馬婧佳

（中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110015）

吊斗鏟倒堆工藝合理臺(tái)階高度論證

馬婧佳

（中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110015）

通過(guò)分析吊斗鏟倒堆系統(tǒng)的影響因素,最終確定臺(tái)階高度的合理取值將有效提高作業(yè)效率。通過(guò)數(shù)學(xué)分析、技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證、現(xiàn)場(chǎng)佐證等多個(gè)方面分別對(duì)不同臺(tái)階高度進(jìn)行分析，最終確定了合理臺(tái)階高度為45 m，并結(jié)合煤層條件和卡車作業(yè)空間，在生產(chǎn)實(shí)踐中可微調(diào)至47 m。

露天礦；吊斗鏟；臺(tái)階高度；最優(yōu)化

0 引 言

吊斗鏟倒堆工藝是集采、運(yùn)、排為一體的開采工藝，與傳統(tǒng)單斗-卡車工藝相比，節(jié)省了卡車運(yùn)費(fèi)，如何提高吊斗鏟系統(tǒng)作業(yè)效率，需從統(tǒng)籌規(guī)劃全局考慮。黑岱溝露天礦在國(guó)內(nèi)率先引進(jìn)吊斗鏟倒堆工藝已有多年經(jīng)驗(yàn)，但在露天礦采區(qū)工作面轉(zhuǎn)向后，后續(xù)開采煤層變薄造成開采條件變化，進(jìn)而影響了吊斗鏟系統(tǒng)作業(yè)效率，如何節(jié)省與之配套的卡車成本，降低剝離成本，要結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，優(yōu)化工藝參數(shù)，其中吊斗鏟倒堆合理臺(tái)階高度影響多個(gè)參數(shù)變化，優(yōu)化臺(tái)階高度的合理性，將有效提高工藝系統(tǒng)效率，保證高產(chǎn)高效。

1 吊斗鏟倒堆開采工藝現(xiàn)狀概述

1.1 開采條件

黑岱溝主要可采煤層為6#煤層，黑岱溝露天礦已轉(zhuǎn)入二條區(qū)進(jìn)行開采，煤層賦存由緩傾斜變?yōu)榻?，煤層賦存深度略有增大，煤層純煤厚度變薄，平均約為27 m。

礦區(qū)煤層上部巖層厚度60～130 m，平均厚度100 m；巖層上部是黃土層，厚度20～70 m，平均厚度40 m；剝離層總體分布趨勢(shì)是黑岱溝采區(qū)黃土層較厚，巖層較薄。

1.2 吊斗鏟倒堆開采工藝現(xiàn)狀

目前，黑岱溝露天礦6#煤層以上平均厚度45 m的巖層采用吊斗鏟倒堆開采工藝，采用拋擲爆破方法，將約33%的剝離物直接拋擲到采空區(qū)，剩余部分剝離物則由吊斗鏟倒入采空區(qū)，吊斗鏟系統(tǒng)年完成剝離量2 600萬(wàn)m3，吊斗鏟年能力約為1 900萬(wàn)m3，其余部分剝離物由單斗-卡車系統(tǒng)配合完成。

2 臺(tái)階高度對(duì)吊斗鏟倒堆系統(tǒng)能力的影響

2.1 吊斗鏟系統(tǒng)能力的影響因素

吊斗鏟與單斗-卡車系統(tǒng)配合作業(yè)的關(guān)系共同決定了拋擲爆破開采參數(shù)對(duì)吊斗鏟系統(tǒng)生產(chǎn)能力具有重要影響。拋擲臺(tái)階的相關(guān)開采參數(shù)是直接影響拋擲爆破效果的關(guān)鍵因素。其中臺(tái)階高度從2個(gè)方面影響系統(tǒng)能力：①影響了工藝設(shè)備的作業(yè)條件，包括系統(tǒng)內(nèi)單斗-卡車系統(tǒng)的作業(yè)條件，進(jìn)而影響系統(tǒng)能力；②臺(tái)階高度影響到臺(tái)階高寬比，進(jìn)而影響有效拋擲率、二次倒堆量及卡車作業(yè)量等，影響整個(gè)系統(tǒng)的能力。

2.2 吊斗鏟系統(tǒng)能力的確定

在倒堆臺(tái)階平均高度為45 m的前提下，每年的拋擲爆破實(shí)方量為3 762萬(wàn)m3，有效拋擲量為1 241萬(wàn)m3，剩余2 520萬(wàn)m3剝離量由吊斗鏟系統(tǒng)完成。

從吊斗鏟多年運(yùn)行的數(shù)據(jù)來(lái)看，吊斗鏟年生產(chǎn)能力為1 900萬(wàn)m3左右，其余620萬(wàn)m3的剝離量由單斗-卡車系統(tǒng)配合完成。

2.3 煤層厚度變化對(duì)拋擲爆破臺(tái)階高度的影響

黑岱溝一采區(qū)煤層厚度平均為30 m，原拋擲爆破臺(tái)階作業(yè)高度為45 m，總高度75 m。現(xiàn)黑岱溝露天礦轉(zhuǎn)入新一條區(qū)開采后，煤層普遍變薄，走向煤厚變化區(qū)間在26.3～30.0 m，傾向煤層變化區(qū)間20～22.4 m，實(shí)際僅為28 m。

為了充分發(fā)揮吊斗鏟系統(tǒng)生產(chǎn)效率高和成本相對(duì)較低的優(yōu)勢(shì)，吊斗鏟系統(tǒng)中拋擲爆破臺(tái)階總高度75 m可保持不變，煤層變薄后，剝離量變大，相應(yīng)的吊斗鏟倒堆剝離系統(tǒng)能力也應(yīng)隨之增大，在吊斗鏟生產(chǎn)能力已達(dá)相對(duì)穩(wěn)定的條件下，現(xiàn)有單斗-卡車系統(tǒng)作業(yè)能力還有富余空間，通過(guò)臺(tái)階高度的調(diào)整增加卡車作業(yè)能力，進(jìn)而增加整個(gè)吊斗鏟倒堆剝離工藝的能力，從理論及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐應(yīng)用角度分析是可行的。

3 吊斗鏟拋擲爆破臺(tái)階高度優(yōu)化

在確定臺(tái)階高度的變化量與合理變化范圍時(shí)，需要注意以下幾點(diǎn)問(wèn)題:

1）采掘帶寬度與工作線長(zhǎng)度已為確定量，有效拋擲率需要控制拋擲爆破的作業(yè)過(guò)程，在不同臺(tái)階高度時(shí)要充分考慮拋擲率的變化。

2）推土機(jī)的作業(yè)量也影響單斗-卡車系統(tǒng)的完成量，原則上推土機(jī)的工程成本要小于單斗-卡車系統(tǒng)的作業(yè)成本，因此首先要保證推土機(jī)的作業(yè)量盡力飽和，充分用于輔助作業(yè)。

3）盡力充分降段，讓吊斗鏟在相對(duì)低的工作臺(tái)階上實(shí)現(xiàn)倒堆剝離，提高作業(yè)效率。讓單斗-卡車系統(tǒng)與推土機(jī)最大化地進(jìn)行降段作業(yè)。

在保證產(chǎn)量穩(wěn)定的前提下，推進(jìn)度會(huì)隨煤層厚度變化而變化，由于煤層厚度變薄，推進(jìn)度加大，剝離量變大。為提高吊斗鏟倒堆工藝的剝離能力，此時(shí)應(yīng)盡可能先采用推土機(jī)作業(yè)以減少單斗-卡車系統(tǒng)的輔助作業(yè)量，從而加大單斗-卡車系統(tǒng)的有效剝離量，最終整體提高吊斗鏟倒堆工藝的剝離能力。

增加的單斗-卡車系統(tǒng)的年剝離量:

式中：v1為煤層變薄時(shí)（煤厚26～28 m）的推進(jìn)度，取380 m/a；Lp為工作線長(zhǎng)度為 2 200 m；k1為有效拋擲率，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)取33%；k2為單斗-卡車系統(tǒng)二次剝離率，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)取34.9%；Vd為單斗-卡車系統(tǒng)年剝離量；H為臺(tái)階高度；v為黑岱溝露天礦一采區(qū)煤層推進(jìn)度，取360 m/a；△V為增加的單斗-卡車系統(tǒng)的年剝離量。

計(jì)算得出，單斗-卡車系統(tǒng)可以增加的年剝離量為△V=178萬(wàn)m3。推土機(jī)年推土量:

式中：Ht為推土機(jī)的推土深度，m；k為爆堆的松散系數(shù)，取1.3。

吊斗鏟倒堆工藝系統(tǒng)能力中單斗-卡車系統(tǒng)能力的增加，首先應(yīng)該通過(guò)推土機(jī)推土量的增加來(lái)減少單斗-卡車系統(tǒng)車的二次剝離率，因挖掘機(jī)的工作成本往往高于推土機(jī)的作業(yè)成本，因此能讓推土機(jī)完成的工作量盡量不用挖掘機(jī)完成，讓推土機(jī)能力達(dá)到飽和，此時(shí)富余量V余取值為0。

式中：H為煤層變化前，吊斗鏟系統(tǒng)剝離臺(tái)階平均高度，取45 m；v1為煤層變薄后（煤厚26～28 m），推進(jìn)度也發(fā)生變化,取均值380 m/a；△V為增加的單斗-卡車系統(tǒng)的年剝離量，178萬(wàn)m3。上述參數(shù)代入公式后，得出合理的拋擲爆破臺(tái)階高度（Hd）為47.03 m。

在黑岱溝露天礦轉(zhuǎn)入一條區(qū)后煤層變薄，吊斗鏟系統(tǒng)能力通過(guò)調(diào)整單斗-卡車系統(tǒng)工作量可以提高整個(gè)系統(tǒng)能力，相應(yīng)的剝離臺(tái)階高度可以在原有45 m的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)微調(diào)，從而滿足高推進(jìn)度、大剝離量的生產(chǎn)需要。根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，2017—2022年期間，逐年平均拋擲爆破臺(tái)階高度變化情況預(yù)測(cè)結(jié)果見表1。

由表1分析可知，煤層厚度的變化影響推進(jìn)度的變化，進(jìn)而影響單斗-車系統(tǒng)完成的剝離量，相應(yīng)的拋擲爆破臺(tái)階高度發(fā)生變化。

4 從工程實(shí)踐角度論證合理臺(tái)階高度

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際作業(yè)條件，論證合理拋擲爆破臺(tái)階高度。如果考慮增加倒堆臺(tái)階高度，必須利用單斗-車系統(tǒng)完成部分剝離量以提高吊斗鏟系統(tǒng)能力，本次例舉了倒堆臺(tái)階高度為45、50、55 m時(shí)吊斗鏟系統(tǒng)的能力對(duì)比，見表2。

表1 逐年拋擲爆破臺(tái)階高度優(yōu)化預(yù)測(cè)m

表2 不同臺(tái)階高度生產(chǎn)能力計(jì)算結(jié)果

從表2中可以得出，隨倒堆臺(tái)階高度增加，單斗-車系統(tǒng)完成的剝離量相應(yīng)增加，吊斗鏟系統(tǒng)完成的剝離量也相應(yīng)增大。在滿足吊斗鏟年完成剝離量和作業(yè)空間的前提下，單斗-車系統(tǒng)完成的剝離量在空間上能否滿足作業(yè)條件需要進(jìn)一步分析。

根據(jù)斗容90 m3吊斗鏟的作業(yè)參數(shù)，吊斗鏟的作業(yè)半徑為120 m，距離倒堆臺(tái)階坡頂距離為20 m，采掘帶寬度為85 m，爆堆沉降率取33%，對(duì)吊斗鏟分別位于倒堆臺(tái)階高度45 m和50 m方案的作業(yè)參數(shù)進(jìn)行分析比較。

1）方案1：倒堆臺(tái)階高度45 m。倒堆臺(tái)階高度45 m時(shí)吊斗鏟倒堆作業(yè)站立水平距離煤層頂板為16.64 m，1臺(tái)WK-55單斗挖掘機(jī)的最大挖掘高度為18.10 m，能夠滿足距離煤層頂板為16.64 m的倒堆作業(yè)臺(tái)階高度的作業(yè)條件要求。單斗挖掘機(jī)站立在煤層頂板上，將靠近高幫附近的剝離物通過(guò)單斗-車系統(tǒng)運(yùn)往內(nèi)排土場(chǎng)，單斗挖掘機(jī)作業(yè)時(shí)的采掘帶寬度為45 m，能夠滿足單斗-車系統(tǒng)分配的620萬(wàn)m3剝離量。

2）方案2：在倒堆臺(tái)階高度50 m。在倒堆臺(tái)階高度50 m時(shí)，吊斗鏟倒堆作業(yè)站立水平距離煤層頂板為23.04 m，高于單斗挖掘機(jī)的最大挖掘高度，需要分成2個(gè)12 m剝離臺(tái)階進(jìn)行剝離。在保證吊斗鏟作業(yè)空間前提下，無(wú)法在工作線推進(jìn)方向橫向劃分臺(tái)階并布置剝離工作面，只能沿著工作線方向上下分層，并沿工作線方向推進(jìn)，每層配置1臺(tái)單斗挖掘機(jī)進(jìn)行追蹤式開采。在滿足單斗-車系統(tǒng)完成分配的858萬(wàn)m3剝離量時(shí)，采掘?qū)挾葹?9 m，分兩個(gè)臺(tái)階進(jìn)行開采時(shí)，考慮預(yù)留上層運(yùn)輸通路30 m，單斗-車系統(tǒng)下分層作業(yè)空間嚴(yán)重受限，倒堆臺(tái)階高度50 m時(shí)單斗-車系統(tǒng)作業(yè)范圍示意圖如圖1。

圖1 倒堆臺(tái)階高度50 m時(shí)單斗-車系統(tǒng)作業(yè)范圍示意圖

3）方案3：在倒堆臺(tái)階高度55 m。同樣方法計(jì)算倒堆臺(tái)階高度為55 m時(shí)，吊斗鏟倒堆作業(yè)站立水平距離煤層頂板為27.08 m，仍需要分層進(jìn)行剝離，單斗-車系統(tǒng)完成的采掘?qū)挾燃s為45 m，考慮上層運(yùn)輸通路30 m，單斗-車系統(tǒng)的下分層作業(yè)空間嚴(yán)重受限，無(wú)法完成單斗-車系統(tǒng)分配的剝離量。因此，倒堆臺(tái)階高度為55 m方案在技術(shù)上不可行。

將上述3個(gè)方案作經(jīng)濟(jì)對(duì)比分析，主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比結(jié)果見表3。

表3 不同臺(tái)階高度成本對(duì)比

從表3可知，拋擲爆破臺(tái)階高度越高，節(jié)約的剝離費(fèi)用越高，但55 m的臺(tái)階高度方案中，單斗-卡車系統(tǒng)無(wú)法完成工作平臺(tái)的布置技術(shù)上不可行，不予考慮。雖然50 m的臺(tái)階高度方案比45 m的臺(tái)階高度方案可以節(jié)省成本2 926萬(wàn)元，但是現(xiàn)有開采參數(shù)下，技術(shù)上依舊不可行，只有改變現(xiàn)有開采參數(shù)，充分?jǐn)U展卡車的作業(yè)空間，才能實(shí)現(xiàn)50 m臺(tái)階高度的方案。

通過(guò)上述分析得出，在煤層厚度為27～30 m條件下，理想的拋擲爆破臺(tái)階高度為47.03 m。目前在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)中，拋擲爆破臺(tái)階高度為45 m。當(dāng)煤層變薄時(shí)，在滿足技術(shù)改造條件下，通過(guò)微調(diào)提高倒堆臺(tái)階高度,進(jìn)而向50 m臺(tái)階高度過(guò)渡，從技術(shù)及經(jīng)濟(jì)角度分析是可行的。

5 拋擲爆破臺(tái)階高度的技術(shù)改造

在原有拋擲爆破臺(tái)階高度45 m的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)煤層厚度變化，適當(dāng)提高臺(tái)階高度，達(dá)到倒堆臺(tái)階平均高度47 m，上限不超過(guò)50 m。在工程條件滿足技術(shù)改造的前提下，可以局部將拋擲爆破臺(tái)階高度微調(diào)至50 m，能否可以實(shí)現(xiàn)技術(shù)改造的關(guān)鍵是單斗-卡車系統(tǒng)是否有足夠的作業(yè)空間與作業(yè)效率，倒堆臺(tái)階高度50 m時(shí)技術(shù)改造示意圖如圖2。

圖2 倒堆臺(tái)階高度50 m時(shí)技術(shù)改造示意圖

為加寬卡車的作業(yè)空間，可采用如下措施:

1）在滿足作業(yè)效率的前提下，盡力提高擴(kuò)展平盤高度，吊斗鏟擴(kuò)展平盤高度取17.5 m。

2）在拋擲爆破之前先進(jìn)行30 m采寬臺(tái)階的松動(dòng)爆破，加寬了采煤臺(tái)階的平盤寬度，將原有的85 m的采煤臺(tái)階寬度調(diào)整至115 m。

3）原有吊斗鏟的擴(kuò)展平臺(tái)寬度由100 m調(diào)整到155 m。其中，單斗系統(tǒng)作業(yè)底寬65 m，吊斗鏟作業(yè)頂寬80 m，兩側(cè)18 m段高臺(tái)階投影距離共9.6 m，保守取整10 m。

滿足上述條件時(shí)，倒堆臺(tái)階高度可達(dá)到50 m。

綜上，考慮吊斗鏟規(guī)格限制、臺(tái)階穩(wěn)定性與生產(chǎn)穩(wěn)定性，倒堆臺(tái)階高度仍取45 m，采掘帶寬度為85 m，吊斗鏟系統(tǒng)生產(chǎn)能力為2 602萬(wàn)m3，其中單斗-卡車系統(tǒng)完成剝離量為702萬(wàn)m3。

選用的單斗挖掘機(jī)臺(tái)年生產(chǎn)能力應(yīng)該大于702萬(wàn)m3，保證吊斗鏟的作業(yè)效率。因此，選用1臺(tái)WK-55單斗挖掘機(jī)配合吊斗鏟倒堆剝離作業(yè)，WK-55單斗挖掘機(jī)斗容為58 m3，配載重290 t級(jí)自卸卡車，單斗-卡車系統(tǒng)年完成剝離量為702萬(wàn)m3，經(jīng)計(jì)算，290 t級(jí)自卸卡車數(shù)量為4臺(tái)。

6 從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐角度佐證合理臺(tái)階高度方案

提高吊斗鏟系統(tǒng)能力可以通過(guò)調(diào)整單斗-卡車系統(tǒng)作業(yè)量這個(gè)途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中臺(tái)階高度直接決定了單斗-卡車系統(tǒng)的完成量，無(wú)論從理論分析，還是工程作業(yè)空間，提高單斗-卡車系統(tǒng)完成量都具有可能性，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)近年吊斗鏟系統(tǒng)生產(chǎn)能力統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，在2011年之后，單斗-卡車系統(tǒng)年完成輔助剝離量已經(jīng)達(dá)到796.36萬(wàn)m3，佐證了理論分析單斗-卡車系統(tǒng)年完成剝離量702萬(wàn)m3是保守的，是有提升空間的。

7 結(jié) 論

通過(guò)研究煤層逐年厚度變化趨勢(shì),得出倒堆臺(tái)階高度變化的合理范圍，從數(shù)學(xué)模型和工程技術(shù)角度及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐3個(gè)方面得出合理倒堆臺(tái)階高度為45 m。在工程實(shí)踐上，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)煤層厚度變化，可適當(dāng)提高臺(tái)階高度，微調(diào)至臺(tái)階高度47 m。

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【責(zé)任編輯：陳 毓】

Demonstration of rational bench height of dragline overcastting technology

MA Jingjia
(China Coal Technology and Engineering Group Shenyang Design&Research Institute,Shenyang 110015,China)

Through analyzing the influening factors of dragline overcastting system,the article finally determines that the rational value of the bench height can effectively improve the operating efficiency.Through mathematical analysis,technical and economic demonstration,on-site evidence,the article analyzes different values of the bench height and finally confirms the rational value of the bench height is 45 m,which can also be adjusted to 47 m combining with coal seam conditions and truck operating space.

open-pit mine;dragline;bench height;optimization

TD216

B

1671－9816（2017）07－0005－04

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.07.002

馬婧佳.吊斗鏟倒堆工藝合理臺(tái)階高度論證［J］.露天采礦技術(shù)，2017，32（7）：5-8.

2017-02-28

馬婧佳（1983—），女,漢族，遼寧葫蘆島人，工程師，學(xué)士，2006年畢業(yè)于遼寧工程技術(shù)大學(xué)礦物資源工程專業(yè)，現(xiàn)為中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)設(shè)計(jì)研究院有限公司項(xiàng)目總設(shè)計(jì)師，主要從事采礦工程設(shè)計(jì)與科研工作。