我國露天煤礦拉斗鏟倒堆工藝應用綜述

孫健東，張瑞新，程 鵬，唐曉騫，王 韜，徐鐘馗，郭 培

(1.華北科技學院，河北 三河 065201；2.中國礦業大學(北京) 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，北京 100083；3.神華準能科學技術研究院，內蒙古 鄂爾多斯 010399；4.神華準能黑岱溝露天礦，內蒙古 鄂爾多斯 010399)

拉斗鏟倒堆工藝在國外露天煤礦中占有極其重要的地位，目前世界上采用拉斗鏟倒堆工藝的露天煤礦產量約占世界煤炭總產量的30%～60%[1，2]。受國民經濟、裝備制造能力、采礦理念、管理水平等各方面因素的制約，我國拉斗鏟倒堆工藝應用較晚，2007年神華集團準格爾能源公司黑岱溝露天煤礦首次應用了拋擲“爆破—拉斗鏟倒堆”工藝，取得了一定的經濟效益。

盡管相關高校及設計院針對國內主要大型露天礦山優化設計中都推薦使用拉斗鏟倒堆工藝，但由于拉斗鏟倒堆工藝設備投資過高、部分學者及一線人員對其應用的合理性仍存在一定爭議等諸多原因，神準哈爾烏素露天礦、神延西灣露天礦、神華寶日希勒等諸多具備采用拉斗鏟倒堆工藝應用條件的大型露天礦都未選擇該工藝方案。作為與神準黑岱溝露天礦同一集團下的特大型露天礦山，其工藝選用決策在一定程度上影響了國內其他礦山引入拉斗鏟倒堆工藝的信心，進而造成目前拉斗鏟倒堆工藝在國內難以推廣的境遇。

考慮到拉斗鏟倒堆工藝作為世界露天開采主流工藝、在國外普遍成功應用的事實情況，必須探討國內拉斗鏟倒堆工藝在優化設計方法、生產組織管理、維護檢修水平等方面與國外存在的差距，作者通過整理近五年的研究工作及現場技術人員十余年的實踐經驗，總結黑岱溝露天礦拉斗鏟倒堆工藝應用時遇到的問題，探討可行的解決方法，明確未來重點研究方向，在確保礦山原煤產量的前提下提高拉斗鏟倒堆工藝系統效率，進而為拉斗鏟倒堆工藝的研究、應用及推廣提供參考。

1 國內拉斗鏟倒堆工藝應用情況概述

拉斗鏟倒堆工藝要求煤層近水平或緩傾斜賦存，煤層結構簡單、數量不宜過多，煤田儲量豐富，有足夠面積安排工作線以發揮設備能力[3]，從工藝應用的要求來看，我國相當多的大型煤田具備采用拉斗鏟倒堆工藝的基本條件，諸多礦區開展過拉斗鏟倒堆開采工藝應用的可行性研究，例如中煤科工集團沈陽設計研究院針對勝利一號露天煤礦、魯能寶清朝陽露天煤礦、黑岱溝露天煤礦、哈爾烏素露天煤礦的設計研究，內蒙古煤炭設計院針對寶日希勒露天礦改擴建設計研究[4]，另外，國內學者還針對白音華二號露天礦[5，6]、安太堡露天礦[7]、武家塔露天煤礦[8]等礦山應用拉斗鏟倒堆工藝的可行性進行了分析，上述研究成果均認為：相同開采規模條件下，拉斗鏟倒堆工藝的經濟效益遠遠優于其他開采工藝，我國神府東勝煤田、準格爾煤田、勝利煤田、寶日希勒煤田、伊敏煤田等，都有適用該工藝的可能性[9]。

2007年神華準能黑岱溝礦首次應用了拉斗鏟倒堆工藝，該礦6號煤層頂板以上約35～55m厚的巖石經拋擲爆破后，由BE 8750-65型拉斗鏟進行倒堆。黑岱溝露天礦應用了以拋擲爆破、拉斗鏟倒堆為主的聯合開采工藝以后，成為目前我國已經建成的規模最大、效率最高的現代化露天煤礦[10]。

黑岱溝露天礦采場劃分為倒堆作業區與采煤作業區兩個采區，拉斗鏟與原煤開采設備分別從中部向兩端推進，運煤通道設置于采場中部。當采煤作業區進行原煤開采時，其上部高臺階提前進行穿孔作業，原煤開采完畢后即可進行拋擲爆破，工作線每推進一幅需要進行4次拋擲爆破，每區2次。當兩個采區分別完成倒堆作業與原煤回采作業后，倒堆與采煤設備互換采區，拉斗鏟繞排土場及中部入溝通道進入另一采區。

黑岱溝露天礦于2017年上半年轉入二采區作業，原煤回采工作線長度增加至2300m，由于采場南端幫為哈爾烏素露臺礦排土場、哈爾烏素設備調入黑岱溝作業、拉斗鏟能力不足等諸多原因，南部500m左右長度的工作線采用“單斗—卡車”工藝作業；同時，為保證南北倒堆區開拓運輸系統接續的穩定性，正對中間溝垂直段約150～200m的工作面區域由“單斗—卡車”替代拉斗鏟剝離作業，如圖1所示。

2 當前主要存在的問題分析

拉斗鏟倒堆工藝在我國投入應用的時間僅10余年，應用案例也局限于黑岱溝露天礦一家，引進數量也僅一臺，因此在生產組織管理、設備維護檢修、工藝優化設計等方面尚有較大的提升空間。根據黑岱溝露天煤礦的近10年的實踐經驗顯示，當前存在的問題具體如下：

2.1 倒堆系統作業效率低下、成本偏高

2003年我國黑岱溝露天礦設計規模為20Mt/a，受市場環境變化影響，實際原煤產量逐年增加，2007年改擴建后設計規模達到25Mt/a，2010年擴能至29Mt/a，2012年達到31Mt/a，2016年則達到了34Mt/a。根據澳大利亞實踐經驗，拉斗鏟的型號及數量應與原煤產量、賦存條件、工作線長度等參數相匹配[11]，然而黑岱溝露天礦在提高原煤生產目標時并未考慮到上述因素，導致拉斗鏟倒堆工藝的優勢在剝離強度不斷增大的情況下逐漸降低，目前已經成為黑岱溝露天礦綜合開采工藝的瓶頸環節[12]。根據2016—2017年生產成本統計數據估算，當前倒堆系統作業單位直接成本(涵蓋材料費、水電費、維修、工資勞務及相關生產車輛費等，不考慮折舊)約為9.7 元/m3，如利用單斗-卡車完全替代拉斗鏟作業，單位成本約為12 元/m3，即同等條件下，黑岱溝露天礦倒堆系統作業成本約為單斗-卡車的80%左右，遠高于國外水平(美國、澳大利亞實踐經驗數據為50%～60%，俄羅斯近年來實踐經驗數據約為28%～40%[13-15])。

圖1 黑岱溝當前采場示意圖

造成這一情況的主要原因為：黑岱溝露天礦所采用的綜合開采系統整體上呈串聯結構，所有工藝環節都應至少達到原煤開采的平均推進速度，否則將無法完成預定原煤產量。而單臺拉斗鏟作業能力有限，為了保證拉斗鏟的推進速度，不得不降低其站立水平以減少爆堆下分層的截面積，進而導致倒堆系統作業效率的不斷降低、成本不斷增加，具體體現在：

1)為彌補拉斗鏟生產能力的不足，爆堆上分層由1臺WK-55、3臺930E卡車輔助剝離，物料主要用于拓展拉斗鏟站立臺階寬度，年作業量高達1300 萬m3左右，作業成本高達1.5 億元/a(作業成本超過12 元/m3)，而有效作業量僅為500～700 萬m3左右，剩余物料需要重新倒堆，見表1。

表1 近4年倒堆系統作業量分析

2)待挖掘物料的形態發生變化，拉斗鏟裝載效率降低；拉斗鏟推進速度加快，走鏟變得極為頻繁，以拉斗鏟周期推進50m計算，每周期設立挖掘機位5個，則一周期需要輔助設備配合5次[16]，根據生產經驗總走鏟時間(司機指引時間+推土機平整工作面時間+前裝機移設電纜時間+拉斗鏟走行時間)至少需要2h以上。則工作線每推進一幅需要花費80h、全年至少花費360h用于工作面走鏟。對輔助設備配合水平的要求較高，嚴重縮短了拉斗鏟實際倒堆作業時間(詳見2.2節)。

3)為減少倒堆系統所承擔的總作業量，不得不降低拋擲爆破臺階高度，從而導致有效拋擲率的降低。根據爆堆曲線的統計結果顯示，在44～55m范圍內，拋擲爆破臺階高度每降低1m，有效拋擲率降低0.2%；在36～44m范圍內，有效拋擲率以0.4%/m遞減。當前黑岱溝露天礦拋擲爆破臺階平均高度約為40m，與50m相比有效拋擲率約降低了3%，即增加倒堆系統近100萬m3的作業量，額外付出剝離成本近1000 萬元。

4)隨著站立臺階高度的降低，拉斗鏟在單位推進距離內作業量不斷減少，但為拉斗鏟在全工作線范圍內構筑平盤所需的輔助工程量卻不減反增，降低了倒堆系統整體的經濟效益。例如2016—2017年拉斗鏟生產能力為1680 萬m3，其中超過500 萬m3作業量為二次倒堆量，僅此一項所花費成本高達5000 萬元。

綜上所述，當前系統效率低下與成本偏高的根本原因在于：單臺拉斗鏟的生產能力無法滿足當前全工作線倒堆作業的需求，整個倒堆系統的各環節都在很大程度上犧牲了成本與效率以保證拉斗鏟推進速度。

2.2 拉斗鏟生產能力嚴重偏低

根據Mining Intelligence & Benchmarking(以下簡稱MIB)針世界范圍內大型拉斗鏟應用情況的統計數據顯示[17]，拉斗鏟單位額定載荷的生產能力的高級實踐水平約達10.6 萬m3/t(實方)，低級實踐水平約達6.6 萬m3/t(實方)。例如澳大利亞Goonyella露天煤礦應用的Marion 8050型拉斗鏟(額定載荷150t)平均年能力約為1600 萬m3，BE 1370型拉斗鏟(額定載荷140t)平均年能力約為1500 萬m3 [18]，均達到了較高實踐水平。

因此理論上黑岱溝應用的BE 8750-65型拉斗鏟(額定載荷267t)生產能力至少應達到1760～2830 萬m3/a，然而根據現場統計數據，近年來拉斗鏟年生產能力不斷下降(如圖2所示)，根據推算，其單位額定載荷也從2008年的8.1萬m3/t已經下降至當前的6.29萬m3/t。2017拉斗鏟倒堆作業總量約為1680 萬m3，僅達MIB數據庫高級實踐水平的59.34%，低級實踐水平的95%：拉斗鏟生產能力嚴重偏低的主要原因在于以下幾個方面：

圖2 拉斗鏟歷年剝離總量(含拓展臺階倒堆作業量)

2.2.1 拉斗鏟實動率偏低

拉斗鏟計劃生產時間主要由倒堆作業時間、計劃內檢修時間、計劃外檢修時間三部分組成。實動率為倒堆作業時間占計劃生產時間的比重，反映了設備維護檢修水平及生產組織管理能力。國外應用拉斗鏟水平較高的露天礦山中，拉斗鏟計劃生產時間一般超過8700h/a，倒堆作業時間普遍為7000～8000h，實動率保持在0.83～0.93之間[19]，拉斗鏟檢修時間的高級實踐水平約為1.8h/d(650h/a)，平均實踐水平約為3.6h/d(1314h/a)，詳見表2。然而根據黑岱溝露天礦統計數據顯示，2014—2016年拉斗鏟年平均倒堆作業時間為5860h，約達MIB數據庫平均水平的75%，計劃內檢修時間4h/d(1460h/a)，計劃外檢修時間2.7h/d(1004h/a)，拉斗鏟平均檢修時間達6.75h/d(2464h/a)，是MIB數據庫平均水平的1.7～3倍。

表2 各型號拉斗鏟作業時間組成統計

注：數據來源于MIB拉斗鏟運行數據庫，倒堆作業時間根據實動率及內外障時間計算得出。

2.2.2 倒堆作業時間有效利用率及小時效率偏低

拉斗鏟倒堆作業時間主要由實際倒堆時間、程序延遲時間組成，其中程序延遲時間指等待推土機清理工作面、前裝機拖移電纜、工作面走鏟或跨區移設等工藝程序耗費時間。倒堆作業時間有效利用率指實際倒堆作業時間占總倒堆作業時間的比重，反映了現場生產組織管理能力，根據國外經驗取值一般為0.8～0.9。而根據黑岱溝2014—2016年統計數據，拉斗鏟實際倒堆作業時間約為4600h，程序延遲時間約為1400h，倒堆作業時間有效利用率僅為0.76。

按照拉斗鏟倒堆作業時間7000～7500h、有效利用率為0.85，對國外拉斗鏟作業效率進行估算，可得拉斗鏟單位額定載荷的小時效率應在16m3/t附近，因此BE 8750-65型號拉斗鏟小時效率應達到4300m3/h，而根據統計數據，黑岱溝拉斗鏟平均小時效率僅能達到3900m3/h(該數據未計入刷幫作業)，約達MIB數據庫平均水平的90%。

綜上所述，黑岱溝應用的拉斗鏟在倒堆作業時間、小時效率、倒堆作業時間有效利用率三個關鍵指標上均低于國外平均水平，最終導致其年生產能力嚴重偏低，主要原因一方面是設備維護檢修水平落后，另一方面是現行開采設計方案中，拉斗鏟頻繁走行，需要輔助設備持續配合工作，增加了生產組織管理的難度。

3 工藝優化方向及重點研究問題分析

3.1 拉斗鏟倒堆綜合開采工藝設計案優化

3.1.1 國內外應用條件對比分析

對比國外拉斗鏟應用情況，采用拉斗鏟倒堆工藝的千萬噸級先進露天礦山普遍具有“多臺拉斗鏟、長工作線(單鏟工作線4km以上)、多個采區、多煤層回采面”等特點，例如澳大利亞古涅拉、美國北安特魯浦-羅切斯特、黑雷、羅喬露天礦等(詳見表3)。從大量國外實踐經驗中可以總結得到：拉斗鏟作為移動緩慢、對作業條件苛刻的超大型機械設備，更適宜在固定位置長時間持續作業，因此應盡可能為其創造合理的作業條件和運行狀態，確保設備始終處于“挖—轉—排—返”狀態中，從而最大程度上發揮拉斗鏟能力大、成本低的優勢。國外的生產條件可充分保證礦山工程接續的穩定性，拉斗鏟推進速度低，單位區域范圍內作業量大，極其有利于拉斗鏟生產能力的發揮

表3 世界大型露天煤礦山應用拉斗鏟情況[20]

注：總倒堆工作線長度、拉斗鏟數量等數據部分來源于google earth衛星影像。

然而我國黑岱溝露天礦的特點是“高推進強度(約350～400m/a)、單臺拉斗鏟、單個采區、窄工作線(約2km)”，這種條件下實現30Mt以上年產量的案例在世界露天開采領域內也是從未有過的。拉斗鏟必須保證極高的推進速度，無法在固定位置長時間持續作業，極其不利于拉斗鏟效率的發揮，甚至會降低礦山整各綜合開采工藝系統的效率與穩定性，因此不能照搬歐美常規設計思想對黑岱溝露天礦山進行優化設計。

3.1.2 拉斗鏟短工作線作業方式研究

當前國內針對黑岱溝露天礦拉斗鏟倒堆工藝的優化研究工作中，基本全部是在默認維持當前拉斗鏟全工作線開采方案前提下，以工作面參數優化為切入點提升拉斗鏟的效率[21，22]，未認識到問題的根源，因此優化收益普遍不顯著。一般而言，從降低拉斗鏟端幫剝離作業量、拉斗鏟入溝開切口工程量、運煤通道工程量所占比例等因素考慮，倒堆工作線長度越長越好。但在黑岱溝當前高推進強度條件下，單臺拉斗鏟生產能力已經嚴重不足，為維持全工作線倒堆設計方案，倒堆系統各個環節的效率低下、成本偏高，拉斗鏟頻繁走行，效率偏低，最終導致拉斗鏟倒堆工藝在生產能力與作業成本上的優勢大幅度降低。因此，必須對拉斗鏟短工作線分區倒堆作業方案的可行性進行探討，如圖3所示。

圖3 倒堆綜合開采工藝采場分區方案

3.1.3 拉斗鏟倒堆作業方式及倒堆程序優化設計

根據拉斗鏟的站立位置及工作面形態，可將拉斗鏟倒堆作業方式劃分為“站立于工作面、站立于連通排土場的工作面”兩大類，如圖4所示。當前黑岱溝露天礦應用的作業方式為拉斗鏟站立于工作面作業(圖4b)，該種作業方式的缺陷是受限于拉斗鏟站立位置，排土空間不足，當拋爆曲線中段較低時，拓展平盤量及二次倒堆量較高。

拉斗鏟站立于連通排土場的工作面是北安特魯浦-羅切斯特、黑雷、羅喬等大型露天礦山的主要倒堆作業方式，該種作業方式排土空間充足，為提高拋擲臺階高度、提高有效拋擲率創造了必要的條件。根據澳大利亞實踐案例顯示，較好的拋擲爆破效果條件下幾乎不需要拓展拉斗鏟站立臺階[23]。同時，該種作業方式在排土場一側留下拉斗鏟走行通道(圖4c)，拉斗鏟不需要出溝通道即可實現采區調鏟，極大簡化了采場的設計，因此設計中應重點考慮該種作業方式，以倒堆系統總成本最小為優化目標，針對作業中心線及走行路線設計、挖掘-排棄位置、拋爆-倒堆工作面參數設計等問題開展研究。

圖4 拉斗鏟倒堆作業方式示意圖

拉斗鏟短工作線單區倒堆作業時，還需要針對拉斗鏟倒堆作業程序、與拋擲爆破、原煤回采等前后環節的接續方式等問題進行研究，以成本及系統可靠性為優化目標，確定合理的拉斗鏟開采程序。

3.2 設計、施工管理與設備維護檢修的信息化

3.2.1 設計與施工管理的信息化

當前國內在拉斗鏟施工設計時，科研機構研究手段主要停留在平剖面設計層次，以相對理想化的工程條件對工藝進行籠統設計；現場技術部門參考科研機構優化結果，以原煤產量為核心目標、以采幅為單位對階段工程量、工程時間進行估算；而實際施工過程中主要依靠工人結合具體工程條件，根據經驗開展現場施工。設計、管理、施工三個層面并未實現緊密結合，尚未實現多環節協調配合任務的超前規劃，因此一線管理者的組織協調任務較為艱巨。

相比之下，近三十年來國外在露天開采裝備智能化領域發展迅速，基于毫米波雷達、激光雷達的數字地形測繪與建模[24，25]等先進的信息化手段已經應用到拉斗鏟倒堆作業中，輔以成熟的工藝優化設計軟件[26]，實現了拉斗鏟倒堆工藝設計與施工全過程的的精細化管控。以美國及澳大利亞露天礦山廣泛應用的MineWare拉斗鏟輔助作業軟硬件系統為例[27]，系統可實現以下功能：作業環境全天候實時建模、基于實景的開采方案設計、作業工況條件與設計方案比對、挖掘-排棄位置自動優化、三維可視化交互、歷史作業數據分析等等。生產過程中，設計人員首先根據采場實景開展施工方案的半自動化設計，然后系統將精確到機位的施工計劃直接推送至拉斗鏟及輔助設備的顯示屏，為操作人員提供可視化的作業智能引導，同時系統實時采集設備作業全過程參數并對設備操作情況給予評價，實現操作人員的績效考核。在設計與施工實現信息化的基礎上，基于虛擬現實技術、激光傳感器、陀螺儀以及PLC控制等技術的拉斗鏟自動作業系統也在礦山投入了應用[28-31]，使得拉斗鏟“挖—轉—排—返”每一個環節的機動動作的效率都得到了極大的提升，進一步提高了拉斗鏟的單機效率。

3.2.2 設備維護檢修的信息化

大型的設備維護檢修工作是現代化露天礦山生產中的關注的重要問題之一，當前國內露天礦山仍主要延續前蘇聯“計劃預修”的設備管理體制，即按預定的計劃周期而進行的一系列預防性修理，其最大的缺點是由于注重預防維修，往往出現設備劣化程度尚未達到該修理的程度，出現過剩維修現象[32]，占用設備作業時間。例如黑岱溝露天礦拉斗鏟計劃內檢修時間高達1460h/a，是國外平均水平的5倍多，然而計劃外檢修時間(主要為故障時間)卻仍超過了1000h/a，是國外平均水平的1.5倍。該問題一方面反映了當前檢修技術及效率偏低，另一方面也反映了對設備狀態掌控、故障預測能力不足。

當前國外先進礦山已經廣泛應用以預知維修理論、決策理論以及可靠性理論為指導的現代化的設備維修方法，以拉斗鏟海量運行參數為基礎，根據參數實時監控及仿真預測，動態合理安排維修計劃，強調維修的針對性、時效性與經濟性。同時，以信息采集技術、設備運行及維修管理技術和智能化故障診斷技術為代表的設備綜合信息化維修技術已經在國外拉斗鏟設備上實現了成熟的應用。例如MineWare公司在澳大利亞布里斯班建立的綜合支持中心(Integrated Support Centre)，可全天候遠程監測全球運行的60余臺拉斗鏟。當前投入使用的第4代拉斗鏟監控系統已經集成了結構應力監測，所獲取的大量數據用于機械疲勞及可靠性分析，進而作為設備維檢計劃的重要依據。實踐表明，該套系統可提高拉斗鏟挖掘效率17%、縮短周期及擺動時間12%、縮短裝載時間5%，降低設備應力9%，提高拉斗鏟生產能力12%以上。

綜上所述，國外拉斗鏟倒堆工藝所取得的顯著經濟效益很大程度上得益于其先進的信息化管理水平。當前國內在拉斗鏟倒堆工藝設計、施工管理與設備維護檢修的信息化水平上與國外尚有極大的差距，因此上述內容也是國內拉斗鏟倒堆工藝乃至整個露天開采工藝的重點研究方向。

4 結 論

研究通過對比分析國內外拉斗鏟倒堆工藝應用情況，得到以下結論：

1)當前國內拉斗鏟倒堆工藝主要問題為：倒堆系統作業效率低下、成本遠高于國外水平；拉斗鏟生產能力嚴重偏低，僅達國外高級實踐水平的59.34%，低級實踐水平的95%。其主要原因在于：倒堆開采工藝設計不合理、設備維護檢修及生產組織管理水平落后。

2)總結國外拉斗鏟應用情況，采用拉斗鏟倒堆工藝的千萬噸級先進露天煤礦山普遍具有“多臺拉斗鏟、長工作線、多采區、多煤層回采面”等特點，“高推進強度、單臺拉斗鏟、單個采區、窄工作線”條件下實現30Mt以上的原煤年產量在世界露天開采領域內也是從未有過的，因此國內在拉斗鏟倒堆工藝優化設計時不能直接照搬國外應用實踐經驗。

3)當前黑岱溝露天礦拉斗鏟生產能力無法滿足全工作線倒堆作業的需求，必須針對“拋擲爆破—拉斗鏟倒堆”工藝與“松動爆破—單斗—卡車”工藝的分區開采方案的可行性進行研究，具體研究內容包括分區開采方案設計、拉斗鏟倒堆作業方式及倒堆程序優化設計。

4)國內在拉斗鏟倒堆工藝設計、施工管理與設備維護檢修的信息化水平上與國外有著極大的差距，提高設計、開采過程的信息化程度將是未來拉斗鏟倒堆綜合開采工藝的重點研究方向。