必須及時(shí)清理排水；雨季前全面清通所有邊溝和排水溝；雨季中對(duì)出現(xiàn)的路面坑洼，按“強(qiáng)底薄面”的方法在基層內(nèi)挖填，并用小石子修補(bǔ)；雨季結(jié)束時(shí)，將道路完全恢復(fù)為路面，同時(shí)增加磨損層；確保地面道路的線路工程良好，并在適當(dāng)位置設(shè)置排水溝，及時(shí)排出地表水和道路區(qū)域水，保證路基穩(wěn)定。

二、設(shè)備選型與數(shù)量

1.工藝設(shè)備選型

根據(jù)嘉信德煤礦開采工藝和開采方法的設(shè)計(jì)，即采用單斗—卡車間斷式開采工藝和外包租賃的生產(chǎn)運(yùn)輸模式，結(jié)合我國(guó)當(dāng)前各種設(shè)備的實(shí)際情況，設(shè)備選型以中小型設(shè)備為主。

（1）穿孔設(shè)備選型。從社會(huì)通用型號(hào)考慮選用KY100J型潛孔鉆機(jī)。

（2）采裝設(shè)備選型。考慮到嘉信德煤礦剝離量大、煤層薄的特點(diǎn)，剝離、采煤均選用1.6m3型液壓挖掘機(jī)。

（3）運(yùn)輸設(shè)備選型。根據(jù)嘉信德露天礦年工程量和剝離設(shè)備的選擇，設(shè)計(jì)選用20t自卸卡車作為剝離物和原煤的主要運(yùn)輸設(shè)備。

（4）排土設(shè)備選型。根據(jù)運(yùn)輸設(shè)備噸位，選擇T-220型推土機(jī)（裝載機(jī)）。

2.設(shè)備能力及數(shù)量

（1）穿孔設(shè)備。根據(jù)巖石普氏系數(shù)和KY100J潛孔鉆機(jī)效率（巖石為60m/臺(tái)班、煤層為80m/臺(tái)班），計(jì)算可得巖石穿孔年效率為5.93×105m/a，煤層穿孔年效率為7.92×105m/a。

另外，延米數(shù)爆破量為26.1m3/m，取年度總剝離量的60%計(jì)算，則年需進(jìn)尺為23.2×104m。

根據(jù)上述分析，可計(jì)算剝離需鉆機(jī)4臺(tái)，采煤需鉆機(jī)2臺(tái)，總共需鉆機(jī)6臺(tái)。

（2）采裝設(shè)備。本次項(xiàng)目改造選擇的剝離設(shè)備和采煤設(shè)備是1.6m3液壓挖掘機(jī)。

根據(jù)挖掘機(jī)臺(tái)班生產(chǎn)能力計(jì)算公式計(jì)算出本項(xiàng)目挖掘機(jī)需求數(shù)量，計(jì)算過程如下。

挖掘機(jī)臺(tái)班生產(chǎn)能力計(jì)算公式：

式中 E為挖掘機(jī)鏟斗容量，取1.6m3；

Km為挖掘機(jī)鏟斗裝滿系數(shù)，巖石取0.90，煤層取0.95；

T為每班作業(yè)時(shí)長(zhǎng)，取8h；

ε為挖掘機(jī)利用率，巖石取0.50，煤層取0.60；

Ks為物料在挖掘機(jī)鏟斗中的松散系數(shù)，巖石取1.20，煤層取1.40；

t為挖掘機(jī)裝車單次循環(huán)時(shí)間，取30秒。

經(jīng)計(jì)算，1.6m3液壓挖掘機(jī)的臺(tái)班生產(chǎn)能力：巖石挖掘?yàn)?76m3/臺(tái)班，煤層挖掘?yàn)?25m3/臺(tái)班。

根據(jù)計(jì)算，得出剝離需要挖掘機(jī)臺(tái)數(shù)為18臺(tái)，采煤需要挖掘機(jī)3臺(tái)，合計(jì)為21臺(tái)。采煤挖掘機(jī)如遇檢修可調(diào)用剝離挖掘機(jī)代替。

（3）薄煤層選采設(shè)備數(shù)量計(jì)算。由于嘉信德煤礦為多煤層薄煤層開采，煤層選采設(shè)備可利用1.6m3的挖掘機(jī)，按露天礦開采經(jīng)驗(yàn)，每個(gè)薄煤層配備1臺(tái)1.6m3挖掘機(jī)進(jìn)行煤層選采。煤礦露天開采范圍內(nèi)有三層薄煤層，總計(jì)選用3臺(tái)1.6m3挖掘機(jī)進(jìn)行選采。

（4）主要采運(yùn)排設(shè)備。運(yùn)輸設(shè)備和輔助設(shè)備根據(jù)需要選取。主要采運(yùn)排及輔助設(shè)備數(shù)量如表1所示。

表1 主要采運(yùn)排及輔助設(shè)備數(shù)量表

三、小結(jié)

內(nèi)蒙古嘉信德煤礦是冀中能源集團(tuán)在內(nèi)蒙古地區(qū)最重要的煤礦之一，煤礦所在區(qū)域的地質(zhì)和自然條件相對(duì)簡(jiǎn)單，煤炭資源儲(chǔ)量豐富且煤質(zhì)好，煤礦開采技術(shù)條件比較成熟。礦區(qū)所在地區(qū)的供水充足，供電穩(wěn)定可靠，交通十分便利，原礦區(qū)經(jīng)過多年的生產(chǎn)和經(jīng)營(yíng)，生產(chǎn)隊(duì)伍擁有豐富的生產(chǎn)管理經(jīng)驗(yàn)和充足的人力資源配置。周邊礦區(qū)的建設(shè)和生產(chǎn)已有數(shù)十年時(shí)間，當(dāng)?shù)厣鐣?huì)已經(jīng)普遍適應(yīng)了煤礦項(xiàng)目的運(yùn)營(yíng)。這些都十分有利于嘉信德煤礦改擴(kuò)建項(xiàng)目的建設(shè)和實(shí)施。項(xiàng)目完成后，不但可以為地區(qū)創(chuàng)造可觀的就業(yè)機(jī)會(huì)，提高當(dāng)?shù)鼐用竦氖杖胨剑€可以優(yōu)化地區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展。