露天開采工藝比選及半連續工藝的合理性研究

張 環

（山西煤炭進出口集團河曲舊縣露天煤業有限公司，山西 河曲 036000）

露天煤礦中開采工藝系統的選擇是非常重要的一個環節[1]。合理開采工藝的研究涵蓋采、運、排設備水平、成本核算的龐大的目標體系[2-3]。開采工藝需從技術以及成本方面進行甄選，同時還應兼顧生產經驗、地質環境的變化進而展開理性的選擇[4]。目前，國內半連續開采工藝在煤的采運系統中采用較多，而在剝離物當中半連續開采工藝應用的往往較少，尤其是大型半連續工藝系統在國內不僅無具體應用，也沒有相關的設計經驗可以借鑒[5-6]。本文針對河曲舊縣露天煤礦三采區開采程度及范圍逐漸變大的具體條件，細致剖析了所采13號煤層的賦存情況，對開采工藝展開比選。

1 開采條件

河曲舊縣露天礦區位于山西黃土高原西北部，黃河東岸，屬典型的黃土高原地貌，黃土厚度大，植被稀少，水土流失嚴重，地形切割劇烈，沖溝發育，多呈“V”字形，基巖僅在溝谷中有零星出露。地形總的趨勢是東高西低，給礦山工程帶來許多困難，使開采工藝選擇受到一定限制。

該露天礦地形較為復雜，煤層傾角為2～3°，局部為8°，煤層呈近水平賦存，剝離物基本上是軟巖，該礦冬季寒冷，持續時間較長。所開采的13號煤層平均厚度為11.18m。三采區坑底為13號煤底板，條區長約3050m，東西方向寬約1050m。統計數據顯示表土量占剝離總量的48.34%左右。所需剝離的煤層上覆巖土層厚度范圍為45～180m。

2 擬比選開采工藝

露天礦生產目標從上至下依次是：表土層均厚105.32m，13號煤上覆巖層均厚64m。能夠符合該礦的生產工藝有：

（1）單斗鐵道開采工藝

在技術層面上符合該礦條件，但此工藝的建設期較長，且同時所需技術工人較多，工作效率值低等也約束其使用推廣。

（2）輪斗—膠帶工藝

就開采工藝角度來分析，13號煤覆巖當中所需剝離的黃土厚度大，能夠通過輪斗挖掘機進行作業。但是這一礦區是較典型的黃土高原地理環境，冬季漫長，冬天作業臺階易出現冰面，表土硬度較高，輪斗挖掘機無法最大程度地施展其效率。而且該工藝初期投入大，要求進行細致的作業規劃，并配以較高技能的技術工人。另外，現階段選擇該工藝的露天煤礦的地理環境、煤巖覆存條件均和該礦有著相當大的差異。因此該工藝不列入比選范圍。

（3）單斗—汽車開采工藝

單斗—汽車開采工藝是國內最開始引進的露天煤礦開采方式，目前已經具備整套合理的管理以及使用經驗。該露天礦內煤巖土體實際覆存條件較好，同時煤層屬于近水平煤層，適宜選擇單斗—汽車開采方式。而且汽車具備較好的爬坡能力和效率，運輸方便，所需工人少，更加有利于生產管理，能夠保證前期經濟效益較好，同時有利于向其他開采工藝進行過渡，可以確保快速的內排，進而改善露天煤礦的實際生產條件，為以后復墾奠定一定基礎。不過，此工藝實際所需的生產成本比較高。考慮到該工藝是露天煤礦現階段使用較廣泛的一種生產方式，因此把該工藝列為參選范圍進行比較。

（4）半連續開采工藝

該生產方式的最大好處是通過膠帶輸送機來運送剝離物，縮少或避免了卡車運輸作業，能夠減少成本投入。不過這一工藝初始生產時投入的成本較高，生產作業較冗雜，管理起來會有困難，特別是破碎站以及膠帶輸送機不斷運輸和重新的安設作業，增加了生產復雜性。不過該工藝達不用卡車運輸，極大地縮減了運輸費用，能夠實現連續作業。而且，單斗鏟與輪斗相比而言，冬季也能夠保證正常作業，能夠很好地提升礦井的生產效益。所以，也將此工藝列為參選對象。

（5）拉斗鏟倒堆工藝

該工藝因為投入成本較低而得到了大范圍的使用。考慮到該礦煤巖賦存條件較好，適合采用該工藝。但是我國受機械制造和設備引進的限制，相關設備不易取得，所以本文不將此工藝列為比選目標。

3 開采工藝比選

3.1 表土開采工藝

方案一：單斗—汽車間斷工藝；

方案二：單斗汽車—自移式破碎機—轉載機—膠帶輸送機—排土機半連續工藝。

考慮到舊縣露天煤礦地理位置影響，其冬季溫度較低，冬天上部表土層會發生粘膠帶現象進而降低工作效率，因此為了使比選更具可信度，考慮到半連續工藝冬天設備作業存在困難，因此按照半連續整年只作業8個月與單斗汽車整年作業12個月展開技術經濟比較工作。

經過對該礦分別采用單斗汽車工藝與半連續生產工藝展開研究，一是半連續工藝比單斗汽車工藝投入成本要多14900萬元左右，本礦三采區年均剝離量約1725萬m3；二是單斗汽車工藝比半連續生產方式的運營費多3550萬元，選擇半連續生產方式5年之后就能夠收回初始時期多投入的資金。因此在對表土層剝離作業時，選擇利用半連續生產工藝。

3.2 煤層以上巖石開采工藝

方案一：單斗—自移式破碎機—轉載機—膠帶輸送機—排土機半連續工藝；

方案二：單斗—自移式破碎機—轉載機—膠帶輸送機—排土機半連續工藝與懸臂排土機系統相結合。

懸臂式排土機的作業方式為單斗挖掘機挖掘裝車—移動破碎機破碎—排土機排棄。懸臂式排土機與半連續生產方式二者相比較，它能夠達到橫向排土的目的，膠帶運輸距離得以縮減，而且該工藝所需設備少，技術人員少；由于有履帶，能夠自由行走比較方便靈活。但是懸臂式排土機對下面的巖性要求較高，要求基地穩定，同時要求與下面采煤生產要相互協調，使得整個生產體系相對復雜。

將半連續工藝與懸臂式排土機工藝進行經濟對比分析。三采區年均巖石剝離量約為1530萬m3，懸臂式排土機工藝與半連續工藝二者相比，投資成本約差4050萬，運營費相差約380萬，最終的經濟效益大體一致，二者不存在很大差別。但是國外使用懸臂式排土工藝的國家非常少，設備生產廠家較少，所以損壞的零配件較難匹配更換，一旦設備需要檢修，會使得生產停滯；同時因為懸臂式排土機對覆巖環境有著較高的要求標準，當煤層厚度出現起伏時且遭遇施工地面不夠平整的情況，排棄困難就會顯著增加。因此對于13號煤層以上巖石的開采選擇半連續工藝，在提升經濟效益的同時也能提升系統的可靠程度。

3.3 煤層開采工藝

該礦的13號煤層為穩定全區可采煤層，其煤層均厚11.18m，建議選擇使用半連續工藝進行生產作業。依據煤層實際生產環境將13號煤層進行分層回采，按照臺階開展生產作業。選擇使用21m3液壓鏟進行裝煤作業，使用91t自卸汽車運輸，后由3500t/h半固定式破碎機破碎后，最終利用皮帶（帶寬1.5m，帶速4.5m/s）運至儲煤場。

4 結論

通過系統的技術經濟剖析研究，最終確定了以單斗挖掘機—自移式破碎機—轉載機—膠帶輸送機—排土機為主的生產工藝系統。在實際生產中，采用上述生產工藝系統，能夠有效保障礦井的正常生產，大幅降低了生產成本，提高礦井經濟效益，也為相似條件下礦井開采工藝的選擇提供參考。