馬婧佳，張靈童

(中煤科工集團沈陽設(shè)計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110015)

連續(xù)開采工藝具有效率高、消耗低、工作安全、節(jié)省勞動力、保護環(huán)境、易于實現(xiàn)自動化等優(yōu)點，得到了廣泛的應(yīng)用。系統(tǒng)移設(shè)主要是對系統(tǒng)中帶式輸送機進行移設(shè)，包含機頭驅(qū)動站、過渡橋、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采松散層。目前有關(guān)輪斗連續(xù)系統(tǒng)的研究主要針對工作面帶式輸送機移設(shè)方式以及輪斗連續(xù)系統(tǒng)能力等方面，孫進步等通過增加移設(shè)設(shè)備縮短移設(shè)時間提高系統(tǒng)能力[2]，孫國敏研究帶式輸送機方式及移設(shè)過程[3]，潘博等通過調(diào)整作業(yè)參數(shù)減少移設(shè)次數(shù)提高系統(tǒng)能力[4]，王文忠和王世文對小龍?zhí)哆B續(xù)工藝能力制約因素進行分析提出改進思路[5，6]，李亮盼和張文英等針對黑岱溝露天礦輪斗挖掘機系統(tǒng)使用現(xiàn)狀提出改進思路[7，8]，王晨光研究了元寶山連續(xù)工藝的應(yīng)用和改進[9]，彭世濟對連續(xù)工藝系統(tǒng)可靠性進行研究[10]，王學中研究了黑岱溝連續(xù)工藝系統(tǒng)的能力確定[11]，王東旭針對扎哈淖爾露天礦半連續(xù)系統(tǒng)移設(shè)方案進行了平面空間布置方式的研究[12]。對于輪斗連續(xù)系統(tǒng)空間布置方面的研究較少，移設(shè)布置時空優(yōu)化對輪斗連續(xù)系統(tǒng)能力發(fā)揮影響較大，有必要進行此方面的研究。

1 項目概況

1.1 礦山開采條件

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，屬霍林河煤田二號露天采區(qū)，礦區(qū)的自然氣候特點表現(xiàn)為干旱、風沙大、冬季嚴寒、凍結(jié)期長等。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。露天開采范圍內(nèi)松散層平均厚度68m，由東至西，厚度漸大，東部僅20～30m，西部平均厚度70m左右，最厚處大于80m，松散層抗壓強度為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行開采。

露天礦境界范圍內(nèi)松散層內(nèi)部包含三個含水層，即第四系全新、上更新統(tǒng)(Q3+4)含礫細砂含水層；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、帶式輸送機和排土機組成。地面膠帶機由5條膠帶組成，分別為L114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)總長度7.3km，膠帶寬度2m，帶速5m/s。輪斗挖掘機采用端工作面方式采掘，采用單一主臺階，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)?，F(xiàn)每年實際可完成剝離量5.0mm3。

對輪斗作業(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)含礫細砂含水層，巖性以淺黃色細砂為主，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。2018年8月，L114已推進至L115帶式輸送機提升段及地表境界處，繼續(xù)向前推進L114靠近頭站位置會發(fā)生越界現(xiàn)象，且L114帶式輸送機在L115帶式輸送機爬坡段無法移設(shè)，不移設(shè)系統(tǒng)將面臨停產(chǎn)。輪斗連續(xù)系統(tǒng)現(xiàn)場布置如圖1所示。

圖1 輪斗連續(xù)系統(tǒng)現(xiàn)場布置

2 工藝對比分析

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

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

表1 三種工藝模式下投資及成本費用對比表

由表1方案對比可知，輪斗單位成本費用最低，輪斗連續(xù)系統(tǒng)增加的2997萬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—卡車間斷工藝自營條件下，靜態(tài)投資回收期為0.68a，采用單斗—卡車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)濟合理的，同時輪斗連續(xù)工藝與單斗卡車間斷工藝相比具有安全、環(huán)保和經(jīng)濟性等優(yōu)勢，建議繼續(xù)采用輪斗連續(xù)系統(tǒng)開采上部松散層。

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，又要避免對下部單斗—卡車作業(yè)位置產(chǎn)生影響，四是移設(shè)后位置的服務(wù)年限長，與下部采場推進強度協(xié)調(diào)統(tǒng)一，避免頻繁移設(shè)。

隨著采掘場北幫上部臺階到界，采掘場將轉(zhuǎn)為向西推進。帶式輸送機常用的移設(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)是指帶式輸送機的所有部件都移設(shè)相同的距離，采用平行移設(shè)時移設(shè)和開采效率最高；扇形移設(shè)是指移設(shè)時一端不動，另一端繞著不動端以扇形的形式轉(zhuǎn)動移設(shè)；平行與扇形混合移設(shè)是指輸送機的機頭和機尾都移設(shè)，但一端要比另一端移設(shè)的距離遠[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個移設(shè)方案，平面空間移設(shè)方案情況見表2，移設(shè)前后平面空間位置對比如圖2所示。

3.2 方案比選

方案一與方案六不購置設(shè)備，方案二、三、四、五需購置一條膠帶，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，對于技術(shù)上均可行的六個方案，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)運行穩(wěn)定性及效率發(fā)揮以及對露天礦其它環(huán)節(jié)的影響等幾方面進行分析和優(yōu)缺點比較，主要技術(shù)經(jīng)濟對比見表3。

除方案一外其余五個方案工作面膠帶機與端幫膠帶機均為垂直搭接方式，由于現(xiàn)有設(shè)備不能實現(xiàn)扇形轉(zhuǎn)向，兩條帶式輸送機之間應(yīng)保持垂直方式才能實現(xiàn)工作面膠帶機平行移設(shè)[15]。方案一受機頭站改造不確定性、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，且對下部剝離產(chǎn)生不利影響、準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)費用造成資金浪費，最大的弊端是對下一次移設(shè)時布置方案布置影響較大，同時第一年還對下部剝離產(chǎn)生影響，不推薦。方案一、二、六對露天礦其它生產(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。

從投資和成本來看，方案四投資和成本較大，方案五投資最大、工期最長，方案三經(jīng)濟效益較好。從工程量來看，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)時不需要發(fā)生機道工程量，但是機道施工難度稍大，方案五每次移設(shè)發(fā)生機道工程量，機道同工作面同時推進、全線布置，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，移設(shè)產(chǎn)生的機道工程量還會增加，生產(chǎn)管理難度加大。從系統(tǒng)運行穩(wěn)定性考慮，方案四端幫膠帶布置在最上部第一個端幫臺階上，受沙層穩(wěn)定性差及下部端幫靠界開采影響系統(tǒng)維護工程量大，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之間的變形區(qū)影響較大，需根據(jù)采掘場及北排土場邊坡穩(wěn)定情況判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。根據(jù)礦上邊坡監(jiān)測數(shù)據(jù)及經(jīng)驗，方案五的穩(wěn)定性要優(yōu)于方案三?？紤]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)相對容易、經(jīng)濟效益稍好的方案三。

4 降水平空間布置

輪斗連續(xù)系統(tǒng)投入后一直沒有達到10.0Mm3/a的設(shè)計生產(chǎn)能力，每年僅能完成5.0Mm3/a的土方剝離量。連續(xù)開采工藝系統(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、設(shè)備的設(shè)計、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)主要是通過降低輪斗作業(yè)水平使輪斗作業(yè)條件改善，達到提高系統(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足上下兩個輪斗作業(yè)臺階高度，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，與下部臺階相比含水量較大，輪斗布置在下部水平有利于減少水對輪斗作業(yè)效率的影響，同時輪斗作業(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)整至下部臺階作業(yè)后，輪斗工作線上部的三個剝離臺階由外包設(shè)備作業(yè)，外包作業(yè)與輪斗作業(yè)空間交換，會造成輪斗作業(yè)范圍內(nèi)的外包剝離運距增加及上部端幫運輸平盤被輪斗連續(xù)系統(tǒng)切斷。

通過對輪斗連續(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，但存在初期機道工程量大、外包剝離運距增加、對目前生產(chǎn)影響較大等問題，在本次移設(shè)時實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一步明確輪斗效率提升情況及松散層含水情況后再實施該方案。

初步預(yù)計2023年以后具備實施降水平條件，此時松散層厚度由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行降深，布置在880～870水平，輪斗布置水平上部有3～4個外包剝離臺階，由于輪斗布置水平與地面高差較大，機道工程量較大，不宜將與工作面帶式輸送機搭接的端幫帶式輸送機布置在地面，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布置方案，方案對比表見表4。降水平空間移設(shè)方案對比如圖3所示。

表4 降水平空間移設(shè)方案對比

圖3 降水平空間移設(shè)方案對比

從投資上來看，方案一投資和運行成本稍小，且不存在越界風險，系統(tǒng)穩(wěn)定性也稍好，優(yōu)勢較明顯，推薦方案一。實施降水平方案后，因輪斗作業(yè)水平與外包作業(yè)水平交換導(dǎo)致了外包運距增加了0.4km，影響的剝離量約為8.5mm3，剝離運距增加的費用約為782萬，再考慮增加一座地面跨膠帶鋼橋的費用200萬元，按照外包價格9.6元/m3估算，輪斗連續(xù)系統(tǒng)每年能力增加83萬m3能夠與增加的費用持平，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。

5 結(jié) 語

通過移設(shè)的必要性研究得出輪斗連續(xù)系統(tǒng)與自營和外包單斗—卡車工藝相比具有技術(shù)和經(jīng)濟優(yōu)勢，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，工作面帶式輸送機與端幫帶式輸送機垂直布置，新增一條帶式輸送機布置于地表，連續(xù)系統(tǒng)由北推改為向西北推進?？煽紤]在下一次系統(tǒng)整體移設(shè)時考慮實施降水平方案，由于此次僅給出了對于降水平來說經(jīng)濟的系統(tǒng)能力提升建議值，下一步將重點研究降水平方案實施后系統(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。