孫健東,張瑞新,程 鵬,唐曉騫,王 韜,徐鐘馗,郭 培
(1.華北科技學(xué)院,河北 三河 065201;2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083;3.神華準(zhǔn)能科學(xué)技術(shù)研究院,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010399;4.神華準(zhǔn)能黑岱溝露天礦,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010399)
拉斗鏟倒堆工藝在國(guó)外露天煤礦中占有極其重要的地位,目前世界上采用拉斗鏟倒堆工藝的露天煤礦產(chǎn)量約占世界煤炭總產(chǎn)量的30%~60%[1,2]。受國(guó)民經(jīng)濟(jì)、裝備制造能力、采礦理念、管理水平等各方面因素的制約,我國(guó)拉斗鏟倒堆工藝應(yīng)用較晚,2007年神華集團(tuán)準(zhǔn)格爾能源公司黑岱溝露天煤礦首次應(yīng)用了拋擲“爆破—拉斗鏟倒堆”工藝,取得了一定的經(jīng)濟(jì)效益。
盡管相關(guān)高校及設(shè)計(jì)院針對(duì)國(guó)內(nèi)主要大型露天礦山優(yōu)化設(shè)計(jì)中都推薦使用拉斗鏟倒堆工藝,但由于拉斗鏟倒堆工藝設(shè)備投資過(guò)高、部分學(xué)者及一線人員對(duì)其應(yīng)用的合理性仍存在一定爭(zhēng)議等諸多原因,神準(zhǔn)哈爾烏素露天礦、神延西灣露天礦、神華寶日希勒等諸多具備采用拉斗鏟倒堆工藝應(yīng)用條件的大型露天礦都未選擇該工藝方案。作為與神準(zhǔn)黑岱溝露天礦同一集團(tuán)下的特大型露天礦山,其工藝選用決策在一定程度上影響了國(guó)內(nèi)其他礦山引入拉斗鏟倒堆工藝的信心,進(jìn)而造成目前拉斗鏟倒堆工藝在國(guó)內(nèi)難以推廣的境遇。
考慮到拉斗鏟倒堆工藝作為世界露天開(kāi)采主流工藝、在國(guó)外普遍成功應(yīng)用的事實(shí)情況,必須探討國(guó)內(nèi)拉斗鏟倒堆工藝在優(yōu)化設(shè)計(jì)方法、生產(chǎn)組織管理、維護(hù)檢修水平等方面與國(guó)外存在的差距,作者通過(guò)整理近五年的研究工作及現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員十余年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),總結(jié)黑岱溝露天礦拉斗鏟倒堆工藝應(yīng)用時(shí)遇到的問(wèn)題,探討可行的解決方法,明確未來(lái)重點(diǎn)研究方向,在確保礦山原煤產(chǎn)量的前提下提高拉斗鏟倒堆工藝系統(tǒng)效率,進(jìn)而為拉斗鏟倒堆工藝的研究、應(yīng)用及推廣提供參考。
拉斗鏟倒堆工藝要求煤層近水平或緩傾斜賦存,煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、數(shù)量不宜過(guò)多,煤田儲(chǔ)量豐富,有足夠面積安排工作線以發(fā)揮設(shè)備能力[3],從工藝應(yīng)用的要求來(lái)看,我國(guó)相當(dāng)多的大型煤田具備采用拉斗鏟倒堆工藝的基本條件,諸多礦區(qū)開(kāi)展過(guò)拉斗鏟倒堆開(kāi)采工藝應(yīng)用的可行性研究,例如中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)設(shè)計(jì)研究院針對(duì)勝利一號(hào)露天煤礦、魯能寶清朝陽(yáng)露天煤礦、黑岱溝露天煤礦、哈爾烏素露天煤礦的設(shè)計(jì)研究,內(nèi)蒙古煤炭設(shè)計(jì)院針對(duì)寶日希勒露天礦改擴(kuò)建設(shè)計(jì)研究[4],另外,國(guó)內(nèi)學(xué)者還針對(duì)白音華二號(hào)露天礦[5,6]、安太堡露天礦[7]、武家塔露天煤礦[8]等礦山應(yīng)用拉斗鏟倒堆工藝的可行性進(jìn)行了分析,上述研究成果均認(rèn)為:相同開(kāi)采規(guī)模條件下,拉斗鏟倒堆工藝的經(jīng)濟(jì)效益遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于其他開(kāi)采工藝,我國(guó)神府東勝煤田、準(zhǔn)格爾煤田、勝利煤田、寶日希勒煤田、伊敏煤田等,都有適用該工藝的可能性[9]。
2007年神華準(zhǔn)能黑岱溝礦首次應(yīng)用了拉斗鏟倒堆工藝,該礦6號(hào)煤層頂板以上約35~55m厚的巖石經(jīng)拋擲爆破后,由BE 8750-65型拉斗鏟進(jìn)行倒堆。黑岱溝露天礦應(yīng)用了以拋擲爆破、拉斗鏟倒堆為主的聯(lián)合開(kāi)采工藝以后,成為目前我國(guó)已經(jīng)建成的規(guī)模最大、效率最高的現(xiàn)代化露天煤礦[10]。
黑岱溝露天礦采場(chǎng)劃分為倒堆作業(yè)區(qū)與采煤作業(yè)區(qū)兩個(gè)采區(qū),拉斗鏟與原煤開(kāi)采設(shè)備分別從中部向兩端推進(jìn),運(yùn)煤通道設(shè)置于采場(chǎng)中部。當(dāng)采煤作業(yè)區(qū)進(jìn)行原煤開(kāi)采時(shí),其上部高臺(tái)階提前進(jìn)行穿孔作業(yè),原煤開(kāi)采完畢后即可進(jìn)行拋擲爆破,工作線每推進(jìn)一幅需要進(jìn)行4次拋擲爆破,每區(qū)2次。當(dāng)兩個(gè)采區(qū)分別完成倒堆作業(yè)與原煤回采作業(yè)后,倒堆與采煤設(shè)備互換采區(qū),拉斗鏟繞排土場(chǎng)及中部入溝通道進(jìn)入另一采區(qū)。
黑岱溝露天礦于2017年上半年轉(zhuǎn)入二采區(qū)作業(yè),原煤回采工作線長(zhǎng)度增加至2300m,由于采場(chǎng)南端幫為哈爾烏素露臺(tái)礦排土場(chǎng)、哈爾烏素設(shè)備調(diào)入黑岱溝作業(yè)、拉斗鏟能力不足等諸多原因,南部500m左右長(zhǎng)度的工作線采用“單斗—卡車”工藝作業(yè);同時(shí),為保證南北倒堆區(qū)開(kāi)拓運(yùn)輸系統(tǒng)接續(xù)的穩(wěn)定性,正對(duì)中間溝垂直段約150~200m的工作面區(qū)域由“單斗—卡車”替代拉斗鏟剝離作業(yè),如圖1所示。
拉斗鏟倒堆工藝在我國(guó)投入應(yīng)用的時(shí)間僅10余年,應(yīng)用案例也局限于黑岱溝露天礦一家,引進(jìn)數(shù)量也僅一臺(tái),因此在生產(chǎn)組織管理、設(shè)備維護(hù)檢修、工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面尚有較大的提升空間。根據(jù)黑岱溝露天煤礦的近10年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)顯示,當(dāng)前存在的問(wèn)題具體如下:
2003年我國(guó)黑岱溝露天礦設(shè)計(jì)規(guī)模為20Mt/a,受市場(chǎng)環(huán)境變化影響,實(shí)際原煤產(chǎn)量逐年增加,2007年改擴(kuò)建后設(shè)計(jì)規(guī)模達(dá)到25Mt/a,2010年擴(kuò)能至29Mt/a,2012年達(dá)到31Mt/a,2016年則達(dá)到了34Mt/a。根據(jù)澳大利亞實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),拉斗鏟的型號(hào)及數(shù)量應(yīng)與原煤產(chǎn)量、賦存條件、工作線長(zhǎng)度等參數(shù)相匹配[11],然而黑岱溝露天礦在提高原煤生產(chǎn)目標(biāo)時(shí)并未考慮到上述因素,導(dǎo)致拉斗鏟倒堆工藝的優(yōu)勢(shì)在剝離強(qiáng)度不斷增大的情況下逐漸降低,目前已經(jīng)成為黑岱溝露天礦綜合開(kāi)采工藝的瓶頸環(huán)節(jié)[12]。根據(jù)2016—2017年生產(chǎn)成本統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)估算,當(dāng)前倒堆系統(tǒng)作業(yè)單位直接成本(涵蓋材料費(fèi)、水電費(fèi)、維修、工資勞務(wù)及相關(guān)生產(chǎn)車輛費(fèi)等,不考慮折舊)約為9.7 元/m3,如利用單斗-卡車完全替代拉斗鏟作業(yè),單位成本約為12 元/m3,即同等條件下,黑岱溝露天礦倒堆系統(tǒng)作業(yè)成本約為單斗-卡車的80%左右,遠(yuǎn)高于國(guó)外水平(美國(guó)、澳大利亞實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)為50%~60%,俄羅斯近年來(lái)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)約為28%~40%[13-15])。
圖1 黑岱溝當(dāng)前采場(chǎng)示意圖
造成這一情況的主要原因?yàn)椋汉卺窚下短斓V所采用的綜合開(kāi)采系統(tǒng)整體上呈串聯(lián)結(jié)構(gòu),所有工藝環(huán)節(jié)都應(yīng)至少達(dá)到原煤開(kāi)采的平均推進(jìn)速度,否則將無(wú)法完成預(yù)定原煤產(chǎn)量。而單臺(tái)拉斗鏟作業(yè)能力有限,為了保證拉斗鏟的推進(jìn)速度,不得不降低其站立水平以減少爆堆下分層的截面積,進(jìn)而導(dǎo)致倒堆系統(tǒng)作業(yè)效率的不斷降低、成本不斷增加,具體體現(xiàn)在:
1)為彌補(bǔ)拉斗鏟生產(chǎn)能力的不足,爆堆上分層由1臺(tái)WK-55、3臺(tái)930E卡車輔助剝離,物料主要用于拓展拉斗鏟站立臺(tái)階寬度,年作業(yè)量高達(dá)1300 萬(wàn)m3左右,作業(yè)成本高達(dá)1.5 億元/a(作業(yè)成本超過(guò)12 元/m3),而有效作業(yè)量?jī)H為500~700 萬(wàn)m3左右,剩余物料需要重新倒堆,見(jiàn)表1。
表1 近4年倒堆系統(tǒng)作業(yè)量分析
2)待挖掘物料的形態(tài)發(fā)生變化,拉斗鏟裝載效率降低;拉斗鏟推進(jìn)速度加快,走鏟變得極為頻繁,以拉斗鏟周期推進(jìn)50m計(jì)算,每周期設(shè)立挖掘機(jī)位5個(gè),則一周期需要輔助設(shè)備配合5次[16],根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)總走鏟時(shí)間(司機(jī)指引時(shí)間+推土機(jī)平整工作面時(shí)間+前裝機(jī)移設(shè)電纜時(shí)間+拉斗鏟走行時(shí)間)至少需要2h以上。則工作線每推進(jìn)一幅需要花費(fèi)80h、全年至少花費(fèi)360h用于工作面走鏟。對(duì)輔助設(shè)備配合水平的要求較高,嚴(yán)重縮短了拉斗鏟實(shí)際倒堆作業(yè)時(shí)間(詳見(jiàn)2.2節(jié))。
3)為減少倒堆系統(tǒng)所承擔(dān)的總作業(yè)量,不得不降低拋擲爆破臺(tái)階高度,從而導(dǎo)致有效拋擲率的降低。根據(jù)爆堆曲線的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示,在44~55m范圍內(nèi),拋擲爆破臺(tái)階高度每降低1m,有效拋擲率降低0.2%;在36~44m范圍內(nèi),有效拋擲率以0.4%/m遞減。當(dāng)前黑岱溝露天礦拋擲爆破臺(tái)階平均高度約為40m,與50m相比有效拋擲率約降低了3%,即增加倒堆系統(tǒng)近100萬(wàn)m3的作業(yè)量,額外付出剝離成本近1000 萬(wàn)元。
4)隨著站立臺(tái)階高度的降低,拉斗鏟在單位推進(jìn)距離內(nèi)作業(yè)量不斷減少,但為拉斗鏟在全工作線范圍內(nèi)構(gòu)筑平盤(pán)所需的輔助工程量卻不減反增,降低了倒堆系統(tǒng)整體的經(jīng)濟(jì)效益。例如2016—2017年拉斗鏟生產(chǎn)能力為1680 萬(wàn)m3,其中超過(guò)500 萬(wàn)m3作業(yè)量為二次倒堆量,僅此一項(xiàng)所花費(fèi)成本高達(dá)5000 萬(wàn)元。
綜上所述,當(dāng)前系統(tǒng)效率低下與成本偏高的根本原因在于:?jiǎn)闻_(tái)拉斗鏟的生產(chǎn)能力無(wú)法滿足當(dāng)前全工作線倒堆作業(yè)的需求,整個(gè)倒堆系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)都在很大程度上犧牲了成本與效率以保證拉斗鏟推進(jìn)速度。
根據(jù)Mining Intelligence & Benchmarking(以下簡(jiǎn)稱MIB)針世界范圍內(nèi)大型拉斗鏟應(yīng)用情況的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示[17],拉斗鏟單位額定載荷的生產(chǎn)能力的高級(jí)實(shí)踐水平約達(dá)10.6 萬(wàn)m3/t(實(shí)方),低級(jí)實(shí)踐水平約達(dá)6.6 萬(wàn)m3/t(實(shí)方)。例如澳大利亞Goonyella露天煤礦應(yīng)用的Marion 8050型拉斗鏟(額定載荷150t)平均年能力約為1600 萬(wàn)m3,BE 1370型拉斗鏟(額定載荷140t)平均年能力約為1500 萬(wàn)m3 [18],均達(dá)到了較高實(shí)踐水平。
因此理論上黑岱溝應(yīng)用的BE 8750-65型拉斗鏟(額定載荷267t)生產(chǎn)能力至少應(yīng)達(dá)到1760~2830 萬(wàn)m3/a,然而根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),近年來(lái)拉斗鏟年生產(chǎn)能力不斷下降(如圖2所示),根據(jù)推算,其單位額定載荷也從2008年的8.1萬(wàn)m3/t已經(jīng)下降至當(dāng)前的6.29萬(wàn)m3/t。2017拉斗鏟倒堆作業(yè)總量約為1680 萬(wàn)m3,僅達(dá)MIB數(shù)據(jù)庫(kù)高級(jí)實(shí)踐水平的59.34%,低級(jí)實(shí)踐水平的95%:拉斗鏟生產(chǎn)能力嚴(yán)重偏低的主要原因在于以下幾個(gè)方面:
圖2 拉斗鏟歷年剝離總量(含拓展臺(tái)階倒堆作業(yè)量)
2.2.1 拉斗鏟實(shí)動(dòng)率偏低
拉斗鏟計(jì)劃生產(chǎn)時(shí)間主要由倒堆作業(yè)時(shí)間、計(jì)劃內(nèi)檢修時(shí)間、計(jì)劃外檢修時(shí)間三部分組成。實(shí)動(dòng)率為倒堆作業(yè)時(shí)間占計(jì)劃生產(chǎn)時(shí)間的比重,反映了設(shè)備維護(hù)檢修水平及生產(chǎn)組織管理能力。國(guó)外應(yīng)用拉斗鏟水平較高的露天礦山中,拉斗鏟計(jì)劃生產(chǎn)時(shí)間一般超過(guò)8700h/a,倒堆作業(yè)時(shí)間普遍為7000~8000h,實(shí)動(dòng)率保持在0.83~0.93之間[19],拉斗鏟檢修時(shí)間的高級(jí)實(shí)踐水平約為1.8h/d(650h/a),平均實(shí)踐水平約為3.6h/d(1314h/a),詳見(jiàn)表2。然而根據(jù)黑岱溝露天礦統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,2014—2016年拉斗鏟年平均倒堆作業(yè)時(shí)間為5860h,約達(dá)MIB數(shù)據(jù)庫(kù)平均水平的75%,計(jì)劃內(nèi)檢修時(shí)間4h/d(1460h/a),計(jì)劃外檢修時(shí)間2.7h/d(1004h/a),拉斗鏟平均檢修時(shí)間達(dá)6.75h/d(2464h/a),是MIB數(shù)據(jù)庫(kù)平均水平的1.7~3倍。
表2 各型號(hào)拉斗鏟作業(yè)時(shí)間組成統(tǒng)計(jì)
注:數(shù)據(jù)來(lái)源于MIB拉斗鏟運(yùn)行數(shù)據(jù)庫(kù),倒堆作業(yè)時(shí)間根據(jù)實(shí)動(dòng)率及內(nèi)外障時(shí)間計(jì)算得出。
2.2.2 倒堆作業(yè)時(shí)間有效利用率及小時(shí)效率偏低
拉斗鏟倒堆作業(yè)時(shí)間主要由實(shí)際倒堆時(shí)間、程序延遲時(shí)間組成,其中程序延遲時(shí)間指等待推土機(jī)清理工作面、前裝機(jī)拖移電纜、工作面走鏟或跨區(qū)移設(shè)等工藝程序耗費(fèi)時(shí)間。倒堆作業(yè)時(shí)間有效利用率指實(shí)際倒堆作業(yè)時(shí)間占總倒堆作業(yè)時(shí)間的比重,反映了現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)組織管理能力,根據(jù)國(guó)外經(jīng)驗(yàn)取值一般為0.8~0.9。而根據(jù)黑岱溝2014—2016年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),拉斗鏟實(shí)際倒堆作業(yè)時(shí)間約為4600h,程序延遲時(shí)間約為1400h,倒堆作業(yè)時(shí)間有效利用率僅為0.76。
按照拉斗鏟倒堆作業(yè)時(shí)間7000~7500h、有效利用率為0.85,對(duì)國(guó)外拉斗鏟作業(yè)效率進(jìn)行估算,可得拉斗鏟單位額定載荷的小時(shí)效率應(yīng)在16m3/t附近,因此BE 8750-65型號(hào)拉斗鏟小時(shí)效率應(yīng)達(dá)到4300m3/h,而根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),黑岱溝拉斗鏟平均小時(shí)效率僅能達(dá)到3900m3/h(該數(shù)據(jù)未計(jì)入刷幫作業(yè)),約達(dá)MIB數(shù)據(jù)庫(kù)平均水平的90%。
綜上所述,黑岱溝應(yīng)用的拉斗鏟在倒堆作業(yè)時(shí)間、小時(shí)效率、倒堆作業(yè)時(shí)間有效利用率三個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)上均低于國(guó)外平均水平,最終導(dǎo)致其年生產(chǎn)能力嚴(yán)重偏低,主要原因一方面是設(shè)備維護(hù)檢修水平落后,另一方面是現(xiàn)行開(kāi)采設(shè)計(jì)方案中,拉斗鏟頻繁走行,需要輔助設(shè)備持續(xù)配合工作,增加了生產(chǎn)組織管理的難度。
3.1.1 國(guó)內(nèi)外應(yīng)用條件對(duì)比分析
對(duì)比國(guó)外拉斗鏟應(yīng)用情況,采用拉斗鏟倒堆工藝的千萬(wàn)噸級(jí)先進(jìn)露天礦山普遍具有“多臺(tái)拉斗鏟、長(zhǎng)工作線(單鏟工作線4km以上)、多個(gè)采區(qū)、多煤層回采面”等特點(diǎn),例如澳大利亞古涅拉、美國(guó)北安特魯浦-羅切斯特、黑雷、羅喬露天礦等(詳見(jiàn)表3)。從大量國(guó)外實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)中可以總結(jié)得到:拉斗鏟作為移動(dòng)緩慢、對(duì)作業(yè)條件苛刻的超大型機(jī)械設(shè)備,更適宜在固定位置長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)作業(yè),因此應(yīng)盡可能為其創(chuàng)造合理的作業(yè)條件和運(yùn)行狀態(tài),確保設(shè)備始終處于“挖—轉(zhuǎn)—排—返”狀態(tài)中,從而最大程度上發(fā)揮拉斗鏟能力大、成本低的優(yōu)勢(shì)。國(guó)外的生產(chǎn)條件可充分保證礦山工程接續(xù)的穩(wěn)定性,拉斗鏟推進(jìn)速度低,單位區(qū)域范圍內(nèi)作業(yè)量大,極其有利于拉斗鏟生產(chǎn)能力的發(fā)揮
表3 世界大型露天煤礦山應(yīng)用拉斗鏟情況[20]
注:總倒堆工作線長(zhǎng)度、拉斗鏟數(shù)量等數(shù)據(jù)部分來(lái)源于google earth衛(wèi)星影像。
然而我國(guó)黑岱溝露天礦的特點(diǎn)是“高推進(jìn)強(qiáng)度(約350~400m/a)、單臺(tái)拉斗鏟、單個(gè)采區(qū)、窄工作線(約2km)”,這種條件下實(shí)現(xiàn)30Mt以上年產(chǎn)量的案例在世界露天開(kāi)采領(lǐng)域內(nèi)也是從未有過(guò)的。拉斗鏟必須保證極高的推進(jìn)速度,無(wú)法在固定位置長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)作業(yè),極其不利于拉斗鏟效率的發(fā)揮,甚至?xí)档偷V山整各綜合開(kāi)采工藝系統(tǒng)的效率與穩(wěn)定性,因此不能照搬歐美常規(guī)設(shè)計(jì)思想對(duì)黑岱溝露天礦山進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
3.1.2 拉斗鏟短工作線作業(yè)方式研究
當(dāng)前國(guó)內(nèi)針對(duì)黑岱溝露天礦拉斗鏟倒堆工藝的優(yōu)化研究工作中,基本全部是在默認(rèn)維持當(dāng)前拉斗鏟全工作線開(kāi)采方案前提下,以工作面參數(shù)優(yōu)化為切入點(diǎn)提升拉斗鏟的效率[21,22],未認(rèn)識(shí)到問(wèn)題的根源,因此優(yōu)化收益普遍不顯著。一般而言,從降低拉斗鏟端幫剝離作業(yè)量、拉斗鏟入溝開(kāi)切口工程量、運(yùn)煤通道工程量所占比例等因素考慮,倒堆工作線長(zhǎng)度越長(zhǎng)越好。但在黑岱溝當(dāng)前高推進(jìn)強(qiáng)度條件下,單臺(tái)拉斗鏟生產(chǎn)能力已經(jīng)嚴(yán)重不足,為維持全工作線倒堆設(shè)計(jì)方案,倒堆系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)的效率低下、成本偏高,拉斗鏟頻繁走行,效率偏低,最終導(dǎo)致拉斗鏟倒堆工藝在生產(chǎn)能力與作業(yè)成本上的優(yōu)勢(shì)大幅度降低。因此,必須對(duì)拉斗鏟短工作線分區(qū)倒堆作業(yè)方案的可行性進(jìn)行探討,如圖3所示。
圖3 倒堆綜合開(kāi)采工藝采場(chǎng)分區(qū)方案
3.1.3 拉斗鏟倒堆作業(yè)方式及倒堆程序優(yōu)化設(shè)計(jì)
根據(jù)拉斗鏟的站立位置及工作面形態(tài),可將拉斗鏟倒堆作業(yè)方式劃分為“站立于工作面、站立于連通排土場(chǎng)的工作面”兩大類,如圖4所示。當(dāng)前黑岱溝露天礦應(yīng)用的作業(yè)方式為拉斗鏟站立于工作面作業(yè)(圖4b),該種作業(yè)方式的缺陷是受限于拉斗鏟站立位置,排土空間不足,當(dāng)拋爆曲線中段較低時(shí),拓展平盤(pán)量及二次倒堆量較高。
拉斗鏟站立于連通排土場(chǎng)的工作面是北安特魯浦-羅切斯特、黑雷、羅喬等大型露天礦山的主要倒堆作業(yè)方式,該種作業(yè)方式排土空間充足,為提高拋擲臺(tái)階高度、提高有效拋擲率創(chuàng)造了必要的條件。根據(jù)澳大利亞實(shí)踐案例顯示,較好的拋擲爆破效果條件下幾乎不需要拓展拉斗鏟站立臺(tái)階[23]。同時(shí),該種作業(yè)方式在排土場(chǎng)一側(cè)留下拉斗鏟走行通道(圖4c),拉斗鏟不需要出溝通道即可實(shí)現(xiàn)采區(qū)調(diào)鏟,極大簡(jiǎn)化了采場(chǎng)的設(shè)計(jì),因此設(shè)計(jì)中應(yīng)重點(diǎn)考慮該種作業(yè)方式,以倒堆系統(tǒng)總成本最小為優(yōu)化目標(biāo),針對(duì)作業(yè)中心線及走行路線設(shè)計(jì)、挖掘-排棄位置、拋爆-倒堆工作面參數(shù)設(shè)計(jì)等問(wèn)題開(kāi)展研究。
圖4 拉斗鏟倒堆作業(yè)方式示意圖
拉斗鏟短工作線單區(qū)倒堆作業(yè)時(shí),還需要針對(duì)拉斗鏟倒堆作業(yè)程序、與拋擲爆破、原煤回采等前后環(huán)節(jié)的接續(xù)方式等問(wèn)題進(jìn)行研究,以成本及系統(tǒng)可靠性為優(yōu)化目標(biāo),確定合理的拉斗鏟開(kāi)采程序。
3.2.1 設(shè)計(jì)與施工管理的信息化
當(dāng)前國(guó)內(nèi)在拉斗鏟施工設(shè)計(jì)時(shí),科研機(jī)構(gòu)研究手段主要停留在平剖面設(shè)計(jì)層次,以相對(duì)理想化的工程條件對(duì)工藝進(jìn)行籠統(tǒng)設(shè)計(jì);現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)部門(mén)參考科研機(jī)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果,以原煤產(chǎn)量為核心目標(biāo)、以采幅為單位對(duì)階段工程量、工程時(shí)間進(jìn)行估算;而實(shí)際施工過(guò)程中主要依靠工人結(jié)合具體工程條件,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)施工。設(shè)計(jì)、管理、施工三個(gè)層面并未實(shí)現(xiàn)緊密結(jié)合,尚未實(shí)現(xiàn)多環(huán)節(jié)協(xié)調(diào)配合任務(wù)的超前規(guī)劃,因此一線管理者的組織協(xié)調(diào)任務(wù)較為艱巨。
相比之下,近三十年來(lái)國(guó)外在露天開(kāi)采裝備智能化領(lǐng)域發(fā)展迅速,基于毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)的數(shù)字地形測(cè)繪與建模[24,25]等先進(jìn)的信息化手段已經(jīng)應(yīng)用到拉斗鏟倒堆作業(yè)中,輔以成熟的工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件[26],實(shí)現(xiàn)了拉斗鏟倒堆工藝設(shè)計(jì)與施工全過(guò)程的的精細(xì)化管控。以美國(guó)及澳大利亞露天礦山廣泛應(yīng)用的MineWare拉斗鏟輔助作業(yè)軟硬件系統(tǒng)為例[27],系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)以下功能:作業(yè)環(huán)境全天候?qū)崟r(shí)建模、基于實(shí)景的開(kāi)采方案設(shè)計(jì)、作業(yè)工況條件與設(shè)計(jì)方案比對(duì)、挖掘-排棄位置自動(dòng)優(yōu)化、三維可視化交互、歷史作業(yè)數(shù)據(jù)分析等等。生產(chǎn)過(guò)程中,設(shè)計(jì)人員首先根據(jù)采場(chǎng)實(shí)景開(kāi)展施工方案的半自動(dòng)化設(shè)計(jì),然后系統(tǒng)將精確到機(jī)位的施工計(jì)劃直接推送至拉斗鏟及輔助設(shè)備的顯示屏,為操作人員提供可視化的作業(yè)智能引導(dǎo),同時(shí)系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集設(shè)備作業(yè)全過(guò)程參數(shù)并對(duì)設(shè)備操作情況給予評(píng)價(jià),實(shí)現(xiàn)操作人員的績(jī)效考核。在設(shè)計(jì)與施工實(shí)現(xiàn)信息化的基礎(chǔ)上,基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、激光傳感器、陀螺儀以及PLC控制等技術(shù)的拉斗鏟自動(dòng)作業(yè)系統(tǒng)也在礦山投入了應(yīng)用[28-31],使得拉斗鏟“挖—轉(zhuǎn)—排—返”每一個(gè)環(huán)節(jié)的機(jī)動(dòng)動(dòng)作的效率都得到了極大的提升,進(jìn)一步提高了拉斗鏟的單機(jī)效率。
3.2.2 設(shè)備維護(hù)檢修的信息化
大型的設(shè)備維護(hù)檢修工作是現(xiàn)代化露天礦山生產(chǎn)中的關(guān)注的重要問(wèn)題之一,當(dāng)前國(guó)內(nèi)露天礦山仍主要延續(xù)前蘇聯(lián)“計(jì)劃預(yù)修”的設(shè)備管理體制,即按預(yù)定的計(jì)劃周期而進(jìn)行的一系列預(yù)防性修理,其最大的缺點(diǎn)是由于注重預(yù)防維修,往往出現(xiàn)設(shè)備劣化程度尚未達(dá)到該修理的程度,出現(xiàn)過(guò)剩維修現(xiàn)象[32],占用設(shè)備作業(yè)時(shí)間。例如黑岱溝露天礦拉斗鏟計(jì)劃內(nèi)檢修時(shí)間高達(dá)1460h/a,是國(guó)外平均水平的5倍多,然而計(jì)劃外檢修時(shí)間(主要為故障時(shí)間)卻仍超過(guò)了1000h/a,是國(guó)外平均水平的1.5倍。該問(wèn)題一方面反映了當(dāng)前檢修技術(shù)及效率偏低,另一方面也反映了對(duì)設(shè)備狀態(tài)掌控、故障預(yù)測(cè)能力不足。
當(dāng)前國(guó)外先進(jìn)礦山已經(jīng)廣泛應(yīng)用以預(yù)知維修理論、決策理論以及可靠性理論為指導(dǎo)的現(xiàn)代化的設(shè)備維修方法,以拉斗鏟海量運(yùn)行參數(shù)為基礎(chǔ),根據(jù)參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控及仿真預(yù)測(cè),動(dòng)態(tài)合理安排維修計(jì)劃,強(qiáng)調(diào)維修的針對(duì)性、時(shí)效性與經(jīng)濟(jì)性。同時(shí),以信息采集技術(shù)、設(shè)備運(yùn)行及維修管理技術(shù)和智能化故障診斷技術(shù)為代表的設(shè)備綜合信息化維修技術(shù)已經(jīng)在國(guó)外拉斗鏟設(shè)備上實(shí)現(xiàn)了成熟的應(yīng)用。例如MineWare公司在澳大利亞布里斯班建立的綜合支持中心(Integrated Support Centre),可全天候遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)全球運(yùn)行的60余臺(tái)拉斗鏟。當(dāng)前投入使用的第4代拉斗鏟監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)集成了結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測(cè),所獲取的大量數(shù)據(jù)用于機(jī)械疲勞及可靠性分析,進(jìn)而作為設(shè)備維檢計(jì)劃的重要依據(jù)。實(shí)踐表明,該套系統(tǒng)可提高拉斗鏟挖掘效率17%、縮短周期及擺動(dòng)時(shí)間12%、縮短裝載時(shí)間5%,降低設(shè)備應(yīng)力9%,提高拉斗鏟生產(chǎn)能力12%以上。
綜上所述,國(guó)外拉斗鏟倒堆工藝所取得的顯著經(jīng)濟(jì)效益很大程度上得益于其先進(jìn)的信息化管理水平。當(dāng)前國(guó)內(nèi)在拉斗鏟倒堆工藝設(shè)計(jì)、施工管理與設(shè)備維護(hù)檢修的信息化水平上與國(guó)外尚有極大的差距,因此上述內(nèi)容也是國(guó)內(nèi)拉斗鏟倒堆工藝乃至整個(gè)露天開(kāi)采工藝的重點(diǎn)研究方向。
研究通過(guò)對(duì)比分析國(guó)內(nèi)外拉斗鏟倒堆工藝應(yīng)用情況,得到以下結(jié)論:
1)當(dāng)前國(guó)內(nèi)拉斗鏟倒堆工藝主要問(wèn)題為:倒堆系統(tǒng)作業(yè)效率低下、成本遠(yuǎn)高于國(guó)外水平;拉斗鏟生產(chǎn)能力嚴(yán)重偏低,僅達(dá)國(guó)外高級(jí)實(shí)踐水平的59.34%,低級(jí)實(shí)踐水平的95%。其主要原因在于:倒堆開(kāi)采工藝設(shè)計(jì)不合理、設(shè)備維護(hù)檢修及生產(chǎn)組織管理水平落后。
2)總結(jié)國(guó)外拉斗鏟應(yīng)用情況,采用拉斗鏟倒堆工藝的千萬(wàn)噸級(jí)先進(jìn)露天煤礦山普遍具有“多臺(tái)拉斗鏟、長(zhǎng)工作線、多采區(qū)、多煤層回采面”等特點(diǎn),“高推進(jìn)強(qiáng)度、單臺(tái)拉斗鏟、單個(gè)采區(qū)、窄工作線”條件下實(shí)現(xiàn)30Mt以上的原煤年產(chǎn)量在世界露天開(kāi)采領(lǐng)域內(nèi)也是從未有過(guò)的,因此國(guó)內(nèi)在拉斗鏟倒堆工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)不能直接照搬國(guó)外應(yīng)用實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。
3)當(dāng)前黑岱溝露天礦拉斗鏟生產(chǎn)能力無(wú)法滿足全工作線倒堆作業(yè)的需求,必須針對(duì)“拋擲爆破—拉斗鏟倒堆”工藝與“松動(dòng)爆破—單斗—卡車”工藝的分區(qū)開(kāi)采方案的可行性進(jìn)行研究,具體研究?jī)?nèi)容包括分區(qū)開(kāi)采方案設(shè)計(jì)、拉斗鏟倒堆作業(yè)方式及倒堆程序優(yōu)化設(shè)計(jì)。
4)國(guó)內(nèi)在拉斗鏟倒堆工藝設(shè)計(jì)、施工管理與設(shè)備維護(hù)檢修的信息化水平上與國(guó)外有著極大的差距,提高設(shè)計(jì)、開(kāi)采過(guò)程的信息化程度將是未來(lái)拉斗鏟倒堆綜合開(kāi)采工藝的重點(diǎn)研究方向。