郭陽陽

（陜西神延煤炭有限責(zé)任公司 西灣露天煤礦，陜西 榆林 719000）

我國工業(yè)化開始到現(xiàn)在，煤炭一直居于主體能源地位。在石油、天然氣資源貧乏，太陽能、風(fēng)能等新能源的利用還未完全成熟的背景下，煤炭將在一段時(shí)期內(nèi)仍將作為主要能源使用。煤炭的綠色開發(fā)是新時(shí)代發(fā)展的必須要求，而露天采煤相較于井下采煤擁有很多方面的突出優(yōu)點(diǎn)：生產(chǎn)過程安全系數(shù)高，煤炭資源回收率高，開采規(guī)模大、效率高、成本低。因此很多發(fā)達(dá)國家的煤炭資源多采用露天開采，在其它類型的礦山開采設(shè)計(jì)時(shí)也首先考慮露采工藝設(shè)計(jì)。隨著近年來我國投產(chǎn)的大型露天煤礦越來越多，全國煤炭產(chǎn)量中露采產(chǎn)量的占比將大幅度增高，因此露天礦開采技術(shù)的深入研究意義重大。為了提高開采質(zhì)量和開采效率，降低能耗、減少環(huán)境污染，必須結(jié)合露天礦的實(shí)際開采狀況采取最優(yōu)的開采技術(shù)[1-2]。露天采煤機(jī)在國外露天煤礦應(yīng)用效果卓著，我國起步較晚，但露天采煤機(jī)在國內(nèi)外的應(yīng)用已經(jīng)充分展現(xiàn)出其優(yōu)越性[3]。

1 露天采煤機(jī)概況

1.1 露天采煤機(jī)的組成及工作原理

露天煤礦通常采用了分層剝離的開采方式，基于這種開采方式露天采煤機(jī)應(yīng)運(yùn)而生[4]?？偟膩碚f，露天采煤機(jī)有3 種類型：前端滾筒式露天采煤機(jī)、中端滾筒式露天采煤機(jī)、前端斗輪式露天采煤機(jī)（根據(jù)截割部位的位置不同作區(qū)分）。

目前在露天煤礦中大多使用前端滾筒式露天采煤機(jī)，因其自身結(jié)構(gòu)特性具備了逐層開采能力，因此在斷層和夾層開采中有較好的適用性，這對(duì)于資源回采率的提升意義重大。與此同時(shí)，該結(jié)構(gòu)不影響其尾部連接運(yùn)輸設(shè)備，尤其便于連接帶式輸送機(jī)，進(jìn)而將露天采煤工藝連續(xù)化，提高了生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益[5]。常見的露天采煤工藝是單斗挖掘機(jī)和卡車相配合，這種工藝走的是“穿－爆－采－運(yùn)－排”路線，而露天采煤機(jī)連續(xù)工藝省卻了穿爆環(huán)節(jié)，并且降低了運(yùn)輸時(shí)間和成本，最終能夠?qū)崿F(xiàn)經(jīng)濟(jì)性和效率性的極大提高[6]。

滾筒式露天采煤機(jī)主要由3 大機(jī)構(gòu)組成：截割機(jī)構(gòu)、裝煤機(jī)構(gòu)、輸送機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)構(gòu)、走行機(jī)構(gòu)。5大機(jī)構(gòu)同時(shí)配合工作實(shí)現(xiàn)了露天采煤的連續(xù)化：①工作機(jī)構(gòu)由截割滾筒和截割臂組成，進(jìn)行煤層的截割與破碎；②裝煤機(jī)構(gòu)由星輪式裝載機(jī)構(gòu)成，裝運(yùn)落煤；③輸送機(jī)構(gòu)由刮板機(jī)輸送煤炭；④轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)構(gòu)由帶式輸送機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)煤粒；⑤走行機(jī)構(gòu)則承擔(dān)著采煤機(jī)在工作面上的移動(dòng)任務(wù)。

1.2 國內(nèi)外露天采煤機(jī)現(xiàn)狀

露天采煤機(jī)正朝著大型化、數(shù)字化、綜合化的方向發(fā)展[7]。井工礦井中廣泛應(yīng)用了滾筒式采煤機(jī)，以此為原型，針對(duì)露天采煤的工作特點(diǎn)，國內(nèi)外己有不少廠商研制出滾筒式露天采煤機(jī)用于露天開采[8]。

德國的Wirtgen 公司生產(chǎn)了一種露天采礦機(jī)[9]，其滾筒位于機(jī)體中部，廣泛應(yīng)用于各種類型的露天礦開采，該機(jī)型成功在一些露天煤礦的薄煤層開采和選采上使用。但滾筒中置式的露天采煤機(jī)對(duì)于邊界的煤炭無法開采，同時(shí)在厚煤層開采使用中表現(xiàn)不佳。德國TAKRAF 公司、美國威猛公司對(duì)露天采煤機(jī)進(jìn)行了探索，將截割滾筒分別置于前端和末端，其他工作原理不變，可適用于不同的開采環(huán)境。目前在巴西、南非、澳大利亞等國的露天煤礦大規(guī)模應(yīng)用的是VASM 系列滾筒可調(diào)高的露天采煤機(jī)，由Voest－Alpine 公司研制而成。其根據(jù)井巷掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行改制，前端布置滾筒，特別加入了可調(diào)高功能，實(shí)現(xiàn)了厚硬煤層的截割[10]。

我國研制露天采煤機(jī)的時(shí)間較晚?！鞍宋濉逼陂g（1991—1995 年），原東煤公司曾進(jìn)行過CLG300 型可調(diào)高滾筒式露天采煤機(jī)的研發(fā)[11]。河北天擇重型機(jī)械有限公司近年來相繼研制出LMG200、LMG560、LMG950、LMG1150 型露天采煤機(jī)，用于黑河宋集屯煤礦、寶日希勒露天煤礦、東明露天煤礦等礦山[13]。

2 西灣露天煤礦概況

2.1 開采條件

西灣露天煤礦位于陜西省榆林市神木市西南部及榆陽區(qū)的東北部，西灣礦區(qū)地處陜北侏羅紀(jì)煤田榆神礦區(qū)的中部，井田范圍由24 個(gè)拐點(diǎn)坐標(biāo)圈定，南北長約18 km，東西寬約4.1 km，面積76.558 km2，批準(zhǔn)開采標(biāo)高＋1 099～＋873 m，含可采煤層5 層，自上而下依次為2－2、3－1、4－3、5－3上、5－3下煤層，前期露天開采2－2煤，2－2煤層可采面積50.77 km2，煤厚9.17～12.61 m，平均厚度11.13 m。露天礦開采境界內(nèi)工業(yè)資源儲(chǔ)量為625.830 Mt，可采儲(chǔ)量為613.310 Mt，原煤平均剝采比8.27 m3/t。西灣露天礦地形相對(duì)較為平坦，煤層傾角一般小于1°。冬、春季雨水稀少，氣候干燥寒冷，西北季風(fēng)較多且大。露天礦產(chǎn)煤類型為長焰煤及不粘煤，煤質(zhì)及賦存條件好，資源可靠，儲(chǔ)量豐富，適合建設(shè)現(xiàn)代化大型露天煤礦。覆層自上而下依次為45 m 厚的地層、92 m 厚的基巖層、11.14 m 厚的2－2煤層（均為平均厚度）。

綜上所述，該礦的開采條件簡(jiǎn)單，煤層賦存穩(wěn)定，在開采工藝的技術(shù)方面有較大的選擇范圍。

2.2 現(xiàn)階段開采工藝

露天礦設(shè)計(jì)初期，為了使經(jīng)濟(jì)效益快速顯現(xiàn)，結(jié)合其實(shí)際條件中運(yùn)距較近，采用單斗－卡車間斷開采工藝進(jìn)行剝離巖石，采用單斗－卡車＋半移動(dòng)式破碎站－帶式輸送機(jī)半連續(xù)開采工藝進(jìn)行采煤。露天礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力10.00 Mt/a，松散物由挖掘機(jī)直接采裝，分臺(tái)階開采，臺(tái)階高度9 m；巖石、煤經(jīng)鉆孔爆破后再進(jìn)行采裝，按臺(tái)階分層開采，巖石臺(tái)階高度為13 m，煤層按煤厚1 次采全高。

由于境界內(nèi)含水層比較豐富，坑內(nèi)涌水嚴(yán)重的情況下運(yùn)煤卡車無法保證穩(wěn)定的生產(chǎn)能力，不利于持續(xù)穩(wěn)定的生產(chǎn)和銷售要求。目前露天礦面臨的突出問題是環(huán)境適應(yīng)性差、安全管理難度大、開采成本高、運(yùn)輸效率低。而該礦的地質(zhì)條件非常適合使用露天采煤機(jī)進(jìn)行連續(xù)采煤，可以有效克服含水地層對(duì)煤炭運(yùn)輸?shù)挠绊?，同時(shí)采用連續(xù)的運(yùn)輸工藝可大幅較低煤炭的運(yùn)輸成本，減少卡車燃油帶來的環(huán)境污染。因此采用高產(chǎn)高效的連續(xù)開采工藝替代原設(shè)計(jì)的單斗－卡車間斷工藝對(duì)于實(shí)現(xiàn)西灣露天煤礦的綠色高效開發(fā)具有十分重要的意義。輪斗連續(xù)開采工藝雖然挖掘效率很高，但是初期設(shè)備投資大，機(jī)動(dòng)靈活性差，挖掘力不夠大導(dǎo)致可用范圍窄（只適合松軟巖層），并且氣候變化也是限制其出動(dòng)率的一大重要因素。而假設(shè)應(yīng)用連續(xù)采煤機(jī)開采，一方面可以克服以上輪斗開采劣勢(shì)，另一方面又能充分利用連續(xù)開采工藝本身所具備的優(yōu)勢(shì)。

3 連續(xù)采煤工藝應(yīng)用的可行性

3.1 露天煤礦主要開采工藝比較

露天開采工藝系統(tǒng)主要有：間斷工藝（如單斗挖掘機(jī)－汽車工藝系統(tǒng)）、連續(xù)工藝系統(tǒng)、拉斗鏟倒堆工藝系統(tǒng)和半連續(xù)工藝系統(tǒng)。間斷工藝系統(tǒng)具有機(jī)動(dòng)靈活、便于選采等優(yōu)點(diǎn)，但其作業(yè)成本高；連續(xù)工藝系統(tǒng)具有作業(yè)成本低、生產(chǎn)規(guī)模大等優(yōu)點(diǎn)，但其適合挖掘軟巖；拉斗鏟倒堆工藝系統(tǒng)具有工藝環(huán)節(jié)少、設(shè)備數(shù)量少，效率高、成本低的優(yōu)點(diǎn)，但也存在設(shè)備購置費(fèi)用高、僅適用于內(nèi)排剝離不適宜采煤等缺點(diǎn)。從工藝環(huán)節(jié)看，雖然卡車運(yùn)輸靈活性強(qiáng)、適應(yīng)性高，但是油耗大，輪胎消耗量大，維修費(fèi)用高，單位運(yùn)輸成本大。而帶式輸送機(jī)運(yùn)輸具有輸送能力大、爬坡能力大、單位運(yùn)輸成本低、可靠性高、系統(tǒng)維修費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。如果能夠用帶式輸送機(jī)代替卡車運(yùn)輸，則可節(jié)約大量生產(chǎn)成本，帶式輸送機(jī)的噸公里運(yùn)輸成本僅是卡車運(yùn)輸成本的1/2～1/3。

以帶式輸送機(jī)為主要運(yùn)輸設(shè)備的露天礦連續(xù)開采工藝系統(tǒng)具有顯著技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)點(diǎn)。研究適合較硬礦巖開采連續(xù)工藝系統(tǒng)（或半連續(xù)開采工藝系統(tǒng)）可以充分發(fā)揮帶式輸送機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，有望大幅度降低剝采成本，因此露天煤礦采用連續(xù)或半連續(xù)開采工藝一定是今后開采的發(fā)展大趨勢(shì)。連續(xù)采煤工藝可以在一定程度上解決露天礦特殊煤層條件采煤工作面配套運(yùn)輸裝備造價(jià)高、卡車運(yùn)輸通道占地面積大、燃油消耗多，集中破碎站移動(dòng)難度大、耗時(shí)長等問題，從而降低燃油消耗，提高煤炭資源回收率，降低生產(chǎn)成本，改善工作環(huán)境，簡(jiǎn)化管理。

3.2 連續(xù)采煤工藝的適用性分析

1）西灣露天煤礦主采煤層僅1 層，平均厚度約11 m，煤層傾角1°，煤層硬度較大，因此該礦的地質(zhì)條件非常適合使用綜采割煤機(jī)進(jìn)行連續(xù)采煤。

2）露天礦境界內(nèi)含水層比較豐富，坑內(nèi)涌水嚴(yán)重的情況下，運(yùn)煤卡車無法保證穩(wěn)定的生產(chǎn)能力（遇到較高強(qiáng)度的大氣降水時(shí)也面臨著同樣的問題），不利于生產(chǎn)運(yùn)輸?shù)某掷m(xù)穩(wěn)定的生產(chǎn)，而以帶式輸送機(jī)運(yùn)輸為主的連續(xù)采煤工藝系統(tǒng)可以有效克服含水地層對(duì)煤炭運(yùn)輸?shù)挠绊憽?/p>

3）西灣露天煤礦開采深度大、剝采比大、工作線長度大，應(yīng)用卡車運(yùn)輸存在柴油、輪胎消耗大，揚(yáng)塵污染環(huán)境，生產(chǎn)成本高等缺點(diǎn)。在煤炭行業(yè)環(huán)保要求越來越高的大背景下，露天礦引入連續(xù)采煤工藝可以在露天礦主要能源消耗上實(shí)現(xiàn)“以電代油”，達(dá)到降低能耗、減少道路揚(yáng)塵和有害氣體排放等效果，從而大幅度降低露天礦生產(chǎn)成本和提高資源開發(fā)效益?？紤]到國內(nèi)柴油價(jià)格會(huì)隨著國際原油價(jià)格和國家能源政策的變化可能大幅度波動(dòng)，而動(dòng)力電價(jià)格相對(duì)穩(wěn)定，因此應(yīng)用連續(xù)采煤工藝有利于露天礦成本控制。

4）與傳統(tǒng)的單斗－卡車工藝相比，應(yīng)用連續(xù)采煤工藝可以徹底的取消露天礦卡車運(yùn)輸環(huán)節(jié)，從而大幅度降低礦山的化石能源消耗，促進(jìn)節(jié)能減排。同時(shí)，應(yīng)用連續(xù)工藝后可以簡(jiǎn)化露天礦運(yùn)輸系統(tǒng)布置，增大采場(chǎng)幫坡角，有利于減少土地占用、實(shí)現(xiàn)區(qū)域環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展和綠色開采。

基于綜合考慮，在西灣露天煤礦應(yīng)用連續(xù)采煤工藝是可行的。采用露天礦連續(xù)開采成套工藝、多設(shè)備協(xié)同平行作業(yè)開采工藝，應(yīng)用大型露天礦用連續(xù)采煤機(jī)、自移式轉(zhuǎn)載機(jī)、長距離帶式輸送機(jī)等裝備，輔以配套的遠(yuǎn)程集中控制系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)露天煤礦開采的連續(xù)化、自動(dòng)化、智能化以及安全、高效、綠色、環(huán)保等目標(biāo)。

4 采煤機(jī)連續(xù)工藝開采過程

4.1 開采工藝流程

大型露天礦用連續(xù)開采系統(tǒng)中的設(shè)備配套主要由露天礦用連續(xù)采煤機(jī)、自移式轉(zhuǎn)載機(jī)、卸料車、帶式輸送機(jī)、遠(yuǎn)程集中控制系統(tǒng)組成。西灣露天礦工作面煤層平均厚度11.13 m，分上、下2 層開采。連續(xù)采煤機(jī)布置于在上層工作面，上層工作面煤層平均厚度6.5 m。連續(xù)采煤機(jī)開采工藝示意圖如圖1。

圖1 連續(xù)采煤機(jī)開采工藝示意圖

1）切眼開槽。開采工作首先進(jìn)行切眼開槽作業(yè)。切眼開槽時(shí)連續(xù)采煤機(jī)沿垂直于工作面的傾向行走作業(yè)，自移式轉(zhuǎn)載機(jī)進(jìn)行平行于連續(xù)采煤機(jī)的跟隨移動(dòng)，開采出50 m×40 m 的切眼槽后，連續(xù)采煤機(jī)轉(zhuǎn)彎－自移式轉(zhuǎn)載機(jī)跟隨移動(dòng)，直至設(shè)備轉(zhuǎn)至平行于工作面，開始進(jìn)行正常開采作業(yè)。

2）正常開采。連續(xù)采煤機(jī)擺正機(jī)位，按設(shè)定方向開始平行于工作面移動(dòng)，自移式轉(zhuǎn)載機(jī)、卸料車跟隨連續(xù)采煤機(jī)運(yùn)動(dòng)。

3）調(diào)機(jī)推進(jìn)。當(dāng)開采至工作面另一端端頭40 m距離左右，再次進(jìn)行開切眼工作。此后往復(fù)循環(huán)作業(yè)，帶式輸送機(jī)隨著工作面的推進(jìn)進(jìn)行移置。作業(yè)過程中連續(xù)采煤機(jī)與自移式轉(zhuǎn)載機(jī)搭接，自移式轉(zhuǎn)載機(jī)通過卸料車與帶式輸送機(jī)相接。連續(xù)采煤機(jī)落煤后，經(jīng)自身刮板部，自移式轉(zhuǎn)載機(jī)、卸料車轉(zhuǎn)運(yùn)至帶式輸送機(jī)上，再由帶式輸送機(jī)傳送至指定地點(diǎn)。

4.2 應(yīng)用過程中的關(guān)鍵問題

連續(xù)采煤機(jī)首先移動(dòng)至擬作業(yè)煤層，利用截割滾筒進(jìn)行切割，做出適應(yīng)其作業(yè)的初始截割面，此時(shí)即可進(jìn)行截割煤層作業(yè)。露天采煤機(jī)的具體采煤過程為：首先，將截割滾筒上升到最大的采高處，然后向前進(jìn)行推進(jìn)（推進(jìn)距離為1 次截深），此時(shí)即可控制截割滾筒向下切割煤層，如此往復(fù)不斷循環(huán)，便完成了采煤機(jī)的連續(xù)截割。為了使工作面平整，就需要在以上過程中，通過控制截割滾筒使截割軌跡盡可能地處在同一垂直平面。在應(yīng)用連續(xù)采煤機(jī)采煤時(shí)，有3 項(xiàng)關(guān)鍵性問題需要把握。

1）確定1 次截深。采煤機(jī)每次向前的推進(jìn)距離就是1 次截深，需要依據(jù)煤粒要求、作業(yè)環(huán)境以及采煤機(jī)自身情況來擬定。1 次截深與采煤機(jī)滾筒的直徑、功率大小、截割齒排布有關(guān)，要綜合考慮截割電機(jī)的功率和產(chǎn)煤效率進(jìn)行確定。確定1 次截深是連續(xù)采煤機(jī)正式工作前的首要步驟。

2）確保合適的臥底量。由于采煤機(jī)工作過程中的落煤會(huì)造成地面的不平整，而一個(gè)較為平整的地面對(duì)于保證連續(xù)采煤機(jī)的采煤工藝至關(guān)重要，合適的臥底量就能夠使采煤機(jī)每次截割過程中滾筒都能到達(dá)最低處，進(jìn)而才能使得地面避免受到大量落煤的影響后導(dǎo)致凹凸不平。

3）采用合適的行進(jìn)速度和截割速度。通過連續(xù)采煤機(jī)的5 大機(jī)構(gòu)密切配合，才能發(fā)揮最高的生產(chǎn)效率。確定了最佳1 次截深后，過快的行進(jìn)速度和截割速度會(huì)使得采煤量超過截割電機(jī)或裝載電機(jī)的額定載荷，造成安全隱患，過慢的行進(jìn)速度和截割速度又會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)效率降低，無法體現(xiàn)連續(xù)采煤機(jī)的工作效率。

5 結(jié)語

通過分析連續(xù)采煤機(jī)的工作特點(diǎn)、西灣露天煤礦的剝采環(huán)境，基本確定了滾筒式露天連續(xù)采煤機(jī)在西灣露天煤礦應(yīng)用的可行性，并擬定出了應(yīng)用連續(xù)采煤機(jī)的工藝路線。西灣露天煤礦應(yīng)用連續(xù)采煤工藝的預(yù)期效益顯著，但在系統(tǒng)應(yīng)用的設(shè)備選型、經(jīng)濟(jì)邊界條件、系統(tǒng)布置方式、系統(tǒng)可靠性、系統(tǒng)開采作業(yè)程序、開采參數(shù)等方面還需要進(jìn)行詳細(xì)的進(jìn)一步分析論證。