澳大利亞薄煤層選采技術探討

吳亞平，張克樹

(國家能源集團神華澳大利亞公司，北京 100011)

1 煤田概況

澳大利亞新南威爾士州中部的主煤種為長焰煤，部分為1/3焦煤和噴吹煤，煤層為近水平，煤層起伏不大，動力煤平均發熱量5308kcal/kg。上部煤層組大部適于露天開采，根據澳洲采礦經驗，該礦最小煤層和小夾矸選采厚度均為0.3m。圈定的露天礦境界內共有18個可采煤層組，31個分煤層，煤層總平均厚度14.31m，大部煤層厚度小于1.0m。露天礦內煤層厚度分布范圍統計結果見表1。

表1 不同最小選采厚度礦區內煤巖量及其厚度構成統計表

以上統計結果表明，該礦1.0m以下煤層占總量的41.82%，1.0～2.0m之間的煤層占總量的15.65%，2m及以上煤層占比為42.53%。

1.0m是我國非褐煤類露天礦的最小計量厚度[1]，而2.0m以下煤層厚度，根據澳洲煤炭行業的統計結果，低于此厚度的煤層爆破效率嚴重下降，即小于2.0m的煤臺階因為爆破效率太低而不進行穿孔爆破。

2 薄煤層選采工藝與設備選型

為充分說明薄煤層選采的工藝特點并最終科學確定最小選采厚度，需對薄煤層選采成本增加環節進行分析。

2.1 薄煤層選采成本增加環節

與厚煤層開采相比，薄煤層選采成本增加主要發生在運輸環節前[2]，從煤層裝車開始以后，二者的流程和成本構成項都是相同的。

首先，在穿爆環節，大于2m以上的煤巖混合臺階需要控制爆破[3]。

爆破的主要目的是破碎薄煤層間的大夾矸，其成本大部分劃歸為與剝離相關的成本，但為了保護薄煤層開采，在薄煤層頂板預留10～20cm的碎后夾矸，由薄煤層選采環節完成，因此，煤巖混合臺階爆破成本增加有部分是由薄煤層選采引起的[4]。

根據統計，該礦煤層頂板預留厚度占大夾矸平均厚度的比例為7.7%，取整到爆破成本的10.0%計入薄煤層選采的增加成本。

其次，就是在采掘環節成本增加。一是薄煤層選采需要的工作臺階寬度要比正常臺階寬，二是選采一般采用“分層扒皮”的方式進行，由于單次采掘層厚較小，影響薄煤層犁碎設備效率發揮，即此項成本的主要增加為煤層不爆破，需要在采掘前進行單獨犁碎這一環節內[5]。

再次，為臺階寬度增加導致工作幫坡角變緩。直接影響基建工程量和內排端幫運距。由于該礦煤層基本從上而下都有賦存，增加了基建量也同時增加了工程煤，因此，對該礦成本基本不影響。

內排端幫運距增加，因為剝采比的原因，帶來的噸煤成本增加是生產剝采比的倍數關系。根據該礦數據，其先期平均生產剝采比為4.8m3/t。即假如剝離成本增加1，則噸煤成本相應就會增加4.8。該礦選采臺階工作平盤寬度為100m，臺階高度一般小于15m，而正常采煤臺階平盤寬度為80m，臺階高度為15m。選采臺階比正常臺階寬20m[6]。采坑最深為115m，考慮煤臺階高度降低因素，剝離運量加權后總計增加93.5m。通常澳洲露天礦運距每增加100m，增加成本約為0.10AUD/t。折合到噸原煤成本增加為：0.09×4.8=0.43AUD/t。

2.2 薄煤層選采工藝與選采方法

目前在采礦界，已知的薄煤層選采工藝有：輪斗挖掘機切片式[7]、液壓反鏟采挖[8，9]、單斗挖掘機分層扒皮采挖[10]、前裝機采挖、推土機裂土器裂松、刨采煤機分層開采[11]、銑挖機銑松及以上兩種或多種工藝組合。

2.2.1 該礦選采工藝

根據澳洲經驗，該礦確定采用推土機裂土器裂松、“推土機聚堆+前裝機—卡車”綜合工藝方案進行薄煤層選采[12]。

推土機主要用于對煤層進行頂板預留夾矸清理、頂板精細化清掃、薄煤層犁松、聚堆和聚堆后煤層底板的清理工作，前裝機則將聚堆后的煤裝至卡車后運往儲煤場。

2.2.2 選采方法

前已述及，薄煤層選采不僅涉及到薄煤層本身，還涉及到煤層頂、底板處理和煤層內小夾矸以及煤層頂、底板的大夾矸處理。

該礦確定的煤層(也包括復合煤層，下同)內夾矸的選采厚度與煤層選采厚度一致，為0.3m，即煤層內≥0.3m的夾矸作為大夾矸單獨剔除；小于0.3m的夾矸則混入煤中，與煤一并采出。當煤層厚度小于2m時，不進行爆破，而是直接由推土機裂松后進行開采，煤層厚度大于2m時全部爆破[13]。

2.2.3 損失與混入的控制

煤層頂板損失厚度為0.075m；底板損失厚度為0.075m[14]。矸石頂板混入厚度為0.075m；底板混入厚度為0.05m。

2.2.4 開采控制

煤巖混合臺階松動爆破后，煤層選采過程為復合煤層內自上而下，順序分層采出?？刂票坪蟮膭冸x物已經松動，可以直接采裝。

2.2.5 選采效率

該礦確定選采用推土機為D10T，專門配備4臺推土機。1臺23m3前裝機用于聚堆后碎煤裝車[15]。

1)D10T基本參數：D10T多柄裂土器橫梁寬度為2.92m，多柄裂土器最大穿透深度為876mm，行進速度前進和后退均有三檔。為了計算推土機松煤產率，對以上基本參數進行設定，結果見表2。

表2 推土機裂松能力計算基本參數表

2)煤層厚度。擬進行產率計算的煤層厚度范圍為0.3～2.0m，按其各厚度值所占比例，計算的加權平均厚度為0.86m。在計算此范圍內的設備選采效率時，采用0.86m加權平均厚度值。

3)年度需要裂松的薄煤層量。根據前述計算結果，0.3～2.0m年最大需要選采的量為8.2Mt[16]。根據以上參數計算的本推土機臺年完成裂松煤量為6.68Mt，本文取整為6.7Mt。

4)裂松推土機數量。根據前述計算，該礦0.3～2.0m需要選采的薄煤層不均衡時極個別年份可能達到最大煤量為8.2Mt/a。根據統計數據，該礦首采區0.8m及以下煤層占2m以下煤層比例為58.8%，0.8～1.6m的煤層占2m以下煤層比例為29.4%，1.6～2.0m的煤層占比為11.8%。即按一次最大裂松厚度0.8m計算時，總的裂松量會有增加，增加比例為53%。當極端情況下2.0m以下煤層8.2Mt/a時，其裂松量為12.55Mt/a。按上述每臺D10T裂松能力6.7Mt計算，該礦2.0m以下煤層需要的推土機為：12.55÷6.7=1.87臺，取整為2臺。

5)煤層頂板巖石清理，頂、底板清掃，煤層中大夾矸的清理和聚堆，均由其他推土機完成。這些工作還需要2臺D10T推土機完成。即每臺裂松推土機配備1臺輔助推土機完成薄煤層聚堆前的所有工作。

綜上，該礦需要4臺D10T推土機進行煤層選采工作。聚堆后的原煤由1臺23m3的輪式前裝機進行裝載。

用推土機進行薄煤層選采，其效率會下降，根據計算，其下降最大幅度為62.5%，但僅限于與推土機一次最大裂松厚度不一致的薄煤層時的專門用于選采的推土機設備，不會影響到其他設備效率的正常發揮。

2.3 煤層回收率

煤層回收率與集中爆破效果、頂底板清理、裂松深度的準確性和前裝機聚堆及裝車時的煤炭丟失量相關，在這些造成煤層損失的因素中，一些是技術原因造成，另外一些是管理造成的。根據上述選采參數，該礦薄煤層的回收率在最薄0.3m時為50%，按平均厚度0.47m計算，1.0m厚度以下煤層總的平均回收率為68.0%。

3 薄煤層選采厚度的確定

3.1 薄煤層選采時碎后煤聚堆前直接成本

為了與2m以上厚煤層進行對比，本文剔除兩者成本相同部分，只進行成本不同部分的比較，即薄煤層完成聚堆前的所有工作對應厚煤層爆破完成時的工作，其各自所產生的直接成本[5]。

薄煤層選采差異部分直接成本由以下部分構成，參數選擇及計算結果見表3：

表3 裂松成本參數及計算結果表

頂板10～20cm預留的松動爆破后巖石，由推土機完成。

頂板精細化清掃，由推土機完成。薄煤層裂松，由推土機完成。薄煤層聚堆，由推土機完成。薄煤層底板清掃，由推土機完成。

考慮D10T購置費，10年折舊期，人工成本，定員和年裂松量等數據。

另外，該礦薄煤層均為與大夾矸合并的煤巖混合臺階，前已述及，爆破費用的10.0%作為薄煤層選采成本。

除薄煤層裂松外，還有薄煤層頂板清理、清掃、煤層底板清掃、碎后煤聚堆工作，這些工作還需要1臺D10T配合裂松推土機完成。其成本構成按與裂松推土機相同考慮。

3.2 薄煤層選采導致的成本增加

考慮煤層回收率，開采頂底板損失，該礦薄煤層選采厚度與成本增加的關系如圖1、圖2所示。

圖1 不同選采厚度時薄煤層選采成本增加額及增加幅度

圖2 不同選采厚度時薄煤層選采成本綜合對比

4 最小選采厚度的初步確定及最終最小選采厚度的確定

4.1 影響最小選采厚度的四個因素

以上僅分析了薄煤層選采和厚煤層爆破本身的直接成本及其差額對薄煤層選采的影響。

而薄煤層是否適合開采，在確定了不同選采厚度的時候，就確定了這一選采厚度以下的煤層都要從資源變為廢棄物排棄到排土場。這樣會給露天礦帶來兩個變化，一個是資源量變化，另外一個是生產剝采比變化。

當選采厚度變小時，資源量增加，生產剝采比下降，但采煤成本相對增加；當選采厚度增大時，資源量減少，采煤成本相對減少，生產剝采比增加。

這兩個因素的變化都會對煤層最小選采厚度的確定產生巨大影響。因為資源量減少時，相當于損失了資源的價值，而剝采比增加，導致剝離成本升高；相反，資源量增加，資源價值增加，剝采比減小，剝離成本減少。

因此，煤層最小選采厚度的確定除需要對比薄煤層選采本身的成本外，還需要考慮資源量變化因素和資源價值變化，同時還要考慮資源變為廢棄物而導致的剝離成本增加因素。這4個因素共同決定了薄煤層選采厚度的大小。

4.2 考慮三因素確定露天礦最小選采厚度

分析表3和圖2，橫軸與選采成本增加額曲線的交點處，即在選采厚度為0.61m處形成了分界點，這一分界點表明，小于0.61m選采厚度時(本文取整為0.7m)，薄煤層選采成本增加值高于因煤層損失使剝采比增加而導致的噸煤生產成本增加值，而大于等于0.7m選采厚度時，薄煤層因煤層損失使剝采比增加而導致的噸煤生產成本增加值高于薄煤層選采成本增加值。

即在選采厚度0.7m以上的負值區間，只考慮薄煤層選采本身、資源量變化和剝采比變化3個因素導致的成本變化，而不考慮第4個因素即薄煤層回收的資源價值因素時，就可得出確切結論，該礦最小選采厚度不得高于0.7m。也就是說，在這一選采厚度及以上，丟失的薄煤層變成廢棄物帶來的生產成本增加要高于這些薄煤層選采帶來的成本增加。這是該礦初步確定的最小選采厚度值[17]。

4.3 考慮四因素確定露天礦最終最小選采厚度

在考慮三因素時，0.7m選采厚度是合適的；對于0.7m以下的選采厚度，除了考慮上述3個因素外，還需要考慮第4個因素，即薄煤層選采后的價值增加來分析。

引入薄煤層產品煤附加值增加的概念，即：

附加值增加=產品煤售價-產品煤成本

綜合分析，考慮上述4因素對綜合成本的影響后，當該礦最小煤層選采厚度為0.3～0.6m時，其綜合成本高于該礦厚煤層的成本為1.42AUD/t～0.04AUD/t。

即最終最小選采厚度的確定要與其產品煤的增加值相關，當大于其成本增加值，則確定的選采厚度就是合理的，這樣從0.7m選采厚度再降低就是可能的。

對于該礦，按其煤種及時價(2020年10月Newcastle港離岸價)計算，最小選采厚度降低到0.3m是合適的。

5 結 論

1)在露天采礦界可用的選采工藝中，被澳洲眾多薄煤層露天礦所證實的薄煤層選采工藝技術在0.3m最小選采厚度時是可行的。

2)通過四因素法，從開采成本及資源價值的角度闡述了0.3m最小選采厚度在經濟上是合理性的。

3)露天礦0.3m最小煤層選采厚度的可用性具有較強的現實意義，因為，這事關煤炭資源的回收和排棄物中包含的煤量，而排棄物中的煤含量將直接影響排土場的可燃點。因此，對于薄煤層選采這一現實問題，可以在我國適宜的露天礦進行有益探索，以為提升我國薄煤層選采技術做出有益嘗試。

4)0.3m最小選采厚度的確定具有四因素的前提條件，其理論具有普遍性，但具體參數選取與露天礦的特定賦存狀態相關。在應用時必須充分考慮具體露天礦的特殊性。