楊 宏，才慶祥，張?zhí)煳?，陳樹召，陳彥?/p>

(1. 中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2. 小龍?zhí)兜V務(wù)局， 云南 開遠(yuǎn) 661601)

布沼壩露天煤礦為云南省小龍?zhí)兜V務(wù)局的主力礦井，2006年達(dá)到4.8Mt/a的四期設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力，并開始進(jìn)行五期擴(kuò)建。擴(kuò)建工程完成后，布沼壩露天煤礦生產(chǎn)能力將達(dá)到13Mt/a。隨著剝離量的增大和露天礦采剝工程的推進(jìn)，必須進(jìn)行剝離工藝改造。

1 工藝現(xiàn)狀

布沼壩露天煤礦現(xiàn)行剝離工藝，為單斗-汽車間斷工藝和輪斗挖掘機(jī)連續(xù)工藝，隨著礦山工程發(fā)展和市場情況變化，四期擴(kuò)建所采用的工藝均表現(xiàn)出了不同的問題。單斗-汽車間斷工藝機(jī)動(dòng)靈活，是布沼壩露天煤礦四期擴(kuò)建所采用的主要?jiǎng)冸x工藝。但五期擴(kuò)建后，該礦產(chǎn)量規(guī)模大幅度提高，剝離物的外排量和物料運(yùn)輸需克服的高差均增大，因此采用單斗-汽車工藝物料提升高差大，汽車運(yùn)距遠(yuǎn)(已超過7km)，運(yùn)營成本高。四期工程布置一套輪斗挖掘

機(jī)連續(xù)工藝系統(tǒng)(103)用于泥灰?guī)r剝離，但由于物料含水量大、黏性大，連續(xù)工藝系統(tǒng)的生產(chǎn)能力嚴(yán)重利用不足。2003～2005年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，連續(xù)工藝系統(tǒng)年實(shí)際運(yùn)行時(shí)間均小于2000h，實(shí)際生產(chǎn)能力不足800m3/h，遠(yuǎn)小于帶式輸送機(jī)的運(yùn)輸能力2200 m3/h。

2 開采條件

布沼壩露天煤礦經(jīng)過半個(gè)世紀(jì)左右的開發(fā)，對(duì)單斗-卡車間斷工藝、輪斗挖掘機(jī)連續(xù)工藝和半連續(xù)工藝均有應(yīng)用，而且對(duì)露天礦開發(fā)的物料巖性也有充分了解。因此，露天礦五期擴(kuò)建工藝選擇，應(yīng)對(duì)礦山物料條件、設(shè)備條件及生產(chǎn)條件予以充分考慮。

2.1 工程地質(zhì)條件

小龍?zhí)睹禾锸切碌谌o(jì)小龍?zhí)睹合档貙訕?gòu)成的山間向斜盆地，區(qū)內(nèi)三條較大的斷層(F2、F3、F4)形成了煤田的東、西、南自然邊界。南盤江為區(qū)內(nèi)最大河流，橫切盆地腰部，將小龍?zhí)睹禾锓指畛山?、江北兩個(gè)井田。布沼壩露天煤礦屬江南井田。

2.2 物料條件

根據(jù)“國家發(fā)展改革委關(guān)于云南省小龍?zhí)兜V務(wù)局露天煤礦擴(kuò)建項(xiàng)目核準(zhǔn)的批復(fù)”，小龍?zhí)兜V務(wù)局布沼壩露天煤礦五期擴(kuò)建規(guī)模為13Mt，生產(chǎn)能力凈增8.2Mt。因此，露天礦改擴(kuò)建所選擇的生產(chǎn)工藝，必須具有生產(chǎn)能力大的特點(diǎn)，能夠滿足露天礦增產(chǎn)的要求。

布沼壩露天煤礦上覆土巖主要為表土層與泥灰?guī)r層。該礦表土層厚約30.0m，結(jié)合本區(qū)氣候特點(diǎn)及地質(zhì)條件，表土層的巖性特征為：含水量大、黏性高且不均勻的分布有硬度較高的鈣華。布沼壩露天煤礦的另一類主要?jiǎng)冸x物為泥灰?guī)r，該層物料相對(duì)較低且均一，可不經(jīng)爆破而直接采裝。因此，泥灰?guī)r既適用于輪斗挖掘機(jī)采裝，也可適用于單斗挖掘機(jī)直接挖掘。

2.3 邊坡條件

布沼壩煤系地層為一山間向斜盆地，煤層沿采場兩端幫向上翹起，工作幫除表土臺(tái)階外，深部各水平都是煤巖混采臺(tái)階，采用輪斗連續(xù)工藝必須要進(jìn)行分流。由于布沼壩露天礦的排土場建在采場的西部，運(yùn)煤出入溝建在采場的北部，分流系統(tǒng)必須環(huán)采場的西北幫。然而，采場西北幫地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，軟弱巖層(黏土巖)厚度大、強(qiáng)度低、分布范圍大，邊坡穩(wěn)定性差，多年來一直處于蠕變滑坡狀態(tài)，雖經(jīng)多次清幫及采取多種加固措施處理，邊坡穩(wěn)定程度一直不高。隨著采場服務(wù)時(shí)間的延長，產(chǎn)生蠕變滑坡的可能性將會(huì)更大。隨著采場深度的加大，邊坡高度越來越大，所形成的高大邊坡，其穩(wěn)定性將會(huì)進(jìn)一步降低。所以，再建分流系統(tǒng)難度比較大，維護(hù)也比較困難，對(duì)露天礦正常生產(chǎn)威脅比較大。

2.4 設(shè)備條件

布沼壩露天煤礦現(xiàn)有設(shè)備可滿足年產(chǎn)原煤4.8Mt的生產(chǎn)要求。現(xiàn)有采裝設(shè)備有輪斗挖掘機(jī)、液壓挖掘機(jī)和裝載機(jī)，運(yùn)輸設(shè)備有自卸卡車和帶式輸送機(jī)，排土設(shè)備有排土機(jī)和推土機(jī)，其中相當(dāng)部分為礦山四期擴(kuò)建新購設(shè)備。因此，五期擴(kuò)建的工藝選擇，應(yīng)盡量使用現(xiàn)有設(shè)備并保證其效率的發(fā)揮。

3 工藝選擇

3.1 表土剝離工藝

根據(jù)國內(nèi)露天礦表土剝離工藝的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，主要有單斗-卡車間斷工藝和輪斗-帶式輸送機(jī)-排土機(jī)連續(xù)工藝兩種。一般而言，表土為松散物料，硬度小，便于輪斗挖掘機(jī)直接采裝，因此是采用連續(xù)工藝的最優(yōu)資源。但對(duì)于小龍?zhí)兜V務(wù)局布沼壩露天煤礦而言，表土及黏土類巖土為剝離物的主體，但多年的生產(chǎn)實(shí)踐表明，該礦表土層不適合采用連續(xù)工藝作業(yè)。其主要原因?yàn)椋菏紫扔捎诒硗翆雍看?，排水困難，采用輪斗連續(xù)工藝開采，極易造成系統(tǒng)各環(huán)節(jié)黏結(jié)、堵料、物料液化、提升運(yùn)輸困難等；另一方面，由于表土層中不均勻的分布有硬度較大的鈣華層，需要進(jìn)行爆破才能采裝，因此不適宜采用輪斗挖掘機(jī)采裝。此外，由于表土及黏土巖黏性高、含水量大，采用帶式輸送機(jī)運(yùn)輸后成流狀，與排土場穩(wěn)定不利。因此，研究推薦布沼壩露天煤礦五期擴(kuò)建表土剝離，采用單斗-卡車間斷工藝。

3.2 泥灰?guī)r剝離工藝

布沼壩露天煤礦的泥灰?guī)r層，是一套淺灰色厚層狀泥灰?guī)r，致密均一，具貝殼狀斷口，細(xì)水平層理，下部顏色較深，泥質(zhì)膠結(jié)，節(jié)理發(fā)育，屬不堅(jiān)固巖石，其濕抗壓強(qiáng)度為1400～4100kPa，天然狀態(tài)下的泥灰?guī)r因含水表現(xiàn)較軟，風(fēng)干后則較硬。對(duì)于泥灰?guī)r剝離而言，可行工藝方案有如下三種：方案Ⅰ：全單斗-汽車間斷工藝；方案Ⅱ：全單斗-汽車-破碎站-帶式輸送機(jī)半連續(xù)工藝；方案Ⅲ：單斗-汽車間斷工藝+一套輪斗連續(xù)工藝+卡車—破碎站半連續(xù)工藝綜合工藝。

全單斗-汽車工藝方案的系統(tǒng)可靠性高，機(jī)動(dòng)靈活，對(duì)巖性、選采等適應(yīng)性強(qiáng)，便于管理，比較適合布沼壩露天煤礦所屬企業(yè)性質(zhì)。但布沼壩露天煤礦排土運(yùn)距較遠(yuǎn)，采用汽車運(yùn)輸成本高；且本方案不能利用現(xiàn)有輪斗挖掘機(jī)-帶式輸送機(jī)系統(tǒng)，需增加設(shè)備投資。

全單斗-汽車-破碎站-帶式輸送機(jī)半連續(xù)工藝方案，可以充分發(fā)揮汽車運(yùn)輸機(jī)動(dòng)靈活的特點(diǎn)，無需建分流系統(tǒng)；地面運(yùn)輸采用帶式輸送機(jī)，可以適應(yīng)布沼壩露天煤礦剝離運(yùn)輸高差大，運(yùn)距遠(yuǎn)的特點(diǎn)。缺點(diǎn)是現(xiàn)有輪斗挖掘機(jī)無法利用，需要增加其它設(shè)備投資，而且如果泥灰?guī)r全部采用帶式輸送機(jī)運(yùn)往排土場，無法滿足排土場基底建設(shè)的特殊需要。

單斗-汽車間斷工藝+輪斗連續(xù)工藝(一套，采泥灰?guī)r)+半連續(xù)工藝(卡車-破碎站)綜合工藝方案，主要是考慮到502系統(tǒng)采用輪斗挖掘機(jī)作業(yè)時(shí)，系統(tǒng)能力只能達(dá)到150萬m3/a左右，帶式輸送機(jī)系統(tǒng)的能力沒有得到充分發(fā)揮；搭配一套半連續(xù)工藝后，可使系統(tǒng)的生產(chǎn)能力提高，增加502系統(tǒng)的運(yùn)量，降低運(yùn)輸成本。系統(tǒng)設(shè)置：初期輪斗挖掘機(jī)和卡車-破碎站共用一套帶式輸送機(jī)系統(tǒng)，后期取消輪斗挖掘機(jī)，完全采用卡車-破碎站半連續(xù)工藝，以簡化工作面管理。本方案的優(yōu)點(diǎn)是可以充分利用現(xiàn)有的設(shè)備及系統(tǒng)，通過輪斗挖掘機(jī)和卡車-破碎站互補(bǔ)作業(yè)，提高系統(tǒng)的利用率；但存在系統(tǒng)間的相互干擾。

綜合以上分析，研究認(rèn)為，布沼壩露天煤礦泥灰?guī)r剝離采用綜合工藝方案是合理的。初期保留輪斗連續(xù)工藝與新增半連續(xù)工藝并聯(lián)，后期取消連續(xù)工藝系統(tǒng)以簡化工藝系統(tǒng)布置。

4 破碎站選擇

根據(jù)布沼壩露天煤礦泥灰?guī)r賦存情況和開拓運(yùn)輸系統(tǒng)布置，該礦新增泥灰?guī)r剝離半連續(xù)工藝系統(tǒng)可行的破碎設(shè)備，為半固定破碎站和移動(dòng)式破碎站。

4.1 半固定破碎站

布沼壩露天煤礦剝離物全部運(yùn)往外排土場排棄，因此物料的運(yùn)輸相對(duì)集中，具備應(yīng)用半固定破碎站半連續(xù)工藝的條件。破碎站布置于西幫203-1帶式輸送機(jī)一側(cè)，工作面采出的泥灰?guī)r由卡車運(yùn)至破碎站，破碎后由帶式輸送機(jī)運(yùn)至龍橋排土場經(jīng)排土機(jī)排棄。隨著采場工作幫的推進(jìn)，破碎站可逐步向南移設(shè)。

4.2 移動(dòng)式破碎站

移動(dòng)式破碎站可以適應(yīng)工作面帶式輸送機(jī)移設(shè)頻繁的特點(diǎn)，因此可以布置在103帶式輸送機(jī)上。五期擴(kuò)建后，布沼壩露天煤礦同時(shí)存在東幫和南幫兩個(gè)工作幫，且采場內(nèi)的剝離物均需通過西幫的出入溝運(yùn)往龍橋排土場，因此將破碎站布置于103工作面帶式輸送機(jī)上，可大幅度縮短泥灰?guī)r的卡車運(yùn)距，降低剝離費(fèi)用。

4.3 設(shè)備選擇

根據(jù)小龍?zhí)兜V務(wù)局設(shè)備考察結(jié)果，備選的半固定破碎站為MMD公司生產(chǎn)的(采用雙齒輥式破碎機(jī))，廠家報(bào)價(jià)為500萬元(合人民幣3495.6萬元)；移動(dòng)式破碎站為DBT公司生產(chǎn)的他移式破碎站(采用錘式滾軸破碎機(jī))，廠家報(bào)價(jià)為225.6萬元(合人民幣2508.3萬元)。兩方案生產(chǎn)費(fèi)用分析見表1。

表1 系統(tǒng)生產(chǎn)能力

根據(jù)以上分析，在年生產(chǎn)能力為Q的條件下，計(jì)算泥灰?guī)r剝離費(fèi)用如下：

半固定：Cb=11.68×100×Q+315=

(1)

移動(dòng)式：Cy=11.19×100×Q+354=

(2)

由此可見，不同類型破碎站的應(yīng)用效果與泥灰?guī)r剝離量有關(guān)，擬合兩者關(guān)系見圖1。

圖2 生產(chǎn)費(fèi)用與剝離量關(guān)系

根據(jù)以上分析，當(dāng)半連續(xù)工藝系統(tǒng)的生產(chǎn)能力大于0.8Mm3/a時(shí)，采用移動(dòng)式破碎站的投資和單位生產(chǎn)費(fèi)用均較低，具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢；另外，他移式破碎站的制造、調(diào)試時(shí)間較短，可實(shí)現(xiàn)盡快投入，有利于保證露天礦剝離進(jìn)度。布沼壩露天煤礦兩年來應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)表明，該礦條件下，泥灰?guī)r剝離采用移動(dòng)式破碎站半連續(xù)工藝是成功的。

5 研究結(jié)論

論文對(duì)布沼壩露天煤礦條件下剝離工藝進(jìn)行優(yōu)化研究，得出如下結(jié)論：

(1)由于表土含水量大，只能采用單斗-卡車間斷工藝剝離；

(2)泥灰?guī)r剝離可采用間斷工藝、連續(xù)工藝或半連續(xù)工藝，綜合考慮物料條件和現(xiàn)有設(shè)備情況，研究推薦采用綜合工藝：初期為間斷工藝+連續(xù)工藝+半連續(xù)工藝，輪斗挖掘機(jī)與卡車-破碎站半連續(xù)工藝并聯(lián)，后期取消輪斗挖掘機(jī)以簡化系統(tǒng)布置；

(3)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析結(jié)果表明，布沼壩露天煤礦新增半連續(xù)工藝系統(tǒng)，采用移動(dòng)式破碎站不僅投資省，而且當(dāng)系統(tǒng)生產(chǎn)能力大于0.8Mm3/a時(shí)，生產(chǎn)費(fèi)用也較低。

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