西卓煤礦煤炭外運系統設計方案探討

陳 偉

(中煤西安設計工程有限責任公司，陜西 西安 710054)

0 引言

煤炭外運是煤礦生產過程重要環節，我國目前煤炭消費主要集中在華中、華南及華東地區，而煤炭生產主要集中在內蒙、陜西、新疆等西北地區[1-3]。中長距離煤炭運輸主要采用鐵路運輸，少部分采用河運或汽車運輸，目前國內運煤干線已經基本建設完成；對鐵路運輸而言，主要采用區域集裝站方式來集中一定區域內生產煤礦的來煤，集中進行鐵路裝車[4-6]。一般情況下，煤礦工業生產場地距裝車站還有一定距離，短途運輸方式中，鐵路、公路、帶式輸送機3種運輸方式各有利弊[7-10]。為此，以陜西關中地區西卓煤礦煤炭外運設計方案比選為例，充分闡述各種運輸方式的優缺點，選擇最合適的運輸方式，使煤礦生產運行效益達到最佳。

1 工程背景

西卓煤礦位于陜西省渭北石炭二疊紀煤田澄合礦區中深部，行政區劃屬合陽縣城關鎮和知堡鄉管轄，井田西距合陽縣城3 km，東西長8.8 km，南北寬7.1 km，井田面積約 34.94 km2。煤礦設計生產能力3.00 Mt/a，服務年限47 a，遠期服務年限58 a，移交生產時在工業場地布置3條井筒，井下采用單水平開拓，全井田共劃分為4個盤區。地面生產系統設2個φ25 m原煤筒倉(30 000 t)，一座動篩車間完成預先分級、揀雜、大塊破碎、分級準備等作業，6個7 m×7 m方倉(總容量1 560 t)存儲塊煤，8個7 m×7 m方倉(總容量22 400 t)存儲混煤，2個7 m×7 m方倉(總容量1 000 t)存儲矸石。

西卓煤礦于2021年建成，產品銷往重慶、湖北、江西等地，急需建設與之配套的鐵路專用線與國鐵網銜接，便于快速、便捷地將煤炭運往消費市場。西卓外運系統設計需滿足西卓煤礦和百良周邊煤礦煤炭外運的需要，保證地方煤礦生產的連續性，實現煤炭高效直達運輸，降低運輸成本、提高企業經濟效益，促進當地社會就業和經濟發展。

2 煤炭外運運輸方式的確定

2.1 運輸方式

經對項目外圍鐵路接軌站進行分析論證，確定鐵路外運接軌站為合陽北站。根據本項目的運輸規模、運至合陽北站的運輸距離和運輸條件等特點，結合國內已經建成的類似項目，應用較多的運輸方式有鐵路運輸、公路運輸、帶式輸送機運輸3種方式。公路運輸線路自西卓煤礦選煤廠出發，先向北至合陽縣東部運煤專用線，經運煤專用線向西至G108國道。再接入縣道X207，從縣道X207向西北方向進入荷寶高速出口快速干道，再從快速干道折向南進入規劃的鐵路集運站運煤專線到達合陽北站。鐵路運輸線路自西卓煤礦選煤廠引出向北，于知堡鄉北側下穿規劃的西韓城際鐵路，繼續向西上跨京昆高速公路，跨國道108、縣道X207，下穿在建高速公路連接線等道路后引入集運站。輸送機運輸線路以西卓煤礦選煤廠混煤倉西側2號轉載點為起點，合陽北站鐵路專用線煤炭集運站為終點，線路長約12 km。

2.2 運輸方式對比

運輸方式選擇主要在建設運營成本、環境保護、發展趨勢等方面。經綜合對比，本項目煤炭外運推薦采用帶式輸送機運輸方式。3種運輸方式綜合對比見表1。

表1 運輸方式綜合對比

3 輸送機運輸線路的確定

煤炭外運輸送線路起點為西卓選煤廠混煤倉西側轉載點，終點為合陽北站鐵路專用線煤炭集運站。根據項目周邊地形、縣城城市發展規劃、周邊煤礦的井田范圍，對南側線路和北側線路2條運輸線路進行綜合比較。

3.1 南側線路

自西卓選煤廠混煤倉西側轉載點接入，向西北向跨越西禹高速運輸約3 300 m，通過1 000 m轉彎半徑且跨越108國道，繼續向西南方向運輸約5 000 m，通過1 000 m轉彎半徑避開南張村至合陽北站東側耕地，線路全長10.5 km。此線路沿線多為耕地，地勢比較平坦，線路需要跨越西禹高速、108國道，距合陽縣城中心約3 600 m，距縣城北側最近點約1 700 m，沿線躲避白靈村、孟家莊村等幾個居民較多的村莊，緊臨黨家洼、西馬莊、南張莊等幾個居民較少的村莊，不涉及村莊搬遷。南側線路走向如圖1所示。

圖1 南側線路走向示意

3.2 北側線路

自西卓選煤廠混煤倉西側轉載點接入，向北(平行于合陽縣城規劃東側邊界線)運輸約1.6 km水平轉彎跨越規劃的西韓城際鐵路、西禹高速，再向西北側運輸約4.0 km跨越108國道，經水平轉彎后向西(平行于山陽煤礦井田邊界線)運輸約4.7 km至合陽北站集運站，線路全長12.3 km。該線路沿線地勢較為平坦，但需要跨越西韓城際鐵路、西禹高速、108國道，沿線多為耕地，線路從西卓煤礦起與知堡鄉、北知堡村、頂村、東馬莊村、中馬莊村、西馬莊村、南張莊村莊相鄰，不穿越村莊，不涉及村莊搬遷和拆遷，避開了合陽縣城的規劃，對山陽煤礦井田無壓覆，減少了線路征地的困難。北側線路走向如圖2所示。

圖2 北側線路走向示意

3.3 運輸線路的比選確定

對比南北2條運輸線路，南側線路較短，但是存在壓覆周邊煤礦井田與合陽縣城規劃相干涉等問題，北側線路雖線路較長，但線路避開了合陽縣城的規劃，對山陽煤礦井田無壓覆，減少了線路征地的困難。2條運輸線路綜合對比見表2。綜合分析，本項目煤炭外運系統確定采用北側線路運輸。

表2 運輸線路綜合對比

4 帶式輸送機運輸形式的確定

本項目運輸系統主要承擔將西卓煤礦產品煤運送至合陽北站集運站儲煤場接口處，利用集運站的儲煤、裝車系統進行火車外運任務。帶式輸送機作為國內常用的連續輸送設備，在大的分類結構上又分為普通帶式輸送機和管狀帶式輸送機2種形式。

4.1 普通帶式輸送機

普通帶式輸送機是現階段最為常見的連續運輸設備，在煤炭、港口、石化等行業應用非常普遍，具有連續輸送、輸送效率高、投資和運營費用省、環保節能等優勢，而且可對不可避免障礙物采取水平方向轉彎進行規避。普通帶式輸送機在長距離露天場合運輸時，一般有全封閉結構和半封閉結構2種形式。全封閉棧橋結構架空段采用鋼結構棧橋，落地段采用門市鋼架，封閉性較好但造價較高；半封閉維護僅在皮帶上增加鋼制皮帶罩，防雨防塵。長距離輸送機多采用半封閉簡易維護。半封閉結構斷面如圖3所示，全封閉結構斷面如圖4所示。

圖3 半封閉結構斷面

圖4 全封閉結構斷面

4.2 管狀帶式輸送機

我國于20世紀90年代引進管狀帶式輸送機，多用于輸送煤炭、糧食、水泥、紙漿及混凝土等塊狀與粉狀物料，具有輸送傾角大、曲率半徑小、機身橫截面積小、輸送帶不跑偏等優點，并且可進行三維空間彎曲輸送，實際應用中便于輸送線路布置、維護、管理。管狀帶式輸送機由尾部過渡段、管狀段、頭部過渡段3部分組成，其斷面結構如圖5所示。

圖5 管狀帶式輸送機結構斷面

4.3 運輸形式的確定

對比管狀帶式輸送機，普通帶式輸送機具有建設投資費用較低、運行功率小且費用低等優點，但考慮到本煤炭外運線路沿線基本為耕地，途徑多個村莊和道路，周圍自然條件對環境保護要求嚴格，因此從環境保護角度考慮，管狀帶式輸送機優勢明顯。普通帶式輸送機和管狀帶式輸送機綜合對比見表3。綜合分析，本煤炭外運系統確定采用管狀帶式輸送機進行物料輸送。

表3 普通帶式輸送機和管狀帶式輸送機綜合對比

5 管狀帶式輸送機計算選型

煤炭外運輸送線路總長度約12.3 km，根據現場實地探勘，輸送系統線路主要布置于耕地上，采用2條管狀帶式輸送機搭接方式完成整個煤炭運輸過程，中間設轉載點1座。

5.1 管狀帶式輸送機基本參數的確定

2條管狀帶式輸送機搭接完成12.3 km運輸距離，其輸送長度根據現場探勘情況可設置2條等長輸送機，即每條輸送機長度約6.2 km。按照西卓煤礦地面生產系統設計工作制度，即年工作330 d，每天2班生產，1班檢修，日工作16 h。不均衡系數按1.3考慮，根據計算，管狀帶式輸送機的輸送量圓整為Q=800 t/h。輸送系統輸送的物料為產品煤，按照產品組成，輸送的物料為混煤，最大粒度50 mm，綜合考慮產品煤粒度、輸送量，管徑選擇直徑350 mm。按照確定的輸送量和管徑，根據輸送機帶速計算公式，計算可得帶速約等于2.9 m/s，設計考慮到矸石粒度、裝滿系數、輸送帶強度等因素，取帶式輸送機速度V=3.15 m/s。

5.2 管狀帶式輸送機功率計算及設備選型

根據《帶式輸送機工程技術標準》(GB 50431—2020)關于管狀帶式輸送機計算方法，經計算單條管狀帶式輸送機驅動電機功率為4×630 kW。為了保證管狀帶式輸送機的啟動平穩可靠，設計對輸送機驅動裝置采用軟啟動驅動系統，對類似驅動功率的驅動裝置，當前主流形式主要有變頻電機+減速器、電動機+CST和永磁同步電機直驅等，設計選型考慮到經濟性、穩定性，選用變頻電機+減速器作為首選驅動裝置。

6 結語

煤炭運輸方式的選擇，對煤礦生產和運輸企業生產運營、生產成本和經濟效益有著巨大影響。結合項目所在地的地形、城市規劃、臨近井田壓覆、村莊位置、交通線路等多種因素，對3種運輸方式及確定帶式輸送機運輸方式后的輸送帶形式進行了充分比選，最終選用最符合項目實際生產的設計方案，為類似條件的項目設計提供了參考。