張繼平，張 洪

（中煤科工集團(tuán)沈陽設(shè)計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110015）

茂名油頁巖發(fā)電項目規(guī)劃電廠一期建設(shè)2×210 MW 循環(huán)流化床機(jī)組，油頁巖需求量6.0 Mt/a。電廠規(guī)劃容量為1 260 MW，油頁巖需求量18.0 Mt/a。油頁巖露天礦可采礦量為198.29 Mt，總剝離量為295.48 Mm3，平均剝采比為1.49 m3/t，達(dá)到6.0 Mt/a設(shè)計規(guī)模時的生產(chǎn)剝采比為1.10 m3/t。由于茂名油頁巖露天礦外排土場和北外排土場均無富余容量且外排運距較遠(yuǎn)，同時地區(qū)土地資源緊缺，因此不考慮利用原排土場或重新選擇外排土場。礦田在1958—1995 年開采的采空區(qū)可以滿足礦田開采時剝離物實現(xiàn)全部內(nèi)排要求[1]。

1 開采技術(shù)條件

1）氣候條件。茂名油頁巖礦區(qū)氣候?qū)儆趤啛釒ШＱ笮詺夂颍话阍?7.79～29.7 ℃，平均22.01 ℃；風(fēng)力為3～6 級；本區(qū)雨量極為豐富，歷年年平均降雨量為1 558.3 mm，每年降雨天數(shù)平均為139 d，每年最多降雨天數(shù)為178 d，本區(qū)常有暴風(fēng)雨和雷雨，對開采工藝選擇影響較大的氣候因素主要是雨季長且雨量大。

2）地質(zhì)條件。本礦田油頁巖為一構(gòu)造簡單的獨立層，厚度為4.52～34.32 m，平均厚度為24.60 m，以5°～7°的緩傾角向北傾斜。油頁巖抗壓強(qiáng)度為10～15 MPa。油頁巖底板為油頁巖貧礦或細(xì)粒砂巖，其抗壓強(qiáng)度分別為6.0 MPa 和10～15 MPa。露天礦的主要剝離物層巖性松散，由半膠結(jié)砂礫石、粗土組成，其抗壓強(qiáng)度為2.0～6.0 MPa，剝離層厚度平均為56.86 m。礦田劃分為首采區(qū)、中采區(qū)和東采區(qū)3 個采區(qū)。礦區(qū)內(nèi)上覆剝離物厚度、油頁巖厚度和傾角賦存情況統(tǒng)計見表1。由于礦田推進(jìn)方向沿傾向進(jìn)行，因此3 個采區(qū)的上覆剝離物厚度均隨本采區(qū)的推進(jìn)而增加，礦層厚度在3 個采區(qū)內(nèi)變化不大，基本呈小幅度增厚的趨勢，而剝離物厚度除表現(xiàn)為逐漸增厚外，同時隨著采區(qū)的轉(zhuǎn)換而呈現(xiàn)出周期性的由薄變厚的變化規(guī)律。

表1 礦區(qū)內(nèi)上覆剝離物厚度、油頁巖厚度和傾角賦存情況統(tǒng)計

3 擬比選的開采工藝方案

3.1 油頁巖采礦工藝方案

開采工藝的選擇應(yīng)遵循以經(jīng)濟(jì)效益為中心，降低初期投資，突出露天礦初期經(jīng)濟(jì)效益，因礦制宜[2]。依據(jù)本礦條件，提出單斗－卡車+半移動破碎站－帶式輸送機(jī)半連續(xù)工藝作為采礦的首選方案。

1）油柑窩層的油頁巖地基承載力為1 000～1 200 kPa，而油頁巖本身，屬于變質(zhì)巖類，其抗壓強(qiáng)度較高（10～15 MPa），其軟化系數(shù)為0.5，即使雨水浸泡后強(qiáng)度折減，仍有較高的抗壓強(qiáng)度。可以滿足85 t 卡車的行車條件，適合本礦的開采條件。

2）單斗－卡車－可移動式破碎站－帶式輸送機(jī)半連續(xù)工藝是我國露天礦中應(yīng)用最廣泛的采礦工藝，工藝先進(jìn)、技術(shù)可靠，即有單斗－卡車機(jī)動靈活適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點，又具有帶式輸送機(jī)運輸效率高、成本低的優(yōu)點，在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)綜合指標(biāo)上有其它開采工藝無法比擬的優(yōu)勢，已成為露天煤礦剝采工藝的一個重要技術(shù)發(fā)展方向[3]。

3.2 剝離開采工藝方案

剝離工藝是指完成移除覆蓋月礦產(chǎn)資源之上的廢棄巖石所采用的方法或技術(shù)[4]。剝離工藝選擇是本礦的技術(shù)難點之一，為尋求本礦最佳的剝離開采工藝，依據(jù)開采工藝選擇的原則及本礦油頁巖與剝離物賦存特點，提出可供本礦選擇的剝離工藝方案。

3.2.1 單斗－卡車開采工藝方案

單斗－卡車是世界上，特別是我國露天礦應(yīng)用較廣泛的開采工藝，雖然近幾年由于油價和修理費用增幅較大，有逐步減少的趨勢，但仍屬于4 種基本開采工藝之一。該工藝具有爬坡能力大、機(jī)動靈活、工作線短、推進(jìn)強(qiáng)度大、工藝系統(tǒng)簡單、礦建工程量少、生產(chǎn)管理簡單和投資少等優(yōu)點，但生產(chǎn)成本高、卡車對路面狀況要求高、人工成本高以及對環(huán)境影響相對較大[5]。該礦剝離采用自卸卡車運輸方式存在以下問題：

1）剝離臺階工作平盤雨季或有水狀態(tài)下卡車運行困難。本礦油頁巖頂板以上的上第三紀(jì)地層剝離物成巖性較差，抗壓強(qiáng)度較低（2～6 MPa），并根據(jù)資料分析老虎嶺層、尚村層、黃牛嶺層的巖土特征，分析得到剝離臺階地基承載力為300～400 kPa。低于卡車對地比壓。茂名地處亞熱帶區(qū)域，年降雨量較大，年平均降雨日數(shù)達(dá)139 d，最長為178 d，剝離物經(jīng)含水率達(dá)到飽和后會發(fā)生軟化，其承載力將大幅度降低，據(jù)現(xiàn)場踏勘和調(diào)研了解到，剝離物遇水后工作平盤陷車現(xiàn)象非常嚴(yán)重。這樣的自然條件對卡車的運輸是非常不利的，會造成行車?yán)щy，甚至難以通行，從而會影響整個生產(chǎn)系統(tǒng)的正常運行。所以油頁巖頂板以上剝離臺階采用卡車運輸方式在技術(shù)上存在較大的問題，不予推薦。

2）生產(chǎn)運營成本高，燃油消耗大。近幾年，卡車輪胎、柴油呈現(xiàn)短缺和價格攀升趨勢，致使卡車運營成本增幅較大，這種趨勢短期內(nèi)很難改變。若剝離全部采用卡車運輸，則每年柴油消耗將達(dá)近4 000 t，導(dǎo)致生產(chǎn)成本增加。

綜上所述，受運輸條件和運營成本限制，本礦剝離不適合大量采用單斗－卡車開采工藝，但為了充分發(fā)揮其機(jī)動靈活的特點，本礦局部，如礦層頂板的部分三角臺階等可考慮采用此開采工藝。

3.2.2 輪斗連續(xù)開采工藝方案

輪斗挖掘機(jī)是在單鏈斗和其他采掘設(shè)備的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種高效率連續(xù)作業(yè)的多斗采掘設(shè)備[6]，是露天礦4 種基本開采工藝之一，在軟巖露天礦應(yīng)用廣泛，結(jié)合茂名油頁巖礦區(qū)的礦石、剝離巖性、賦存條件及氣象特點，輪斗開采工藝在該礦應(yīng)用在技術(shù)上是可行的，它具有自動化程度高、生產(chǎn)連續(xù)、效率高、開采強(qiáng)度大、生產(chǎn)成本低、人工費用低、選采性能好、受氣候影響較小等優(yōu)點，但存在初期設(shè)備投資相對較高、機(jī)動靈活性差、制造周期較長等缺點。

由于本礦年降雨量大，剝離物含水率達(dá)到飽和后容易產(chǎn)生松軟，這種情況下輪斗挖掘機(jī)站立水平承載力將會減小，可能產(chǎn)生下陷，這種情況可以采取加長或加寬履帶來增加機(jī)器與地表接觸面積實現(xiàn)減少對地比壓。

輪斗挖掘機(jī)－帶式輸送機(jī)連續(xù)開采工藝生產(chǎn)連續(xù)，效率高；該礦剝離物松軟，且氣候溫暖，適合輪斗連續(xù)工藝優(yōu)點的發(fā)揮，因此輪斗連續(xù)開采工藝在本礦的應(yīng)用技術(shù)上是可行的。

3.2.3 吊斗鏟倒堆開采工藝方案

吊斗鏟倒堆綜合開采工藝是一種先進(jìn)的開采工藝，它集采掘、運輸、排卸3 項作業(yè)于一體[7]，將剝離物直接排棄于采空區(qū)的內(nèi)排土場中，工藝流程簡單，生產(chǎn)成本低。其具有技術(shù)成熟、可靠、工藝環(huán)節(jié)簡單和生產(chǎn)效率高、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點，但存在設(shè)備需要進(jìn)口，可供選擇余地小、購置費高、對采場工程位置要求較高，日常生產(chǎn)、工程管理復(fù)雜，經(jīng)驗少等缺點。

吊斗鏟倒堆工藝一般適用于礦層覆蓋物較薄、礦層厚度適中、傾角小、巖性在中等硬度以下的開采條件，根據(jù)茂名油頁巖礦區(qū)的礦石、剝離巖性、賦存條件及地形特點，該礦首采區(qū)后期及中采區(qū)、東采區(qū)剝離層厚度大部分大于吊斗鏟倒堆剝離厚度，其倒堆臺階以上剩余的剝離層需安排1 套輪斗連續(xù)工藝系統(tǒng)來完成，因此，吊斗鏟倒堆工藝方案在本礦的應(yīng)用應(yīng)是一個聯(lián)合剝離工藝方案。

3.2.4 自移式破碎機(jī)半連續(xù)開采工藝方案

自移式破碎機(jī)半連續(xù)綜合開采工藝的一般構(gòu)成為單斗挖掘機(jī)－自移動式破碎機(jī)－帶式輸送機(jī)[8]，與輪斗開采工藝相比其采裝環(huán)節(jié)改用單斗挖掘機(jī)，使工藝的靈活性增加、巖性適應(yīng)性增強(qiáng)、效率高、開采強(qiáng)度大、采運排設(shè)備均采用電力驅(qū)動，運營費用相對較少。但初期投資較大、生產(chǎn)環(huán)節(jié)多，管理復(fù)雜、中間增加了破碎環(huán)節(jié)及機(jī)動靈活性差，僅適于礦層賦存簡單的露天礦。

結(jié)合茂名油頁巖礦區(qū)的礦石、剝離巖性、賦存條件及地形特點，本方案各工藝環(huán)節(jié)均采用電力驅(qū)動，優(yōu)缺點都很突出，因此自移式破碎機(jī)半連續(xù)開采工藝在本礦的應(yīng)用技術(shù)上是可行的。

4 開采工藝

3 個綜合開采工藝方案在本礦的應(yīng)用技術(shù)上均是可行的，需要進(jìn)行較全面的經(jīng)濟(jì)對比。達(dá)產(chǎn)年3 個開采工藝方案采運排設(shè)備投資如圖1，3 個開采工藝方案采運排設(shè)備運營成本如圖2。

圖1 3 個開采方案采運排設(shè)備投資

圖2 3 個開采方案采運排設(shè)備運營成本

茂名油頁巖露天礦達(dá)產(chǎn)當(dāng)年輪斗連續(xù)綜合開采工藝方案采運排設(shè)備投資比吊斗鏟倒堆開采工藝方案少8 128.87 萬元，比自移式破碎機(jī)半連續(xù)開采工藝方案少7 781.72 萬元，而吊斗鏟倒堆開采工藝方案比自移式破碎機(jī)半連續(xù)開采工藝方案多347.15萬元。達(dá)產(chǎn)當(dāng)年輪斗連續(xù)綜合開采工藝方案采運排設(shè)備運營費比吊斗鏟倒堆開采工藝方案多867 萬元（1.445 元/t），比自移式破碎機(jī)半連續(xù)開采工藝方案少464 萬元（0.773 3 元/t），吊斗鏟倒堆開采工藝方案比自移式破碎機(jī)半連續(xù)開采工藝方案少1 331 萬元（1.885 元/t）。

5 結(jié)語

1）借鑒土耳其EUAS 電力公司COLLOLAR 露天煤礦經(jīng)驗，剝離采用的輪斗連續(xù)開采工藝，通過采取加長或加寬履帶來增加機(jī)器與地表接觸面積來減少對地比壓。本礦剝離采用輪斗連續(xù)開采工藝和自移式破碎機(jī)半連續(xù)開采工藝均是可行的。

2）自移式破碎機(jī)半連續(xù)開采工藝具有輪斗連續(xù)綜合開采工藝的優(yōu)點，但主要設(shè)備技術(shù)不夠成熟，投資偏大，達(dá)產(chǎn)當(dāng)年自移式破碎機(jī)半連續(xù)開采工藝方案主要設(shè)備投資費用比輪斗連續(xù)開采工藝方案多7 781.72 萬元，比吊斗鏟倒堆開采工藝方案少347.15萬元。

3）吊斗鏟倒堆開采工藝集采掘、運輸和排土3個主要工藝環(huán)節(jié)于一體，吊斗設(shè)備可靠、運營成本低，達(dá)產(chǎn)當(dāng)年吊斗鏟倒堆開采工藝方案采運排設(shè)備運營費比輪斗連續(xù)開采綜合開采工藝方案少867 萬元（投資回收期為9.38 年），比自移式破碎機(jī)半連續(xù)開采工藝方案少1 331 萬元，但吊斗鏟倒堆開采工藝作業(yè)的礦層地底傾角在4°～9°，內(nèi)排土場穩(wěn)定性直接對采礦工作面帶來不安全因素；其次生產(chǎn)期第10 年，剝離層厚度增加，生產(chǎn)剝采比增大，1 臺吊斗鏟不能完成其全部剝離量，其上部部分剝離量需上另一種開采工藝（如輪斗連續(xù)工藝系統(tǒng)）來完成，導(dǎo)致生產(chǎn)管理復(fù)雜，同時主要設(shè)備均需引進(jìn)，設(shè)備投資偏大，達(dá)產(chǎn)當(dāng)年吊斗鏟倒堆開采工藝方案比輪斗連續(xù)開采綜合開采工藝方案多8 128.87 萬元。

綜上所述，本礦剝離開采工藝采用輪斗連續(xù)工藝綜合方案，即：剝離采用輪斗挖掘機(jī)-帶式輸送機(jī)-排土機(jī)+局部單斗-卡車開采工藝；采礦采用單斗-卡車+可移式破碎機(jī)-帶式輸送機(jī)開采工藝。