布沼壩露天煤礦剝離工藝優(yōu)化選擇

楊 宏，才慶祥，張?zhí)煳?，陳樹召，陳彥?/p>

(1. 中國礦業(yè)大學礦業(yè)工程學院，江蘇 徐州 221116；2. 小龍?zhí)兜V務局， 云南 開遠 661601)

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

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連續(xù)工藝，隨著礦山工程發(fā)展和市場情況變化，四期擴建所采用的工藝均表現(xiàn)出了不同的問題。單斗-汽車間斷工藝機動靈活，是布沼壩露天煤礦四期擴建所采用的主要剝離工藝。但五期擴建后，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，汽車運距遠(已超過7km)，運營成本高。四期工程布置一套輪斗挖掘

機連續(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)能力嚴重利用不足。2003～2005年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，連續(xù)工藝系統(tǒng)年實際運行時間均小于2000h，實際生產(chǎn)能力不足800m3/h，遠小于帶式輸送機的運輸能力2200 m3/h。

2 開采條件

布沼壩露天煤礦經(jīng)過半個世紀左右的開發(fā)，對單斗-卡車間斷工藝、輪斗挖掘機連續(xù)工藝和半連續(xù)工藝均有應用，而且對露天礦開發(fā)的物料巖性也有充分了解。因此，露天礦五期擴建工藝選擇，應對礦山物料條件、設備條件及生產(chǎn)條件予以充分考慮。

2.1 工程地質條件

小龍?zhí)睹禾锸切碌谌o小龍?zhí)睹合档貙訕嫵傻纳介g向斜盆地，區(qū)內三條較大的斷層(F2、F3、F4)形成了煤田的東、西、南自然邊界。南盤江為區(qū)內最大河流，橫切盆地腰部，將小龍?zhí)睹禾锓指畛山?、江北兩個井田。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)展改革委關于云南省小龍?zhí)兜V務局露天煤礦擴建項目核準的批復”，小龍?zhí)兜V務局布沼壩露天煤礦五期擴建規(guī)模為13Mt，生產(chǎn)能力凈增8.2Mt。因此，露天礦改擴建所選擇的生產(chǎn)工藝，必須具有生產(chǎn)能力大的特點，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，結合本區(qū)氣候特點及地質條件，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剝離物為泥灰?guī)r，該層物料相對較低且均一，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采裝，也可適用于單斗挖掘機直接挖掘。

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，工作幫除表土臺階外，深部各水平都是煤巖混采臺階，采用輪斗連續(xù)工藝必須要進行分流。由于布沼壩露天礦的排土場建在采場的西部，運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，采場西北幫地質構造復雜，軟弱巖層(黏土巖)厚度大、強度低、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。隨著采場服務時間的延長，產(chǎn)生蠕變滑坡的可能性將會更大。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)定性將會進一步降低。所以，再建分流系統(tǒng)難度比較大，維護也比較困難，對露天礦正常生產(chǎn)威脅比較大。

2.4 設備條件

布沼壩露天煤礦現(xiàn)有設備可滿足年產(chǎn)原煤4.8Mt的生產(chǎn)要求?，F(xiàn)有采裝設備有輪斗挖掘機、液壓挖掘機和裝載機，運輸設備有自卸卡車和帶式輸送機，排土設備有排土機和推土機，其中相當部分為礦山四期擴建新購設備。因此，五期擴建的工藝選擇，應盡量使用現(xiàn)有設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)國內露天礦表土剝離工藝的應用經(jīng)驗，主要有單斗-卡車間斷工藝和輪斗-帶式輸送機-排土機連續(xù)工藝兩種。一般而言，表土為松散物料，硬度小，便于輪斗挖掘機直接采裝，因此是采用連續(xù)工藝的最優(yōu)資源。但對于小龍?zhí)兜V務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)。其主要原因為：首先由于表土層含水量大，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、堵料、物料液化、提升運輸困難等；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，需要進行爆破才能采裝，因此不適宜采用輪斗挖掘機采裝。此外，由于表土及黏土巖黏性高、含水量大，采用帶式輸送機運輸后成流狀，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，細水平層理，下部顏色較深，泥質膠結，節(jié)理發(fā)育，屬不堅固巖石，其濕抗壓強度為1400～4100kPa，天然狀態(tài)下的泥灰?guī)r因含水表現(xiàn)較軟，風干后則較硬。對于泥灰?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，機動靈活，對巖性、選采等適應性強，便于管理，比較適合布沼壩露天煤礦所屬企業(yè)性質。但布沼壩露天煤礦排土運距較遠，采用汽車運輸成本高；且本方案不能利用現(xiàn)有輪斗挖掘機-帶式輸送機系統(tǒng)，需增加設備投資。

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

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)采用輪斗挖掘機作業(yè)時，系統(tǒng)能力只能達到150萬m3/a左右，帶式輸送機系統(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)的運量，降低運輸成本。系統(tǒng)設置：初期輪斗挖掘機和卡車-破碎站共用一套帶式輸送機系統(tǒng)，后期取消輪斗挖掘機，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)點是可以充分利用現(xiàn)有的設備及系統(tǒng)，通過輪斗挖掘機和卡車-破碎站互補作業(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)可行的破碎設備，為半固定破碎站和移動式破碎站。

4.1 半固定破碎站

布沼壩露天煤礦剝離物全部運往外排土場排棄，因此物料的運輸相對集中，具備應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帶式輸送機一側，工作面采出的泥灰?guī)r由卡車運至破碎站，破碎后由帶式輸送機運至龍橋排土場經(jīng)排土機排棄。隨著采場工作幫的推進，破碎站可逐步向南移設。

4.2 移動式破碎站

移動式破碎站可以適應工作面帶式輸送機移設頻繁的特點，因此可以布置在103帶式輸送機上。五期擴建后，布沼壩露天煤礦同時存在東幫和南幫兩個工作幫，且采場內的剝離物均需通過西幫的出入溝運往龍橋排土場，因此將破碎站布置于103工作面帶式輸送機上，可大幅度縮短泥灰?guī)r的卡車運距，降低剝離費用。

4.3 設備選擇

根據(jù)小龍?zhí)兜V務局設備考察結果，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)，廠家報價為500萬元(合人民幣3495.6萬元)；移動式破碎站為DBT公司生產(chǎn)的他移式破碎站(采用錘式滾軸破碎機)，廠家報價為225.6萬元(合人民幣2508.3萬元)。兩方案生產(chǎn)費用分析見表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，計算泥灰?guī)r剝離費用如下：

半固定：Cb=11.68×100×Q+315=

(1)

移動式：Cy=11.19×100×Q+354=

(2)

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

圖2 生產(chǎn)費用與剝離量關系

根據(jù)以上分析，當半連續(xù)工藝系統(tǒng)的生產(chǎn)能力大于0.8Mm3/a時，采用移動式破碎站的投資和單位生產(chǎn)費用均較低，具有經(jīng)濟優(yōu)勢；另外，他移式破碎站的制造、調試時間較短，可實現(xiàn)盡快投入，有利于保證露天礦剝離進度。布沼壩露天煤礦兩年來應用經(jīng)驗表明，該礦條件下，泥灰?guī)r剝離采用移動式破碎站半連續(xù)工藝是成功的。

5 研究結論

論文對布沼壩露天煤礦條件下剝離工藝進行優(yōu)化研究，得出如下結論：

(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，輪斗挖掘機與卡車-破碎站半連續(xù)工藝并聯(lián)，后期取消輪斗挖掘機以簡化系統(tǒng)布置；

(3)技術經(jīng)濟分析結果表明，布沼壩露天煤礦新增半連續(xù)工藝系統(tǒng)，采用移動式破碎站不僅投資省，而且當系統(tǒng)生產(chǎn)能力大于0.8Mm3/a時，生產(chǎn)費用也較低。

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