煤礦改擴建項目關鍵技術方案研究

文/張坤龍

（作者單位：冀中能源邢臺礦業集團工程有限責任公司）

（責任編輯：龐永厚）

近些年，項目的可行性研究在我國的各類投資管理領域得到了廣泛重視和應用，它是項目在前期階段的核心工作，對有效控制投資、確保科學決策具有重要作用。煤礦工程項目的可行性研究源于對煤礦工程建設項目的評價,對煤礦的工程建設及后續生產具有十分重要的意義。

內蒙古嘉信德煤礦改擴建項目，在建設初期除考慮采用露天開采外，也考慮過重新選擇該礦在合并之前就曾采用過的井巷式煤炭開采方式。但井巷式采煤方式存在著投入成本高、安全隱患多、開采效率低等多種不利因素，導致井巷式煤炭開采方式的經濟效益總體不如露天式開采方式。因此，在經過綜合考量后，本次煤礦改擴建項目的可行性方案選擇露天式開采方式。

一、開采工藝及開采方法

1.開采工藝分析

（1）開采工藝選擇遵循的原則。開采工藝的選擇首先應該全面考慮露天礦的自然條件，主要包括氣候條件、地形特點、煤巖性質和埋藏條件等因素，選擇適應本礦區地質賦存、氣候等條件的開采工藝技術及采、運、排設備。按照可持續發展的原則，考慮露天礦的規模和發展，確定合理的開采程序、采區劃分及其接續。此外，開采工藝的選擇還應遵循市場經濟原則，力求做到投資少、成本低和效益高，開采工藝及設備應盡可能地統一、可靠、通用，并實現社會化系列化。

（2）開采工藝選擇。根據開采工藝選擇所遵循的原則，結合嘉信德煤礦具體條件，可供選擇的開采工藝主要包括單斗—卡車工藝和半連續工藝。

單斗—卡車工藝具有生產靈活，不受地質巖性影響，方便管理的優點。采用的挖掘機和卡車相匹配。與其他開采工藝相比，汽車爬坡能力強，坡道短基建礦坑小，基建剝離量少，設備投資相對較少。不足之處是耗油量大，修理費用高，生產成本高。

半連續工藝分為半固定破碎機半連續開采工藝和自移式破碎機半連續工藝兩種工藝類型，這兩種半連續工藝都具有運輸成本低的優點，但是在空間布置上都較困難，且基建工程量成倍增加。這兩項工藝還具有投資大、維修成本高的缺點。

經上述比較，嘉信德煤礦規模較小，空間范圍狹窄，本次改擴建項目仍沿用礦區改擴建前所選用的單斗—卡車間斷式開采工藝。其他工藝由于技術上或投資成本的原因，均不適宜嘉信德煤礦現狀，故本次設計不予考慮。

2.剝離方式和采煤方法

（1）開采參數。剝離臺階最小工作平盤寬度由采掘帶寬度、爆堆伸出距離、工作面道路寬度和其他寬度等構成。由于煤層薄，按照最小工作平盤寬度構成要素計算將使采煤臺階最小工作平盤寬度小于剝離臺階，不盡合理（如爆堆伸出距離取值）。考慮剝離臺階與采煤臺階關系以及煤層頂板需要推土機（裝載機）清理，所以本項目最終將剝離臺階最小工作平盤寬度和采煤臺階最小工作平盤寬度設定為基本一致。

（2）剝離方式。將巖石剝離臺階按照水平分層后，進行穿孔爆破，然后按端工作面由挖掘機平裝車，汽車運輸至卸料場進行處理，最后端工作面到達端幫位置后回返，依此方法類推，直至煤層出露。因地形關系，可為非標準臺階，有高有低，但一般以臺階高度超過10m時另行分段，不足10m時仍為一剝離臺階，不能強求剝離臺階高度整體一致。

另外，局部地段由于地形關系無法布置正常的最小平盤寬度，可以按照倒堆作業方式剝離以減少平盤寬度。

（3）采煤方法。采煤臺階應為傾斜分層，臺階高度是煤層自然厚度，在形成最小工作平盤寬度后，首先清理出煤層頂板，沿頂板露煤，在頂板處使用液壓挖掘機從工作面坡面挖掘其暴露煤層直至露出底板，經轉載機堆集后由挖掘機裝載，最后由自卸卡車運輸。依此方法，剩余煤層間巖石依然采取下一煤層頂板露煤方式進行開采。

3.運輸系統

（1）運輸方式。嘉信德煤礦的運輸主要分為生產運輸和礦山輔助運輸兩大類，其中生產運輸主要是運輸剝離物和煤炭；礦山輔助運輸則包括燃料、水源、設備材料、爆破器材、通勤、消防、救護、檢修和礦山道路維護等，根據嘉信德露天礦的運輸物資情況，運輸方式可以采用自卸卡車—公路運輸。

（2）開拓運輸系統。嘉信德煤礦的運輸系統包括剝離物運輸系統和原煤運輸系統。其中土、巖石等剝離物采用自卸卡車由各自的運輸平臺、移動坑線和端幫運輸至內部垃圾場；開采出的原煤則由坑內采煤工作面通過坑線運到地面的儲煤場。

（3）運輸量。剝離和采煤運輸量根據開采進度以及達產年產量統計。

（4）礦山道路主要技術標準。根據嘉信德礦區交通量和道路密度，采礦道路和地面運輸道路可采用礦山三級公路標準，地面運輸干線則采用泥礫路面。隨著采礦工程的進展，工作面和聯絡道路需要進行平整和加固。

礦山三級道路標準設定主要包括幾個方面：路面寬度為采場及排土場道路12m；最大限坡為一般車輛坡度8%，重型卡車下坡路坡度7%；轉彎半徑為30m；豎曲線半徑為500m；會車視距為60m；停車視距為30m。

（5）礦山行車密度與道路通過能力。如果礦區某一區域的車輛行駛密度大于該區域的道路實際可通過能力時，該礦區就不能正常生產，而這一區域就是礦區運輸的咽喉部位。嘉信德煤礦在達產時共有1008×104m3剝離物需要運往外排土場進行排棄，其咽喉部位于出入溝口。

根據相關數據，首先計算出該出入溝口的行車密度N1，具體計算公式：

式中 Q為年運輸量，單位：噸；

K為不均衡系數，取1.10；

H為全年工作日，取330天；

q為汽車載重，單位：噸，取20；

K1為時間利用系數，取0.95；

K2為汽車載重利用系數，取1.00。

經計算，N1為142輛/小時。

再通過計算得出該出入溝口的實際通過能力N2，具體計算公式：

式中 K為車輛行駛不均衡系數，取0.6；

n為單向行車道路數，取0.5；

V為汽車在計算區域內的行駛速度，單位km/h，取20；

S為相鄰兩同向行駛汽車的距離，單位m。按路面視距取40m計算。

經計算，N2為150輛/h。

由于N2＞N1，所以該出入溝口車輛實際通過能力可以滿足平時礦區生產要求。

（6）道路養護和設備維護。道路養護工作的內容主要包括：及時清理汽車上掉落下的石塊等道路雜物；及時修復路基沉陷、路基缺口、損壞的擋墻和道路標志；邊坡小坍方或水溝阻塞后，必須及時清理排水；雨季前全面清通所有邊溝和排水溝；雨季中對出現的路面坑洼，按“強底薄面”的方法在基層內挖填，并用小石子修補；雨季結束時，將道路完全恢復為路面，同時增加磨損層；確保地面道路的線路工程良好，并在適當位置設置排水溝，及時排出地表水和道路區域水，保證路基穩定。

二、設備選型與數量

1.工藝設備選型

根據嘉信德煤礦開采工藝和開采方法的設計，即采用單斗—卡車間斷式開采工藝和外包租賃的生產運輸模式，結合我國當前各種設備的實際情況，設備選型以中小型設備為主。

（1）穿孔設備選型。從社會通用型號考慮選用KY100J型潛孔鉆機。

（2）采裝設備選型。考慮到嘉信德煤礦剝離量大、煤層薄的特點，剝離、采煤均選用1.6m3型液壓挖掘機。

（3）運輸設備選型。根據嘉信德露天礦年工程量和剝離設備的選擇，設計選用20t自卸卡車作為剝離物和原煤的主要運輸設備。

（4）排土設備選型。根據運輸設備噸位，選擇T-220型推土機（裝載機）。

2.設備能力及數量

（1）穿孔設備。根據巖石普氏系數和KY100J潛孔鉆機效率（巖石為60m/臺班、煤層為80m/臺班），計算可得巖石穿孔年效率為5.93×105m/a，煤層穿孔年效率為7.92×105m/a。

另外，延米數爆破量為26.1m3/m，取年度總剝離量的60%計算，則年需進尺為23.2×104m。

根據上述分析，可計算剝離需鉆機4臺，采煤需鉆機2臺，總共需鉆機6臺。

（2）采裝設備。本次項目改造選擇的剝離設備和采煤設備是1.6m3液壓挖掘機。

根據挖掘機臺班生產能力計算公式計算出本項目挖掘機需求數量，計算過程如下。

挖掘機臺班生產能力計算公式：

式中 E為挖掘機鏟斗容量，取1.6m3；

Km為挖掘機鏟斗裝滿系數，巖石取0.90，煤層取0.95；

T為每班作業時長，取8h；

ε為挖掘機利用率，巖石取0.50，煤層取0.60；

Ks為物料在挖掘機鏟斗中的松散系數，巖石取1.20，煤層取1.40；

t為挖掘機裝車單次循環時間，取30秒。

經計算，1.6m3液壓挖掘機的臺班生產能力：巖石挖掘為576m3/臺班，煤層挖掘為625m3/臺班。

根據計算，得出剝離需要挖掘機臺數為18臺，采煤需要挖掘機3臺，合計為21臺。采煤挖掘機如遇檢修可調用剝離挖掘機代替。

（3）薄煤層選采設備數量計算。由于嘉信德煤礦為多煤層薄煤層開采，煤層選采設備可利用1.6m3的挖掘機，按露天礦開采經驗，每個薄煤層配備1臺1.6m3挖掘機進行煤層選采。煤礦露天開采范圍內有三層薄煤層，總計選用3臺1.6m3挖掘機進行選采。

（4）主要采運排設備。運輸設備和輔助設備根據需要選取。主要采運排及輔助設備數量如表1所示。

表1 主要采運排及輔助設備數量表

三、小結

內蒙古嘉信德煤礦是冀中能源集團在內蒙古地區最重要的煤礦之一，煤礦所在區域的地質和自然條件相對簡單，煤炭資源儲量豐富且煤質好，煤礦開采技術條件比較成熟。礦區所在地區的供水充足，供電穩定可靠，交通十分便利，原礦區經過多年的生產和經營，生產隊伍擁有豐富的生產管理經驗和充足的人力資源配置。周邊礦區的建設和生產已有數十年時間，當地社會已經普遍適應了煤礦項目的運營。這些都十分有利于嘉信德煤礦改擴建項目的建設和實施。項目完成后，不但可以為地區創造可觀的就業機會，提高當地居民的收入水平，還可以優化地區產業結構，促進當地經濟發展。