徐云富 關曉鋒 王朝輝 盧敬標 張 春 盧和勇 尹芝足

(1.首鋼集團有限公司礦業(yè)公司水廠鐵礦；2.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司)

汽車—破碎站—膠帶半連續(xù)工藝是上世紀六七十年代發(fā)展起來高效生產(chǎn)工藝，既可發(fā)揮汽車運輸?shù)臋C動靈活、適應性強、短途運輸經(jīng)濟、強化開采的長處，又可發(fā)揮帶式輸送機運輸能力大、爬坡性能強、運營費低的優(yōu)勢。某礦在建礦初期的山坡露天開采中，采用鐵路電機車直裝、公路汽車直排的開拓運輸系統(tǒng)。80年代以后采取汽車轉運、電機車料臺倒裝的鐵路—公路聯(lián)合運輸方式。1990年以后，礦山已逐步由山坡露天開采轉入深部凹陷開采，隨著開采深度的不斷增加，運輸距離加大，提升高度增加，運輸效率降低，導致運輸成本急劇上升，經(jīng)濟效益下降。開拓運輸系統(tǒng)逐步采用汽車—破碎站—膠帶運輸機半連續(xù)開采工藝。2006年東部膠帶排土系統(tǒng)及礦石破碎站建成投產(chǎn)，形成了“一體兩翼”的現(xiàn)代化露天礦山格局。隨著采礦生產(chǎn)的進行，需要進行半移動式破碎站搬遷模塊化設計、膠帶在線干選工藝研究、排土機升段工藝研究等系列課題攻關，確保半連續(xù)工藝系統(tǒng)高效運行[1-2]。

1 工程概況

某礦現(xiàn)設計采剝總量為4 800萬t/a，采出礦石1 100萬t/a，平均剝采比為2.27 t/t，設計最高開采水平為+310 m，最低水平為-350 m，是亞洲特大型露天鐵礦之一。自建成投產(chǎn)至今，采場內(nèi)累計采出礦石3.7億t，累計剝離巖石16億t，累計完成采剝總量19.48億t，采場最低作業(yè)水平由建礦初期+310 m 下降至-215 m，采場封閉圈標高為+104 m，已發(fā)展成為深凹露天礦山。采場內(nèi)的臺階高度分別為12和15 m，臺階坡面角工作時為75°，終了時為65°，虛方最終臺階坡面角為38°。最小工作平臺寬度大于45 m，電鏟最小工作線長度400 m。采場局部采用組合臺階式陡幫開采。4個臺階為一組，每組中有1個工作臺階和3個臨時非工作臺階，工作臺階平臺寬50～70 m，臨時非工作臺階平臺寬20 m左右，組合臺階的工作幫坡角為20°～25°,每組臺階的一次推進寬度為50～70 m。礦山采用φ250 mm、φ310 mm牙輪鉆機穿孔，銨油炸藥和乳化炸藥爆破，10 m3電鏟裝車，采場內(nèi)主要采用150 t礦車折返-螺旋運輸。礦巖經(jīng)破碎機破碎后，經(jīng)膠帶機分別運至選礦廠或排土場，為汽車—破碎站—膠帶半連續(xù)開采工藝。

礦區(qū)處于構造剝蝕類型的中低山地區(qū)，高程為170～332.9 m，北、西高，南、東低。地處燕山沉降帶中山海關臺凸與薊縣洼陷的過渡地帶，屬于山海關臺凸中的古遷安隆起的西緣向西突出的弧形構造帶。礦床受“兩向一背”呈“W”型的復式向斜控制，鐵礦體即產(chǎn)于兩向斜之中，復向斜由北山向斜、南山向斜和舊背斜組成。礦床為大型火山沉積變質巖型磁鐵礦床，主要由北山(含達峪溝礦體)、南山礦體組成，分別由上、下2個主礦層構成向斜褶皺構造，致使向斜核部礦層變厚，礦化相對富集，礦體產(chǎn)狀適合于露天開采。礦體的圍巖主要為太古界變質巖系，以黑云斜長片麻巖、紫蘇黑云斜長片麻巖、角閃斜長片麻巖為主。礦床范圍內(nèi)斷裂構造發(fā)育，有些斷層破壞了礦體在走向和傾向上的連續(xù)性，有些斷裂破碎帶較寬，對局部邊坡的穩(wěn)定有一定影響。

2 半連續(xù)工藝系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)組成及設備情況

汽車運輸采用130 t和150 t大型電動輪汽車。從上、下盤各布置一條運輸公路，下盤的運輸公路從西排車間220 m水平布置至34 m水平；上盤的運輸公路從總出入溝104 m水平布置至露天底-350 m水平。

破碎站是由德國蒂森克虜伯采礦物料搬運技術有限公司制造，設計能力為4 500 t/h，總質量為1 171.5 t。破碎站采用模塊化設計，結構復雜，共分4層平臺。

皮帶輸送系統(tǒng)由多個驅動站加多條輸送皮帶組成，其中，東排巖石皮帶輸送系統(tǒng)由D0～D7 8個轉載站和8條皮帶組成，全長約3 500 m；西排巖石皮帶輸送系統(tǒng)由1#～4#4個轉載站和4條皮帶組成，全長約2 100 m；礦石皮帶輸送系統(tǒng)由K0～K3 4個轉載站和4條皮帶組成，全長1 800 m。

排土機由奧鋼聯(lián)采礦物料搬運技術有限公司設計，大連重工安裝，型號為VASP1400/50+50VATR1600，其中，主體件由奧鋼聯(lián)提供，輔助件由大連重工提供。該排土機可移動連續(xù)排土，自動化控制水平先進。設備總長142.35 m，寬15 m，高25.19 m，總質量達700 t。

2.2 影響半連續(xù)工藝系統(tǒng)難題

隨著采礦設備不斷大型化，某礦開展系列課題攻關研究解決影響系統(tǒng)高效運行的難題。

(1)隨著采場開采空間的發(fā)展，開采深度的增加，需要對半移動式破碎站進行適時下移搬遷。需要解決的下移搬遷難題主要有確定破碎站下移的周期和位置，使得采礦效益最優(yōu)；確定破碎站下移參數(shù)，確保破碎站基坑穩(wěn)定；組織搬遷結構復雜的半移動式破碎站，確保工期最短等。

(2)大型露天礦山采用大型采裝設備開采，排棄的廢石中不可避免地混有少量礦石資源。為有效避免資源的浪費，可研制一種在線礦石干選機，作為膠帶運輸系統(tǒng)工藝技術設備的一部分，有效降低排棄到排土場中的礦石資源。

(3)針對排土機排土工藝，可研制一種排土機整體開車升段新工藝，確保整體開車升段工作安全、高效進行。

3 半連續(xù)工藝關鍵技術

3.1 半移動式破碎站移設

3.1.1 半移動式破碎站合理的移動步距確定

破碎站下移的目的有2個：一是汽車—破碎站—膠帶半連續(xù)系統(tǒng)的綜合成本隨著開采水平的下降而不增加；二是保證采場按設計歸位，破碎站下移增加采礦空間。研究半移動式破碎站合理移動步距的主要內(nèi)容為圍繞采礦綜合效益最大化原則，采場破碎站下移時間和破碎站下移的合理水平、下移后膠帶系統(tǒng)皮帶路基和破碎站安裝空間的準備周期。

3.1.1.1 按照開采重心確定

按照汽車—破碎站—膠帶半連續(xù)工藝系統(tǒng)的綜合成本隨著開采水平的下降而不增加的原則，確定半連續(xù)膠帶運輸成本模型。

汽車的單位運輸成本的決定因素是運距和提升高度，半連續(xù)系統(tǒng)中礦車單位運輸成本的經(jīng)濟合理值上限值[3]是由礦車到下移破碎站合理運輸距離的上限值決定的，由此原理可歸納出開采重心和綜合運輸距離的數(shù)學關系。

半連續(xù)皮帶運輸成本模型為

C=Cq+Cps+Cpd，

(1)

式中，C為半連續(xù)運輸系統(tǒng)的綜合單位成本，元/t；Cq為汽車單位運輸成本，元/t；Cps為破碎單位成本，元/t；Cpd為膠帶運輸單位成本(包括膠帶運輸和排土)，元/t。

開采重心H和綜合運輸距離Y的關系模型為

(2)

由以上關系確定出下移后的開采重心，即可確定出破碎站的下移水平。 在已知礦山道路坡度、運距增加值與年下降速度之間的關系，礦山年開采規(guī)模、生產(chǎn)剝采比和年剝巖量之間關系，進而推出汽車綜合運費與礦車運輸年增加運費的條件下，當汽車運距增加費用年累計值與破碎站下移工程費用相持平時，破碎站就需要下移。

以上半移動式破碎站下移水平確定的主要依據(jù)是排土成本最低。當下移水平高于巖石開采重心時，汽車運距和提升高度增加，經(jīng)濟上不合理；當下移水平低于開采重心時，汽車運輸增加，礦車提升高度降低，但汽車巖石下送和皮帶上送造成無用功增加。所以破碎站翻卸平臺以靠近巖石開采重心為宜。

3.1.1.2 按照下移周期確定

破碎系統(tǒng)綜合成本和礦車運輸成本均隨開采水平下降不斷增加。按照下移周期確定移動步距的基本依據(jù)是當?shù)V車運距年累計增加費(C2)與破碎站下移工程費用(C0)相持平時，破碎站就需要下移。

汽車運距的增加主要與年下降速度有關，假設礦山道路坡度為S，運距增加值L與年下降速度N之間的關系為

L=N/S.

(3)

假設礦山年開采規(guī)模為Z，生產(chǎn)剝采比為A，則年剝巖量Y為

Y=AZ/(A+1) .

(4)

假設汽車噸公里綜合運費為G，則汽車剝巖每年增加運費C1為

C1=GLAZ/(A+1) .

(5)

破碎站下移周期設為T，根據(jù)下移周期確定因素，當汽車在Ta內(nèi)增加運費C2與破碎站下移工程費用C0相等時，可考慮進行破碎站下移,則巖石破碎站下移周期為

T=C0/[GLAZ/(A+1)] .

(6)

3.1.2 下移設計及優(yōu)化

(1)根據(jù)移動步距模型確定的下移位置進行多方案設計對比，最終確定半移動式破碎站下移采礦設計方案。

(2)臺階斜坡路按照25 m寬、8%的坡度進行設計,下移膠帶路由坡度為25%。

(3)破碎站基坑坡面角由原設計的65°修改為70°，下口北、南兩幫坡底均往外擴0.5 m，上口北、南兩幫坡頂均往內(nèi)回縮1 m，基坑上口寬度由原設計的28.8 m變?yōu)?6.8 m；下口寬度由原設計的13 m 變?yōu)?4 m，充分考慮到破碎基坑所需空間的前提下，上口兩側預留1 m平臺，防止邊幫局部發(fā)生破壞造成上口寬度超過原設計的28.8 m；下口預留1 m，防止預裂爆破出現(xiàn)根底及必要時進行人工加固預留空間。見圖1。

圖1 半移動式破碎站基坑優(yōu)化剖面

(4)嚴格執(zhí)行下移采礦設計，超前做好空間讓位準備。在工程施工中，采取爆破截斷水源，事先在條件類似部位進行爆破試驗，采取基坑、膠帶基道一次成型控制爆破等措施，確保施工質量和進度。

3.1.3 破碎站模塊化搬遷工藝模型

(1)超前做好道路、場地準備。根據(jù)施工計劃對場地進行合理規(guī)劃，繪制定置管理圖,見圖2。

圖2 破碎站搬遷定置管理

(2)合理確定破碎站主要模塊的吊裝方案。針對破碎站主要模塊的參數(shù)，對350 t吊車在各種情況下如何站位進行計算，繪制了11種主要情況下的350 t吊車吊裝質量關系圖。吊裝現(xiàn)場見圖3。

圖3 350 t吊車吊裝現(xiàn)場

(3)建立破碎站三維模型，利用計算機預演裝配過程和方案，對方案存在的細節(jié)性問題及時發(fā)現(xiàn)并整改。在此基礎上，結合自身擁有的大型350 t、120 t吊車及150 t拖車等專業(yè)工具，參照東排系統(tǒng)破碎各個主要模塊的基本尺寸和質量，詳細制定了破碎站施工網(wǎng)絡圖，精確到小時，見圖4。

(4)超前制作設備拆裝運過程中需要一些特制的工具，如液壓缸防護支架、防護吊籃、楔鐵、銷子、吊耳等。破碎站基礎部件安裝采用測量定位，確保安裝精度。

(5)利用計算機技術繪制破碎站Concept下位控制程序設計及流程圖，開展技術培訓，組織現(xiàn)場模擬施工，制訂現(xiàn)場施工計劃，確保自控系統(tǒng)安裝和機械電器等安裝同步，為36 h內(nèi)完成調(diào)試任務創(chuàng)造條件。

圖4 半移動式破碎站搬遷施工網(wǎng)絡

3.2 在線礦石干選機研制

礦山礦石性質為鞍山式磁鐵礦，磁性率為42%左右，為強磁性鐵礦物。在日常采礦生產(chǎn)中，巖石采用大型機械剝離，剝離的巖石中不可避免地會含有少量有用礦塊。年均采出礦石1 000萬t，按6%的損失率計算，年流失到排土場中的礦石約60萬t。

礦山排土膠帶運輸巖石尺寸小于350 mm，以200 mm巖塊居多，皮帶機帶寬1 600 mm，鋼芯皮帶厚約35 mm，帶速為2.8 m/s，通過量達4 800 t/h。排土再選工藝技術設計必須克服以下難點：一是小時排土量過大，礦塊重疊；二是帶速快，礦物排離皮帶的離心力以帶速的二次冪遞增，當帶速達到2.8 m/s時，磁力克服不了離心力；三是排土的鋼芯繩皮帶會產(chǎn)生磁屏蔽；四是排土皮帶過厚，皮帶會減弱磁力，影響回收效果。

針對以上問題，采取以下措施：一是采用無鋼芯薄皮帶，并根據(jù)實際回收效果調(diào)整其厚度；二是增寬皮帶機工作面，并采用平輥；三是適當減小帶速，按照試驗結果，帶速控制在2 m/s可以有效回收325 mm 礦塊；四是設計均勻布料裝置；五是設計高強度高磁力干式磁選機。經(jīng)過多年研究和實踐，2006年11月研制成功第一代膠帶干機，在西排系統(tǒng)投入運行。經(jīng)過初步完善后，2007年9月由2#轉運輸站搬遷到1#轉運站部位，同時推廣到東排系統(tǒng)D0部位。2008年3月對西排干選機進行改造，降低了干選機膠帶料層厚度。2009年1月份對東排系統(tǒng)DH膠帶上部加裝撿鐵器進行技術改造，研究第二代干選機。經(jīng)過對比，加寬回收皮帶的措施優(yōu)于加裝撿鐵器的措施。2009年底，西排第三代干選機研制成功，于2011年申請了專利并推廣到東排系統(tǒng)，見圖5。

圖5 膠帶排土在線礦石干選機

膠帶排土在線礦石干選機包括機械本體、自動控制部分、集中控制部分。機械本體包括膠帶、膠帶卸料滾筒、機尾漏斗、水平托輥、斜托輥、磁滾筒、分料器、儲料倉等。干選機自動控制部分包括保護系統(tǒng)及控制系統(tǒng)，由安裝在集中控制室計算機通過PLC控制系統(tǒng)與排土系統(tǒng)合為一體，實現(xiàn)集中控制、集中操作。

3.3 排土機升段工藝優(yōu)化設計

研制一套排土機整體升段方法[4]，即采用整體開車的方式，安全高效地提升一個排土階段高度。通過進行開車試驗，確定整體開車升段可行性，提前制定卸料車行走鐵路施工方案、排土機行走道路施工方案、排土機升段施工方案等。

(1)通過試驗，排土機的最大爬坡能力在9.1%左右，升段工程坡道設計8%的坡度能夠滿足開車需要。

(2)行走鐵路寬度根據(jù)卸料車行走輪的距離確定，行走鐵路長度及坡度由行走道路施工情況決定，鐵路彎道曲線半徑設計要求在坡道上的彎道半徑小于坡道起坡的彎道半徑，兩輕枕間距不得大于1 000 mm；鐵路鋼軌的軌距最大允許誤差為±10 mm，最大變化量不超過5 mm/m；鐵路橫向傾角不大于1∶40，軌道輕枕端面距邊坡不小于2 m。

(3)排土機行走道路設計全長為原排土機位置到新排土機位置的實際距離；排土機行走道路寬度為行走鐵路寬度、排土機兩履帶板最大寬度及安全距離三者總和；斜坡段坡度不超過8%，道路兩邊土擋高度不低于行走履帶板驅動輪半徑，排土機軌板距邊坡邊緣要求不小于6 m。

(4)在確定排土機行走道路施工方案以及卸料車行走鐵路施工方案后，排土機停機開車安排4 d。第一天和第二天，在設備停機后，將移置機鐵路斷開，與提前鋪設的行走鐵路連接；第三天，排土機開車，行駛到坡道的起坡處；第四天，排土機坡道開車至移置機鐵路。開車實施整體升段前，要做好設備檢查等準備工作。排土機整體升段工程設計見圖6。

圖6 排土機整體升段工程設計

4 應用情況及效果分析

2009—2018年共計實施4次破碎站搬遷工程，其中，2009年東排破碎站由-20 m水平搬遷至-50 m，計劃工期43 d，實際工期30 d；2011年礦石破碎站由-20 m搬遷至-63 m，計劃工期28 d，實際工期18 d，創(chuàng)國內(nèi)此類工程的記錄；2016年東排系統(tǒng)由-50 m搬遷至-93 m，計劃工期22 d，實際工期21 d；2018年礦石破碎站由-63 m水平搬遷至-125 m，實際施工21 d。經(jīng)過歷次實踐經(jīng)驗總結，某礦半移動式破碎站搬遷工程已趨于成熟，施工過程組織穩(wěn)定，通過開展實施破碎站搬遷工程，每次減少礦巖綜合運距0.42～0.55 km，年均減少運輸成本為800余萬元。同時破碎站基坑為控制爆破設計節(jié)省工程費用1 000萬元。

自2006年干選回收系統(tǒng)投入后，到2010年完善并申請發(fā)明專利，回收效果趨于良好，每年回收折合24%品位礦石約50萬t，至2017年底共回收礦石550余萬t，避免礦石資源流失。

2011年組織開展西排系統(tǒng)排土機升段工程，排土機從220 m水平整體升到265 m水平[5]。2014年7月借鑒排土機升段工程經(jīng)驗，組織實施了河東排土場排土機195 m水平由區(qū)域一轉場至區(qū)域二工程。2016年6月份組織開展河西排土場排土機265 m 水平轉場工程。

通過上述工程開展與實施，積累大量實踐經(jīng)驗，實現(xiàn)半連續(xù)工藝持續(xù)穩(wěn)定運行。

5 結 語

(1)通過開展半連續(xù)工藝關鍵技術的研究，確定了半移動式破碎站合理的移動步距，形成半移動式破碎站模塊化移設工藝，優(yōu)化半移動式破碎站移設，實現(xiàn)采礦效益最優(yōu)、搬遷施工停機時間最短、破碎站基坑安全穩(wěn)定等，結合2009—2018年4次搬遷實踐經(jīng)驗，編制完善形成《半移動式破碎站移設工程手冊》，為后期類似工程提供經(jīng)驗借鑒。

(2)通過對礦山礦石性質、磁性率、膠帶運行工藝參數(shù)、物料運行堆疊情況等進行研究，提出針對性措施，成功研制了膠帶排土系統(tǒng)在線礦石干選機，避免礦石資源流失，結合運行情況對干選機進行升級改造，成功推廣應用于東西排2條膠帶運輸系統(tǒng)，并獲得國家發(fā)明專利。

(3)通過開展試驗研究，確定排土機爬坡能力，結合排土機配套設備技術參數(shù)，確定卸料車行走鐵路及排土機行走道路施工方案，采取排土機與卸料車整體開車升段，極大地縮短了排土機升段工期，避免礦車直排造成成本浪費，實現(xiàn)膠帶系統(tǒng)穩(wěn)定經(jīng)濟運行。同時結合升段及轉場經(jīng)驗編制了《排土機升段工程手冊》，為類似工程積累了經(jīng)驗和成果。