賀茂坤, 張 偉, 徐利輝

(1.中國恩菲工程技術有限公司， 北京 100038； 2.江銅集團銀山礦業(yè)有限責任公司， 江西 上饒 334200)

1 前言

露天礦山是一個以采掘為中心，以運輸為紐帶的大型生產(chǎn)系統(tǒng)。根據(jù)我國冶金露天礦的調(diào)查，露天礦山排土運輸成本約占礦山總成本的40%，且廢石排土場具有占用土地多，體積大，對地表破壞性大的特點[1]。

根據(jù)大量的露天礦開拓運輸系統(tǒng)的生產(chǎn)運營經(jīng)驗，國外大多數(shù)金屬露天礦的汽車運輸距離為1.0～5.5km，平均為2.5～3.0km，經(jīng)濟合理運距一般為5～7km。超過經(jīng)濟合理運距以后卡車的油耗、磨損、作業(yè)循環(huán)時間增加，當汽車運輸距離增加至到一定程度，采用單一汽車運輸方案已不經(jīng)濟，需對運輸工藝進行改造，達到降低運輸費用的目的。發(fā)展膠帶—排土機排土工藝，不僅可提高露天礦山的排土效率，節(jié)省排土費用，提高礦山的綜合經(jīng)濟效益，而且可使露天礦上排土向高空發(fā)展，節(jié)約礦山排土占地。

2 露天礦排土技術應用及發(fā)展

2.1 排土工藝

隨著露天礦的不斷發(fā)展，為了解決不同規(guī)模、不同采掘條件下的露天礦山開采及廢石排棄問題，礦山技術人員針對不同的排土工況條件、排土工藝將廢石運輸、排棄方式以及使用設備的不同分為以下3類。

1)汽車運輸—推土機排土

利用汽車將廢石直接運輸?shù)脚磐翀鲞M行排棄，并由推土機推排殘留廢石及整理排卸平臺。具有工藝簡單、靈活的優(yōu)點，一般適用于中小規(guī)模，運距不大的露天礦。

2)機車運輸—推土犁(挖掘機)排土

利用機車將廢石運輸?shù)脚磐翀?，并利用排土設備進行排棄，一般適用于山坡露天等特殊地形條件的露天礦山。

3)帶式輸送機運輸—排土機排土

利用帶式輸送機將露天采場內(nèi)破碎后的廢石經(jīng)露天坑運到排土場進行排棄。帶式輸送機是一種連續(xù)運輸物料的傳送機械，具有運輸量大，運輸成本低，自動化程度高，安全條件好等一系列優(yōu)點。帶式輸送機屬于連續(xù)運輸設備，通常與排土機配合使用，從而形成高效的帶式輸送機—排土機排土工藝。

2.2 聯(lián)合排土工藝應用

汽車和帶式輸送機、排土機組合成的聯(lián)合排土工藝，具有運輸量大、成本低的優(yōu)點，也兼具了汽車靈活運輸?shù)膬?yōu)點，因此，近年來聯(lián)合排土工藝得到了快速發(fā)展，特別是在大規(guī)模、深凹露天礦得到了廣泛應用。

某露天礦山二期生產(chǎn)，年最大廢石運輸量為1 035萬t/a,運距3.5～10km,為了研究現(xiàn)行全汽車的運輸方式是否合理，將全汽車運輸方式和聯(lián)合運輸方式進行了經(jīng)濟比較，比較結果見表1。

表1 排土方案綜合經(jīng)濟比較表

根據(jù)經(jīng)濟比較結果，全汽車運輸方案雖然初期投資較少，但后期汽車更新的費用較高，隨著運輸距離增加，年運營費用逐年增加，導致單位廢石運輸成本逐年增加，正常年份年均廢石運輸成本較高，計算期內(nèi)費用現(xiàn)值和較高。采用聯(lián)合運輸方案雖然初期投資較高，但單位廢石運輸成本較低，計算期內(nèi)費用現(xiàn)值和明顯低于全汽車方案。綜合其技術經(jīng)濟優(yōu)勢，該礦的排土運輸方式推薦采用汽車—帶式輸送機—排土機聯(lián)合排土工藝。

2.3 排土技術發(fā)展

隨著我國礦山事業(yè)的發(fā)展和采礦技術的進步，露天礦排土技術與排土場的發(fā)展趨勢表現(xiàn)在以下3個方面。

(1)采用高效率的排土工藝，提高排土強度。

排土運輸工藝與采礦場的運輸系統(tǒng)密切聯(lián)系，大型露天礦大多采用大型高效率運輸機械，實行科學化管理，排土運輸系統(tǒng)向設備大型化和自動化方向發(fā)展。這不僅有利于大型露天礦或深凹露天礦，而且有利于高階段排土場的堆置。

(2)提高排土場單位面積的排土容量，減少排土場占地面積。

根據(jù)我國露天礦排土場技術調(diào)查資料，一般汽車排土段高一般為40～60m，小的20m左右。較小的排棄段高不經(jīng)濟，也不利于高效利用排土場容量。通過排土場穩(wěn)定性分析和安全驗算，在加強排土場現(xiàn)場管理的基礎上，可以適當提高排土段高。

(3)推進礦山排土場復墾，建設綠色礦山。

隨著綠色發(fā)展理念的深入，排土場的復墾是建設綠色礦山、生態(tài)化礦山的基礎。

3 聯(lián)合排土技術

3.1 聯(lián)合排土研究內(nèi)容

為了研究排土方案的優(yōu)劣，對可能的聯(lián)合排土方案進行技術經(jīng)濟比較研究，排土方案研究主要有以下內(nèi)容：

(1)根據(jù)各臺階廢石分布情況采用加權平均法統(tǒng)計各年廢石的運輸距離、廢石直接排到排土場的距離，分析可能的排土方案。

(2)根據(jù)排土工作平臺研究配套排土方法。

(3)分析各年運輸系統(tǒng)的運營費用，包括設備更新、材料消耗、能源消耗等。

(4)確定聯(lián)合排土運輸系統(tǒng)合理投入時間。

(5)各方案技術經(jīng)濟評價，推薦最終排土方案。

3.2 排土工作平臺

合理的排土平臺規(guī)劃既要考慮礦山的生產(chǎn)現(xiàn)狀，也要滿足后續(xù)聯(lián)合排土工藝要求，同時要兼顧節(jié)省成本，最大化利用現(xiàn)有條件和后續(xù)的聯(lián)合排土設備。

圖1至圖3所示為某礦各標高臺階平面圖，120m和160m臺階由于標高低，平臺面積較小，且受地形影響，平臺形狀不規(guī)整，不利于排土機作業(yè)，而220m平臺已具備排土機作業(yè)的條件。因此，建議120m和160m低標高平臺采用汽車運輸排土，發(fā)揮汽車排土的靈活性，從220m臺階開始采用排土機排土。為了最大化節(jié)省運輸成本，考慮聯(lián)合排土項目決策、設計、建設等周期因素，要合理利用銜接時間的汽車排土量，為后期排土機作業(yè)創(chuàng)造有利條件，同時盡量減少這段時間的汽車排土成本。從標高來看，在120m和160m標高排土是可以有效減少汽車運輸能耗的。

圖1 120m標高排土臺階平面圖

圖2 160m標高排土臺階平面圖

圖3 220m標高排土臺階平面圖

3.3 排土方法

帶式輸送機—排土機排土作業(yè)方式是聯(lián)合排土工藝研究的重點，工藝方案和設備的選擇是否合理，不但決定了排土費用的高低，而且也影響排土效率及生產(chǎn)安全。

根據(jù)排土移動帶式輸送機、排土機在排土場內(nèi)推進的形式，和最后排土場形成的幾何形狀，帶式輸送機—排土機聯(lián)合排土方法可分為矩形排土方法、扇形排土方法、混合形排土方法(即矩形+扇形、扇形+矩形排土方法)[2]。不同的排土場的地形、地質、排土場結構尺寸對排土工藝方案都會影響最后的排法方法選擇。

3.4 排土機的布置原則

排土機在預定的場所將剝離物排放到最終位置，在寬度和高度方面要服從于排土機的幾何尺寸，特別是要服從于它的卸料臂長度和排土場的力學條件。沿著排土工作面的運輸機縱向排棄長度受到排土場總長度的控制[3]，排土機主要布置原則：

(1)合理選擇排土機投入使用的時間，前期汽車排土盡量為排土機創(chuàng)造有利條件，盡量增加排土機排土量，發(fā)揮排土機的優(yōu)勢，使效益最大化。

(2)排土機投入使用時間需要考慮項目研究、設計、建設及試運行等時間。

(3)排土機初始平臺利用現(xiàn)狀排土場已形成的平臺，便于排土機布設，減少前期成本，節(jié)省工期。

(4)結合排土場整體堆置標高范圍，合理規(guī)劃各階段排土機排土段高，兼顧安全。

高段排土需要對排土場穩(wěn)定性進行驗算。排土場邊坡為土質和巖質散體邊坡，驗算通常采用國內(nèi)巖土工程界廣泛應用的專業(yè)邊坡問題分析軟件對巖土邊坡穩(wěn)定性進行計算和分析。

3.5 排土機應用及發(fā)展

在露天礦連續(xù)排土工藝中，一般采用排土機和帶式輸送機配合使用，排土機生產(chǎn)能力特別大，自動化程度高，作為移動式連續(xù)作業(yè)的排料設備，把移動帶式輸送機運輸?shù)奈锪吓艞壍脚磐翀觥Ｅ磐翙C的受料臂安裝一條受料帶式輸送機，卸料臂上安裝一條卸料帶式輸送機。目前排土機的排料臂最大長度達190～250m，用于金屬礦山時一般不超過100m，最大機重達7 400t，生產(chǎn)能力達22 400t/h[4]。

隨著聯(lián)合排土工藝在露天礦的廣泛應用，各類大型化、復雜化、留有遠程控制接口的排土機開始應用。通過對行走系統(tǒng)、排料系統(tǒng)等運行狀態(tài)的遠程監(jiān)控、遠程操控，最終實現(xiàn)作業(yè)現(xiàn)場的無人化智能管理。

3.6 初始排土路堤

隨著排土機的生產(chǎn)能力、行走方式、外形尺寸等方面不斷的發(fā)展和排土機性能的變化，均對其排土時初始路堤的修筑方法和步驟等都提出了要求。

修筑排土機的初始路堤可以采用汽車修筑，也可以采用聯(lián)合帶式輸送機和排土機，推土機等方式修筑，也可以采用這幾種工藝聯(lián)合修筑。采用汽車筑堤，需配置一定數(shù)量的汽車，修筑相對靈活，但成本相對較高。汽車筑堤一般在排土機投入使用前使用，或輔助排土機使用，采用帶式輸送機運輸—排土機排土的礦山，在條件允許的情況下，利用帶式輸送機和排土機修筑路堤，這種施工與生產(chǎn)相統(tǒng)一的方法既可以充分利用排土機，筑堤效率高，也能節(jié)省修筑成本。

利用連續(xù)排土設備修筑路堤效率高，但是也存在沉降時間不夠的問題?？紤]到有時不能完全依靠排土機自筑路堤，就需要采用汽車、帶式輸送機和排土機聯(lián)合修筑路堤的方式。廢石由帶式輸送機—排土系統(tǒng)從露天坑轉運至排土場后，由排土場內(nèi)汽車完成路堤的修筑。在場地安排上，帶式輸送機的傾角能夠滿足車輛行駛要求，汽車爬坡車道與廢石運輸膠帶布置在同一通道，車輛沿此通道爬坡至上層平臺修筑路堤，此通道既作為后期皮帶及排土機的檢修通道，也作為排土機事故檢修時汽車排土的備用通道。

3.7 排土場作業(yè)方式

根據(jù)移動帶式輸送機和排土機的相對位置，排土機排土的作業(yè)方式分為3種。

向上排土方式：排土機位于移動帶式輸送機的內(nèi)側，排土機向上排土。

向下排土方式：排土機位于移動帶式輸送機的外側，排土機排料臂朝外側向下排土。

混合排土方式：排土機位于移動帶式輸送機機外側先向下排土，完成向下排土條帶排滿后，排土機越過移動帶式輸送機再進行上排作業(yè)，待向上排土條帶排滿后，完成一個作業(yè)循環(huán)，排土機再越過移動帶式輸送機，進入下一個排土作業(yè)循環(huán)。

4 結語

對于深凹露天坑，隨著開采水平的降低和排土段高的增加，采用傳統(tǒng)的汽車運輸時，汽車重載上坡運行，運輸效率降低，礦山生產(chǎn)成本增加，本文根據(jù)露天礦特點，通過某露天礦排土方案實例進行技術經(jīng)濟比較，建議采用聯(lián)合排土工藝，提高排土效率，節(jié)省排土費用。

圍繞聯(lián)合排土技術，針對排土方法的選擇、排土機的作業(yè)平臺、排土場作業(yè)方式以及作業(yè)過程的排土機布置、初始路堤修筑等應用進行了相關應用研究，為類似露天礦山排土工藝的設計和運營提供了參考。