謝爾拉曼露天煤礦綜合利用研究

謝爾塔露天礦位于內(nèi)蒙古黑龍江省海拉爾區(qū)。陳巴爾湖旗邯鄲西勒勘探區(qū)以東、謝爾塔市。露天礦采掘場地表東西最大長度6.90km,南北寬度2.34~4.24km,地表面積22.28km2。最大開采深度212m;謝爾塔拉露天區(qū)共查明地質(zhì)儲量631.69Mt,其中露天境界內(nèi)可采原煤儲量為394.10Mt,全礦平均剝采比5.09m3/t。謝爾塔拉露天礦區(qū)屬大陸性亞寒帶氣候,經(jīng)常遭受西伯利亞寒流的襲擊。春秋兩季風較多,風力較大,冬季嚴寒,夏季較熱。最高氣溫為37.7℃,最低氣溫為-48℃,年平均-2.6℃。平均積雪日數(shù)149.9d,平均降雪日數(shù)11d。平均結(jié)冰日期172d。季節(jié)性凍結(jié)深度2.41m,永久性凍土厚度2~4m。霜期年平均170.1d。謝爾塔拉勘查區(qū)內(nèi)含煤地層傾角較平緩(傾角2~5°),北、東、南3面翹起,煤層底板平坦,局部略有波狀起伏,總體形態(tài)為一走向N82°W的寬緩的向斜構(gòu)造,本區(qū)構(gòu)造復(fù)雜程度屬簡單構(gòu)造。1全砂開采工藝本次工藝論證主要針對2#煤以上剝離部分,巖石類型屬于軟巖,之上的第四系由褐黃色粘土、砂質(zhì)粘土、砂礫,少量的中砂、細砂、粉砂等組成,較松散。地層傾角較小,總的開采深度不大,具備較好的內(nèi)排條件,適合采用很多類型的開采工藝。初步歸納有以下幾種:(1)輪斗-膠帶工藝。(2)吊斗鏟倒推工藝。(3)懸臂排土機工藝。(4)單斗-卡車工藝。(5)單斗-自移式破碎機-膠帶-排土機工藝。(6)單斗-卡車-可移式破碎機-排土機工藝。1.1本礦的刑罰執(zhí)行和破產(chǎn)輪斗-膠帶工藝具有自動化程度高、生產(chǎn)連續(xù)、效率高、開采強度大、采運排設(shè)備運營費少,生產(chǎn)成本低等優(yōu)點。缺點是工藝環(huán)節(jié)復(fù)雜,設(shè)備較多,設(shè)備單重的購價較高,設(shè)備投資較大。此外,在本地區(qū)受自然氣候影響較大,冬季-20℃以下時,須停產(chǎn),本礦凍結(jié)期較長,平均結(jié)冰日期172d。冬季最低氣溫為攝氏-48℃,預(yù)計全年最低氣溫在-20℃以下的天數(shù)約為100d以上,加上大風、大雪等影響,預(yù)計冬季停產(chǎn)至少在4個月。由于本礦規(guī)模比較小、開采深度小,內(nèi)排條件好,內(nèi)排運距小,與單斗-卡車工藝相比,輪斗-膠帶工藝明顯不占優(yōu)勢。而且,對于本礦1km左右的拉溝長度,>300m的推進強度,也不是很適輪斗-膠帶工藝,因此認為不宜采用。1.2吊斗邏輯倒堆與拋車輛的配合吊斗鏟倒堆工藝具有開采強度大、無運輸環(huán)節(jié)、生產(chǎn)效率高、生產(chǎn)成本低的優(yōu)點,是經(jīng)濟效益最好的開采工藝之一,適應(yīng)于主采煤層以上30~50m范圍內(nèi)的巖石剝離,該工藝在技術(shù)上是可行的。但是,由于本礦工作線長度比較短,底部為1km左右,而且還需要留有運煤通道等,吊斗鏟倒堆的工作線長度還達不到1km。根據(jù)國外經(jīng)驗,如果采用吊斗鏟倒堆工藝,本礦的工作線長度最低要達到2km以上。否則,不但會使基建工程量增加,而且還會導(dǎo)致上部內(nèi)排的卡車運距大大增加。吊斗鏟倒堆工藝需要進行拋擲爆破,需要增加4臺用于拋擲爆破的鉆機,其中3臺用于打斜孔,進行正常的拋擲爆破,另1臺用于打預(yù)裂孔,設(shè)備投資比較大;拋擲爆破的炸藥單耗大,是正常松動爆破的5~6倍,炸藥總消耗量大。采用吊斗鏟倒堆工藝,存在煤的運輸通路問題,由于吊斗鏟倒堆工藝的工作線比較短,運輸通路很難布置,吊斗鏟正常作業(yè),倒堆臺階需要提前進行拋擲爆破,這時原有的運煤道路被堵死,需要在內(nèi)排土場和煤層底板間作1條運煤通道,長度約700m,布置比較困難且影響內(nèi)排。由于該工藝下部留有運煤通道,內(nèi)排空間不能得到充分利用,上部內(nèi)排剝離卡車運距增加,總的生產(chǎn)成本也不會降低多少。因此不推薦該工藝。1.3單斗起重機的作業(yè)規(guī)格懸臂排土機工藝的物料搬運原理基本與吊斗鏟倒堆工藝類似,都是跨越最下部的煤臺階,直接將剝離物運至內(nèi)排土場。一般懸臂排土機都與大型輪斗(或鏈斗)配合,環(huán)節(jié)較簡單。由于本礦冬季寒冷,采用輪斗需要幾個月的停產(chǎn)時間,整個生產(chǎn)計劃無法實現(xiàn)。因此,在本礦條件下,采用懸臂排土機工藝只能與單斗-自移式破碎機相配合。根據(jù)本礦的生產(chǎn)規(guī)模,工作線年推進強度,及已生產(chǎn)的幾種大型單斗挖掘機的作業(yè)規(guī)格分析,最多只能服務(wù)2個14m高的臺階,完成14Mm3的剝離量。系統(tǒng)組合為2臺35m3級的單斗挖掘機,2臺能力為5000m3/h自移式破碎機,1臺下運高度大于15m、能力為5000m3/h的膠帶橋(上部臺階物料下運用),1臺長度大于100m、能力為10000m3/h的水平運輸膠帶橋(用于將2臺破碎機的物料合在一起轉(zhuǎn)給懸臂排土機),1臺懸臂長度大于120m、能力為10000m3/h懸臂排土機。初步估計投資至少在7~8億元人民幣。本工藝系統(tǒng)由于下部2個是14m高的剝離臺階,是35m3級的單斗挖掘機與自移式破碎機配合的臺階,不宜設(shè)置移動坑線;內(nèi)排土場一側(cè)是排土機的倒堆臺階,臺階高度較大,因此下部煤的運輸通道布置難度較大。此外,由于大型排土機的工作坡度很小,一般不超過1:20,而本礦的2#煤頂板不能完全滿足要求,因此,在2#煤頂板上部有時會有部分巖石不能完全被清理,需要單獨由單斗-卡車工藝清理,也會使采煤環(huán)節(jié)變得復(fù)雜。從安全角度考慮,煤車不可以從作業(yè)的懸臂排土機懸臂下面通過,所以整個采煤作業(yè)是跟隨懸臂排土機進行的,煤層很難有機會進行選采。不論從經(jīng)濟角度還是從技術(shù)角度分析,懸臂排土機工藝都沒有什么優(yōu)勢,此工藝系統(tǒng)不宜再進行深入探討。1.4次配裝式大型內(nèi)排運輸簡稱工藝二該工藝采用單斗挖掘機采裝,全部用自卸卡車運輸,初期投資小,設(shè)備洽談訂貨時間短,運輸方便、組裝方便,完全可以國產(chǎn)化。工藝最大優(yōu)點是具有機動靈活、適應(yīng)性強、工作線較短、推進強度大、適合各種復(fù)雜的開采條件等,在本礦情況下,內(nèi)排以后可以通過兩側(cè)端幫實現(xiàn)雙環(huán)運輸,可以將內(nèi)排運距降到最小。最大缺點是卡車燃油費用較大、運輸成本高。該工藝目前是國內(nèi)外露天礦山使用最廣泛、最成熟的開采工藝,是本工藝論證的基礎(chǔ)對比方案。1.5帶貨式露天開采系統(tǒng)該工藝無卡車運輸環(huán)節(jié),物料直接由單斗挖掘機采裝至工作面自移破碎機上,破碎后經(jīng)工作面帶式輸送機、端幫帶式輸送機、排土場帶式輸送機運至內(nèi)排土場由排土機排棄,在本礦情況下屬于單環(huán)運輸。與單斗-卡車工藝相比,用帶式輸送機運輸替代卡車運輸,達到“以電代油”的目的,可大大降低運輸成本,是露天開采工藝發(fā)展的新方向。與單斗-卡車-可移式破碎機-排土機工藝相比,解決了可移式破碎機定期移設(shè)的缺點,使煤的生產(chǎn)可靠性提高。該工藝目前國內(nèi)只有伊敏采煤系統(tǒng)投入1套,剝離系統(tǒng)尚無采用實例。目前該工藝核心設(shè)備自移式破碎機國內(nèi)還沒有制造廠家,整個系統(tǒng)初期投入很大。因此,是否采納該工藝或者在什么開采深度上采納該工藝運需進行深入研究。1.6帶著式單環(huán)運輸該工藝在工作面處仍采用單斗挖掘機采裝,物料全部用自卸卡車運至端幫。端幫處設(shè)置可移式破碎機,物料破碎后用帶式輸送機運輸,運至排土場由排土機排棄,在本礦情況下屬于單環(huán)運輸。與單斗-卡車工藝相比,用帶式輸送機運輸替代部分卡車運輸,減少卡車數(shù)量及燃油消耗,可降低生產(chǎn)成本。與單斗-自移式破碎機-膠帶-排土機工藝相比,避開了自移式破碎機投資過高的缺點。本工藝缺點是投資大,剝離巖石需要破碎以滿足膠帶運輸?shù)囊?致使費用增加,生產(chǎn)環(huán)節(jié)增多、管理復(fù)雜,尤其是半移動破碎站的移設(shè)將會影響正常生產(chǎn)。本工藝系統(tǒng)目前國內(nèi)各露天煤礦煤的運輸系統(tǒng)中已廣泛采用,剝離系統(tǒng)只有霍林河露天煤礦不久前剛采用。本工藝系統(tǒng)在本礦有繼續(xù)深入探討的意義。2單斗-單車-自移式根據(jù)以上對開采工藝的初步分析,選取以下3種開采工藝進行詳細比選:(1)單斗-卡車工藝(簡稱:單斗-卡車);(2)單斗-自移式破碎機-膠帶-排土機工藝(簡稱:單斗-自移式);(3)單斗-卡車-可移式破碎機-排土機工藝(簡稱:單斗-卡車-可移式)。2.1主采剝離臺階的選取自移式半連續(xù)工藝的設(shè)備選型主要受限于單斗挖掘機的已有定型產(chǎn)品,因為其他設(shè)備基本可以隨單斗挖掘機的規(guī)格及生產(chǎn)能力進行專項設(shè)計。目前比較大型的單斗挖掘機大致有2個級別,分別為35m3和60m3級,國內(nèi)有同類的定型產(chǎn)品,最大挖掘高度分別為16.2m和18.1m,實際可服務(wù)的較安全的臺階高度分別為14m和16m,最大不應(yīng)超過15m和17m。歸納本礦的剝離工作線長度及推進強度,按以上2種設(shè)備考慮,單一主采剝離臺階可提供的年剝離量見表1。從表1可以看出,如果僅按主采臺階考慮,采用35m3級挖掘機每年大致可獲得7Mm3的剝離量;而采用60m3級挖掘機每年大致可獲得8Mm3的剝離量。很明顯,7Mm3的剝離量對于35m3級挖掘機來講比較適合,而8Mm3的剝離量對于60m3級的挖掘機則顯得偏小,至少要安排1個10m的下分臺階才可滿足要求。由于本礦總體埋藏深度較小,巖石較軟,且規(guī)模也不是很大,而從簡化開采程序、減少初期投入的角度考慮,選用35m3級挖掘機來講更為有利,因此設(shè)計按35m3級挖掘機考慮自移式半連續(xù)工藝的設(shè)備選型,1臺套自移式半連續(xù)工藝的年生產(chǎn)能力為7Mm3剝離量。為便于比較,以下各開采工藝對比時均以完成7Mm3剝離量為基礎(chǔ),設(shè)備比選時計算臺數(shù)不取整。經(jīng)計算,配合35m3級挖掘機的自移式破碎機能力為5000t/h,或3200m3/h,即按滿足挖掘機最大能力80%考慮。單斗-卡車工藝主要設(shè)備為35m3單斗挖掘機和220t自卸卡車。單斗-卡車-可移式工藝主要設(shè)備為35m3單斗挖掘機、220t自卸卡車和可移式破碎機。2.2全部內(nèi)排時工藝運距由于本礦外排量很小,時間也較短,這里主要分析實現(xiàn)全部內(nèi)排時各工藝的運距與開采深度的關(guān)系。全部內(nèi)排時,本礦降深很小,各工藝運輸設(shè)備從采掘場至內(nèi)排土場基本處于水平運輸狀態(tài),部分巖石會發(fā)生少量升降段運輸。2.2.1單斗-單車-可移式充填運輸組織1)單斗-卡車工藝。由35m3單斗挖掘機采裝,220t自卸卡車運輸,由采掘工作面至內(nèi)排土場為雙環(huán)運輸,即兩側(cè)端幫均設(shè)有運輸通道。排土設(shè)備為520Hp推土機。2)單斗-自移式。由35m3單斗挖掘機采裝,物料經(jīng)自移式破碎機破碎后經(jīng)工作面移動式膠帶機-端幫半固定式膠帶機-排土場移動式膠帶機運至內(nèi)排土場,由排土機排棄,為單環(huán)運輸,即端幫運輸通道在采掘場北側(cè)。3)單斗-卡車-可移式。可移式破碎站設(shè)在采掘場工作幫與北端幫的交界處,工作面剝離物由35m3單斗挖掘機采裝,220t自卸卡車運輸,運至設(shè)置在端幫的可移式破碎站,物料破碎后經(jīng)端幫半固定式膠帶機-排土場移動式膠帶機運至內(nèi)排土場,由排土機排棄,也為單環(huán)運輸,即端幫運輸通道在采掘場北側(cè)。4.2.2各開采工藝運距與本礦的開采深度的關(guān)系本礦總的開采深度較小,一采區(qū)最深大致在120m左右,按單斗-卡車工藝12m段高考慮為10個臺階,端幫及排土場每2個臺階為1組,基本上為5組。即在端幫上有5條運輸通道,對于單斗-卡車工藝來講,一部分剝離量在工作面上會發(fā)生一定的升降段運距。為便于進行不同露煤長度(指2#煤底板)的計算,設(shè)計將運距分為2種。一是與開采深度有關(guān),與露煤長度無關(guān);二是與開采深度無關(guān),與露煤長度有關(guān)。端幫運距與深度有關(guān),由上至下水平運距變小。工作幫運距分為2類,兩端工作線與深度有關(guān),同樣上部水平運距大,下部水平運距小;中間工作線僅與2#煤底板露煤長度有關(guān),即等于露煤長度。2.3不同露煤長度的確定最上部水平各工藝運距都最大,這對卡車運輸來講最為不利。最上部水平按2#煤底板不同露煤長度可列舉很多方案。設(shè)計以1.00km的露煤長度為基礎(chǔ),按步長250m進行不同的露煤長度計算,至3.00km結(jié)束(本礦最長露煤長度不超過3.00km)。各工藝方案投資比較見表2,各工藝方案年成本比較見表3。3工藝投資及成本分析1)由于本礦所在地冬季嚴寒、凍結(jié)時間長,剝離物中泥巖所占比例較大,采用半連續(xù)工藝在破碎、轉(zhuǎn)載及膠帶運輸環(huán)節(jié)上易出現(xiàn)凍粘現(xiàn)象,對生產(chǎn)影響較大。而卡車運輸在這方面適應(yīng)性要好于帶式輸送機運輸。2)本礦規(guī)模不是很大,采用單斗-卡車工藝2#煤底板露煤長度在1~1.3km,年推進強度為250~380m,完全可以滿足要求。但對于半連續(xù)工藝來講,這樣大的推進強度會造成破碎機(站)及膠帶機的頻繁移設(shè),影響生產(chǎn),在冬季移設(shè)工作會更困難。3)單斗-卡車工藝設(shè)備完全可以國產(chǎn)化,配件供給可靠,且設(shè)備互換性好、投入方便,便于生產(chǎn)規(guī)模擴大。而半連續(xù)工藝的采、運、排設(shè)備是成套投入的,設(shè)備訂貨、制造周期長,不如單斗-卡車工藝便利。4)從經(jīng)濟方面分析,2種半連續(xù)工藝投資明顯大于單斗-卡車工藝,雖然生產(chǎn)成本比較小,但從靜態(tài)分析結(jié)果看,在露煤長度1km情況下,生產(chǎn)成本最小的單斗-自移-膠帶工藝至少需要10.4年收回多投入的投資,而另一種半連續(xù)工藝收回投資時間則更長。分