劉英璐

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

巴基斯坦塔爾煤田共劃分了13 個區(qū)塊，作為中巴經(jīng)濟(jì)走廊框架下的塔爾煤田Ⅱ區(qū)塊煤電一體化項目，一期工程3.80 Mt/a 露天煤礦及配套電站已于2019 年投入商業(yè)運營，這標(biāo)志著巴基斯坦歷史上首次利用國產(chǎn)煤發(fā)電。這對于燃煤發(fā)電在發(fā)電總量中占比偏低，且急需增加發(fā)電量、降低發(fā)電成本的巴基斯坦來說意義重大[1]。目前本項目二期工程7.6 Mt/a已經(jīng)開始建設(shè)，且建設(shè)單位已經(jīng)開始準(zhǔn)備三期工程15.2 Mt/a 的前期工作。

開采工藝是影響露天礦開采成本的最重要因素，鑒于塔爾地區(qū)在露天礦建設(shè)初期沒有可靠外部電源，故一期工程采用了柴油驅(qū)動的液壓挖掘機(jī)＋自卸卡車的間斷工藝（單斗-卡車工藝），目前二期工程仍采用與一期工程相同開采工藝及設(shè)備配置（7 m3級液壓挖掘機(jī)＋載重60 t 自卸寬體卡車）。

單斗-卡車工藝技術(shù)成熟、機(jī)動靈活、運行可靠性高等優(yōu)點對一期工程的快速建設(shè)發(fā)揮了至關(guān)重要作用。隨著露天煤礦采出煤炭并供給電站發(fā)電后，該地區(qū)有了穩(wěn)定的供電電源。三期工程建成后該礦將成為千萬噸級露天礦，所以對其投產(chǎn)后的開采工藝，尤其是剝離工藝，有必要進(jìn)一步的研究及優(yōu)化，以求提高其裝備水平、自動化程度及生產(chǎn)效率，降低開采成本，尤其是開展輪斗連續(xù)開采工藝在第四系松散層的應(yīng)用可行性分析[2]，這也將是塔爾煤田其它區(qū)塊露天煤礦后續(xù)開發(fā)和建設(shè)過程中所要研究的重點內(nèi)容之一。

1 露天煤礦概況

1.1 塔爾Ⅱ區(qū)塊露天煤礦煤巖條件

塔爾Ⅱ區(qū)塊露天煤礦位于巴基斯坦信德省東南部塔爾沙漠境內(nèi)的Tharparkar 地區(qū)，占地面積99.5 km2，礦區(qū)屬干旱、半干旱的沙漠地貌。南部、西部和北部地形復(fù)雜，多為起伏較大的風(fēng)成沙丘，中部和東部為較平坦沙漠區(qū)。

據(jù)地質(zhì)資料介紹，露天礦區(qū)內(nèi)的地層主要為大面積的第四系沙丘、第三系上新統(tǒng)河湖相沖積物、第三系古新統(tǒng)Bara 地層和先寒武系基底雜巖。物料巖石力學(xué)指標(biāo)均較小，單軸抗壓強(qiáng)度多在2 MPa 左右，屬于軟巖類物料，可直接采掘，不需爆破。

其中第四系沙丘層全區(qū)分布，巖性主要為細(xì)砂，為風(fēng)成沉積物，黃灰色細(xì)砂為主，較松散，自然狀態(tài)下強(qiáng)度較低，煤田剝離物強(qiáng)度低，抗壓強(qiáng)度小于1 MPa，基巖抗壓強(qiáng)度大部分在0.1～1.5 MPa，屬松散易剝離層。因此在其它條件適宜時剝離應(yīng)首選輪斗連續(xù)開采工藝[3]。第三系上新統(tǒng)和第三系古新統(tǒng)地層抗壓強(qiáng)度為0.2～2.7 MPa，屬軟巖類剝離巖層。

可采煤層總平均厚度約為24.0 m，其中主要可采煤層共4 層：2-3、2-4、2-7、2-8 煤層，零星、局部可采煤層共4 層：1-1、1-2、2-1、2-2 煤層。

1．2 露天煤礦現(xiàn)狀

Ⅱ區(qū)塊露天煤礦一期工程3.8 Mt/a 已經(jīng)建成并投入商業(yè)運行，其拉溝長度600 m，臺階高度12 m，開采深度約200 m，穩(wěn)定幫坡角23°。二期工程7.6 Mt/a已開始建設(shè)，在一期工程基礎(chǔ)上向北擴(kuò)幫，總的拉溝長度延長至1 000 m。開采工藝與一期相同，剝離工程采用單斗-卡車工藝，主采設(shè)備配置為7 m3級液壓挖掘機(jī)＋載重60 t 自卸寬體卡車。采煤工程為單斗-卡車-半移動式破碎站-帶式輸送機(jī)半連續(xù)工藝。

2 露天煤礦三期工程剝離工藝

2．1 三期工程剝離工藝原方案

根據(jù)建設(shè)單位的露天礦建設(shè)計劃，三期工程將擴(kuò)能至15.2 Mt/a，已委托咨詢公司編制了三期工程可行性研究報告，根據(jù)該可研報告，計劃在二期工程基礎(chǔ)上，繼續(xù)向北擴(kuò)幫，總的工作線長度延至1 500 m，同時，為保證采煤工程正常開展，工作幫（西幫）同時也安排一定工程量。三期工程的剝離工程全礦仍采用單斗-卡車工藝，因擴(kuò)能增加的工程量所需新增設(shè)備，選用型號稍大的12 m3級液壓挖掘機(jī)＋載重100 t 級礦用自卸卡車，新購設(shè)備后，更新的7 m3液壓挖掘機(jī)配載重60 t 自卸卡車主要用于上部松散土層及巖層，斗容12 m3液壓挖掘機(jī)＋載重100 t 級礦用自卸卡車用于露天礦深部巖層剝離及采煤。三期工程建成后，可逐步實現(xiàn)內(nèi)排[4]。

2．2 剝離工藝方案初選

開采工藝的選擇是決定露天礦開采成本、經(jīng)濟(jì)效益的重要基礎(chǔ)。在設(shè)計階段，根據(jù)礦田煤層賦存情況、圍巖特征、外排條件、動力及燃料價格等因素，常用的開采工藝有4 類：單斗-卡車開采工藝、單斗-卡車-破碎機(jī)＋帶式輸送機(jī)-排土機(jī)半連續(xù)開采工藝、輪斗連續(xù)開采工藝和拉斗鏟倒堆開采工藝。

參考相關(guān)專題研究，除拉斗鏟倒堆開采工藝不適用于本礦外，其它3 種開采工藝在技術(shù)上均適用于本項目。但綜合考慮另外3 種工藝的相關(guān)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，經(jīng)計算與對比分析，認(rèn)為單斗-卡車-破碎機(jī)＋帶式輸送機(jī)-排土機(jī)半連續(xù)開采工藝在設(shè)備初始投資及運營成本上均不夠理想，且30 年生產(chǎn)期的投入NPV 值也較高，相比而言，單斗-卡車（寬體卡車）開采工藝的初始投資最低，輪斗連續(xù)開采工藝的運營成本最低，且30 年生產(chǎn)期的投入NPV 值也較低[5]。

結(jié)合礦山煤巖特性及輪斗連續(xù)開采工藝特點，主要針對擴(kuò)能后上部松散層的剝離物是否可采用輪斗連續(xù)工藝進(jìn)行論證分析[6]，并與純單斗-卡車工藝進(jìn)行對比，提出三期工程剝離工藝的優(yōu)化方向。

3 剝離工藝比選

3．1 比選基礎(chǔ)

3.1.1 輪斗工藝可投入時機(jī)

輪斗系統(tǒng)的布置應(yīng)重點考慮其在同一開采區(qū)域的服務(wù)年限，盡量保證輪斗系統(tǒng)長時間地服務(wù)于同一開采區(qū)域的同一水平，避免設(shè)備“大搬家”或跨區(qū)域移設(shè)，以免降低設(shè)備效率，增加管理難度和費用支出[7]。

根據(jù)三期工程的開采進(jìn)度計劃，建設(shè)期第1 年（可研中計劃為2021 年）完成剝離量為15.0 Mm3，第2 年完成剝離量為55.0 Mm3，第3 年完成剝離量為103.0 Mm3。鑒于輪斗及其配套設(shè)備的制造周期，露天礦最早可布置輪斗工藝進(jìn)行剝離的年度為建設(shè)期第2 年。同時，根據(jù)各年度的開采工程位置，在三期工程建設(shè)期第2 年之前，采掘場為“L”形向北和向西2 個方向進(jìn)行推進(jìn)，第2 年開始反向北1 個方向推進(jìn)，直至北部地表到界，第3 年開始整體向西推進(jìn)。

如在建設(shè)期第2 年初布置輪斗系統(tǒng)進(jìn)行剝離，根據(jù)采掘場臺階分布，輪斗系統(tǒng)工作線只能布置在采掘場的北側(cè)臺階，臺階水平＋30 m。由于第2 年年底，采掘場北部到達(dá)設(shè)計境界，因此，第2 年布置的輪斗系統(tǒng)服務(wù)1 年后就需“設(shè)備搬家”，移設(shè)至西幫工作臺階，轉(zhuǎn)向開采后排土機(jī)也需要從排土場的北部移設(shè)至南部，整個系統(tǒng)的移設(shè)工作將影響正常的剝離生產(chǎn)。另外，本礦儲煤場位于露天采掘場的北側(cè)，在北側(cè)臺階布置的輪斗系統(tǒng)切斷了運煤通路，增加了采煤的運距。

綜上所述，本礦剝離布置輪斗系統(tǒng)的合理時間為三期工程建設(shè)期第3 年，輪斗工藝系統(tǒng)可服務(wù)于采掘場南部工作幫＋20 m 以上水平。三期工程建設(shè)期第3年輪斗作業(yè)范圍示意圖如圖1。

圖1 三期工程建設(shè)期第3 年輪斗作業(yè)范圍示意圖

3.1.2 輪斗系統(tǒng)生產(chǎn)能力及工藝布置

可研中單斗-卡車工藝方案，7 m3液壓挖掘機(jī)配載重60 t 自卸卡車主要服務(wù)于上部土層及巖層，其完成工程量為56.66 Mm3，輪斗工藝可替代這部分工程量中松散層部分，同時這也是一期、二期工程投入的液壓挖掘機(jī)與自卸卡車的設(shè)備更新時間。

擬選用的輪斗挖掘機(jī)生產(chǎn)能力為4 000 t/h[8]，根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂蚣霸O(shè)備年工作時間，估算其年生產(chǎn)能力為6.50 Mm3，結(jié)合露天礦松散層厚度，可配置4 臺該型號輪斗，分別服務(wù)于4 個作業(yè)水平，輪斗工藝部分每年可完成工程總量為26.0 Mm3。其中，考慮外排土場空間限制，排土機(jī)采用“二對一”的形式，即采用2 臺排棄能力為8 000 t/h 的排土機(jī)共同進(jìn)行排土作業(yè)。

3．2 工藝方案設(shè)備投資對比

1）設(shè)備數(shù)量及投資。2 種工藝方案主要設(shè)備配置情況見表1。除主采設(shè)備外還分別配有履帶推土機(jī)、輪式推土機(jī)、灑水車、平地機(jī)、小型液壓挖掘機(jī)、膠帶移設(shè)機(jī)、履帶運輸車、小型服務(wù)卡車等輔助設(shè)備?；? 種工藝方案設(shè)備配置、設(shè)備數(shù)量及設(shè)備價格，計算初始投資方案1 初始投資為111 985 萬元，方案2 初始投資為439 m 萬元，輪斗＋單斗卡車綜合工藝設(shè)備投資要比純單斗-卡車工藝高68 075 萬元。

表1 2 種工藝方案主采設(shè)備配置情況

2）設(shè)備更新追加投資。純單斗-卡車工藝設(shè)備初始投資雖較低，但其設(shè)備壽命相對輪斗工藝設(shè)備較短，其中7 m3液壓挖掘機(jī)更新周期為10 年，60 t 自卸車更新周期為3 年。而輪斗設(shè)備系統(tǒng)服務(wù)年限可達(dá)20 年以上。故在考慮全礦服務(wù)年限前提下，純單斗-卡車工藝后期要考慮設(shè)備更新而帶來的追加投資。

3）基建工程量投資。因為輪斗工藝的設(shè)備布置特點，要求工作平盤寬度較大，故方案1 要為布置輪斗的工作臺階適當(dāng)加大平盤寬度，以滿足其作業(yè)及帶式輸送機(jī)布置要求。經(jīng)估算，方案1 增加基建工程量3.28 Mm3，按三期工程建設(shè)的前2 年完成，平均每年為1.64 Mm3，結(jié)合一期工程現(xiàn)場施工成本數(shù)據(jù)，每年相應(yīng)需增加礦建投資1 889 萬元。

3．3 工藝方案成本

1）成本組成。輪斗＋單斗-卡車工藝主要成本構(gòu)成：電力、燃油、輪胎、備品備件、設(shè)備維修、人工工資等。單斗-卡車工藝主要成本構(gòu)成：燃油、輪胎、備品備件（含帶式輸送機(jī)）、設(shè)備維修、人工工資等。2種工藝方案的主要區(qū)別在于動力消耗，每套輪斗系統(tǒng)裝機(jī)功率約7 000 kW；另外，采用輪斗工藝，每套輪斗系統(tǒng)作業(yè)人員每班只需8 人，可設(shè)置3 班，與純單斗-卡車工藝方案相比會大幅縮減生產(chǎn)工人數(shù)量。當(dāng)然，輪斗系統(tǒng)的操作人員需要專業(yè)的培訓(xùn)。

2）成本計算。根據(jù)現(xiàn)場一期工程單斗-卡車工藝的施工成本數(shù)據(jù)，計算單斗-卡車工藝完成年度工程量運營成本；根據(jù)輪斗制造廠家提供類似露天礦樣本數(shù)據(jù)，計算輪斗工藝完成年度工程量的運營成本，方案1 年運營成本52 206 萬元，方案2 年運營成本65 159 萬元，方案1 比方案2 的年運營成本低12 953 萬元。

3．4 剝離工藝方案綜合比選

根據(jù)計算結(jié)果對比，采用輪斗工藝的投資要高于純單斗卡車工藝，但年運營成本又大幅低于純單斗卡車工藝，不能簡單的下結(jié)論哪個工藝更優(yōu)。故考慮更長的運營期內(nèi)對2 種工藝方案的總投入NPV值，根據(jù)2 種工藝的設(shè)備配置、成本組成，對20 年內(nèi)的主要設(shè)備投入及運營成本進(jìn)行了NPV 計算[9]，折現(xiàn)率取10%，2 種工藝方案NPV 計算結(jié)果見表2。

表2 2 種工藝方案NPV 計算結(jié)果 萬元

由表2 可知，Ⅱ區(qū)塊露天煤礦進(jìn)入三期工程的第8 年之前，選用輪斗工藝的投資及成本累計NPV值要大于純單斗-卡車工藝；但從三期工程的第8年開始，輪斗工藝的累計NPV 值開始小于純單斗-卡車工藝，也就是說，由于輪斗工藝的低運營成本，其優(yōu)勢逐漸體現(xiàn)出來，效益開始顯現(xiàn)。另外，由于輪斗工藝的高度集成化、自動化，相比純單斗-卡車工藝，降低了露天礦安全風(fēng)險，同時減少勞動定員約350 人，大大提高了工人勞動效率。

4 結(jié) 語

根據(jù)露天煤礦現(xiàn)階段建設(shè)情況及三期工程發(fā)展計劃，對塔爾煤田Ⅱ區(qū)塊露天煤礦上部表土松散層的剝離工藝方案進(jìn)行了分析與對比，認(rèn)為本項目配套電站已經(jīng)發(fā)電，可考慮三期工程投產(chǎn)后，投入輪斗連續(xù)工藝替代部分單斗-卡車工藝，承擔(dān)表土層的剝離工作，雖然初期投資較大，但能大幅降低露天礦生產(chǎn)成本，增加的投資可在8 年后收回，且能提升露天礦的裝備水平，提高工人勞動效率，降低安全風(fēng)險，利于露天礦管理，實現(xiàn)高產(chǎn)高效。同時，也能對塔爾煤田其它區(qū)塊后續(xù)的開發(fā)建設(shè)，起到示范引領(lǐng)作用。