塔尔煤田Ⅱ区块露天煤矿三期工程剥离工艺方案优化

刘英璐

（中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司，辽宁 沈阳110015）

巴基斯坦塔尔煤田共划分了13 个区块，作为中巴经济走廊框架下的塔尔煤田Ⅱ区块煤电一体化项目，一期工程3.80 Mt/a 露天煤矿及配套电站已于2019 年投入商业运营，这标志着巴基斯坦历史上首次利用国产煤发电。这对于燃煤发电在发电总量中占比偏低，且急需增加发电量、降低发电成本的巴基斯坦来说意义重大[1]。目前本项目二期工程7.6 Mt/a已经开始建设，且建设单位已经开始准备三期工程15.2 Mt/a 的前期工作。

开采工艺是影响露天矿开采成本的最重要因素，鉴于塔尔地区在露天矿建设初期没有可靠外部电源，故一期工程采用了柴油驱动的液压挖掘机＋自卸卡车的间断工艺（单斗-卡车工艺），目前二期工程仍采用与一期工程相同开采工艺及设备配置（7 m3级液压挖掘机＋载重60 t 自卸宽体卡车）。

单斗-卡车工艺技术成熟、机动灵活、运行可靠性高等优点对一期工程的快速建设发挥了至关重要作用。随着露天煤矿采出煤炭并供给电站发电后，该地区有了稳定的供电电源。三期工程建成后该矿将成为千万吨级露天矿，所以对其投产后的开采工艺，尤其是剥离工艺，有必要进一步的研究及优化，以求提高其装备水平、自动化程度及生产效率，降低开采成本，尤其是开展轮斗连续开采工艺在第四系松散层的应用可行性分析[2]，这也将是塔尔煤田其它区块露天煤矿后续开发和建设过程中所要研究的重点内容之一。

1 露天煤矿概况

1.1 塔尔Ⅱ区块露天煤矿煤岩条件

塔尔Ⅱ区块露天煤矿位于巴基斯坦信德省东南部塔尔沙漠境内的Tharparkar 地区，占地面积99.5 km2，矿区属干旱、半干旱的沙漠地貌。南部、西部和北部地形复杂，多为起伏较大的风成沙丘，中部和东部为较平坦沙漠区。

据地质资料介绍，露天矿区内的地层主要为大面积的第四系沙丘、第三系上新统河湖相冲积物、第三系古新统Bara 地层和先寒武系基底杂岩。物料岩石力学指标均较小，单轴抗压强度多在2 MPa 左右，属于软岩类物料，可直接采掘，不需爆破。

其中第四系沙丘层全区分布，岩性主要为细砂，为风成沉积物，黄灰色细砂为主，较松散，自然状态下强度较低，煤田剥离物强度低，抗压强度小于1 MPa，基岩抗压强度大部分在0.1～1.5 MPa，属松散易剥离层。因此在其它条件适宜时剥离应首选轮斗连续开采工艺[3]。第三系上新统和第三系古新统地层抗压强度为0.2～2.7 MPa，属软岩类剥离岩层。

可采煤层总平均厚度约为24.0 m，其中主要可采煤层共4 层：2-3、2-4、2-7、2-8 煤层，零星、局部可采煤层共4 层：1-1、1-2、2-1、2-2 煤层。

1．2 露天煤矿现状

Ⅱ区块露天煤矿一期工程3.8 Mt/a 已经建成并投入商业运行，其拉沟长度600 m，台阶高度12 m，开采深度约200 m，稳定帮坡角23°。二期工程7.6 Mt/a已开始建设，在一期工程基础上向北扩帮，总的拉沟长度延长至1 000 m。开采工艺与一期相同，剥离工程采用单斗-卡车工艺，主采设备配置为7 m3级液压挖掘机＋载重60 t 自卸宽体卡车。采煤工程为单斗-卡车-半移动式破碎站-带式输送机半连续工艺。

2 露天煤矿三期工程剥离工艺

2．1 三期工程剥离工艺原方案

根据建设单位的露天矿建设计划，三期工程将扩能至15.2 Mt/a，已委托咨询公司编制了三期工程可行性研究报告，根据该可研报告，计划在二期工程基础上，继续向北扩帮，总的工作线长度延至1 500 m，同时，为保证采煤工程正常开展，工作帮（西帮）同时也安排一定工程量。三期工程的剥离工程全矿仍采用单斗-卡车工艺，因扩能增加的工程量所需新增设备，选用型号稍大的12 m3级液压挖掘机＋载重100 t 级矿用自卸卡车，新购设备后，更新的7 m3液压挖掘机配载重60 t 自卸卡车主要用于上部松散土层及岩层，斗容12 m3液压挖掘机＋载重100 t 级矿用自卸卡车用于露天矿深部岩层剥离及采煤。三期工程建成后，可逐步实现内排[4]。

2．2 剥离工艺方案初选

开采工艺的选择是决定露天矿开采成本、经济效益的重要基础。在设计阶段，根据矿田煤层赋存情况、围岩特征、外排条件、动力及燃料价格等因素，常用的开采工艺有4 类：单斗-卡车开采工艺、单斗-卡车-破碎机＋带式输送机-排土机半连续开采工艺、轮斗连续开采工艺和拉斗铲倒堆开采工艺。

参考相关专题研究，除拉斗铲倒堆开采工艺不适用于本矿外，其它3 种开采工艺在技术上均适用于本项目。但综合考虑另外3 种工艺的相关经济指标，经计算与对比分析，认为单斗-卡车-破碎机＋带式输送机-排土机半连续开采工艺在设备初始投资及运营成本上均不够理想，且30 年生产期的投入NPV 值也较高，相比而言，单斗-卡车（宽体卡车）开采工艺的初始投资最低，轮斗连续开采工艺的运营成本最低，且30 年生产期的投入NPV 值也较低[5]。

结合矿山煤岩特性及轮斗连续开采工艺特点，主要针对扩能后上部松散层的剥离物是否可采用轮斗连续工艺进行论证分析[6]，并与纯单斗-卡车工艺进行对比，提出三期工程剥离工艺的优化方向。

3 剥离工艺比选

3．1 比选基础

3.1.1 轮斗工艺可投入时机

轮斗系统的布置应重点考虑其在同一开采区域的服务年限，尽量保证轮斗系统长时间地服务于同一开采区域的同一水平，避免设备“大搬家”或跨区域移设，以免降低设备效率，增加管理难度和费用支出[7]。

根据三期工程的开采进度计划，建设期第1 年（可研中计划为2021 年）完成剥离量为15.0 Mm3，第2 年完成剥离量为55.0 Mm3，第3 年完成剥离量为103.0 Mm3。鉴于轮斗及其配套设备的制造周期，露天矿最早可布置轮斗工艺进行剥离的年度为建设期第2 年。同时，根据各年度的开采工程位置，在三期工程建设期第2 年之前，采掘场为“L”形向北和向西2 个方向进行推进，第2 年开始反向北1 个方向推进，直至北部地表到界，第3 年开始整体向西推进。

如在建设期第2 年初布置轮斗系统进行剥离，根据采掘场台阶分布，轮斗系统工作线只能布置在采掘场的北侧台阶，台阶水平＋30 m。由于第2 年年底，采掘场北部到达设计境界，因此，第2 年布置的轮斗系统服务1 年后就需“设备搬家”，移设至西帮工作台阶，转向开采后排土机也需要从排土场的北部移设至南部，整个系统的移设工作将影响正常的剥离生产。另外，本矿储煤场位于露天采掘场的北侧，在北侧台阶布置的轮斗系统切断了运煤通路，增加了采煤的运距。

综上所述，本矿剥离布置轮斗系统的合理时间为三期工程建设期第3 年，轮斗工艺系统可服务于采掘场南部工作帮＋20 m 以上水平。三期工程建设期第3年轮斗作业范围示意图如图1。

图1 三期工程建设期第3 年轮斗作业范围示意图

3.1.2 轮斗系统生产能力及工艺布置

可研中单斗-卡车工艺方案，7 m3液压挖掘机配载重60 t 自卸卡车主要服务于上部土层及岩层，其完成工程量为56.66 Mm3，轮斗工艺可替代这部分工程量中松散层部分，同时这也是一期、二期工程投入的液压挖掘机与自卸卡车的设备更新时间。

拟选用的轮斗挖掘机生产能力为4 000 t/h[8]，根据当地气候及设备年工作时间，估算其年生产能力为6.50 Mm3，结合露天矿松散层厚度，可配置4 台该型号轮斗，分别服务于4 个作业水平，轮斗工艺部分每年可完成工程总量为26.0 Mm3。其中，考虑外排土场空间限制，排土机采用“二对一”的形式，即采用2 台排弃能力为8 000 t/h 的排土机共同进行排土作业。

3．2 工艺方案设备投资对比

1）设备数量及投资。2 种工艺方案主要设备配置情况见表1。除主采设备外还分别配有履带推土机、轮式推土机、洒水车、平地机、小型液压挖掘机、胶带移设机、履带运输车、小型服务卡车等辅助设备。基于2 种工艺方案设备配置、设备数量及设备价格，计算初始投资方案1 初始投资为111 985 万元，方案2 初始投资为439 m 万元，轮斗＋单斗卡车综合工艺设备投资要比纯单斗-卡车工艺高68 075 万元。

表1 2 种工艺方案主采设备配置情况

2）设备更新追加投资。纯单斗-卡车工艺设备初始投资虽较低，但其设备寿命相对轮斗工艺设备较短，其中7 m3液压挖掘机更新周期为10 年，60 t 自卸车更新周期为3 年。而轮斗设备系统服务年限可达20 年以上。故在考虑全矿服务年限前提下，纯单斗-卡车工艺后期要考虑设备更新而带来的追加投资。

3）基建工程量投资。因为轮斗工艺的设备布置特点，要求工作平盘宽度较大，故方案1 要为布置轮斗的工作台阶适当加大平盘宽度，以满足其作业及带式输送机布置要求。经估算，方案1 增加基建工程量3.28 Mm3，按三期工程建设的前2 年完成，平均每年为1.64 Mm3，结合一期工程现场施工成本数据，每年相应需增加矿建投资1 889 万元。

3．3 工艺方案成本

1）成本组成。轮斗＋单斗-卡车工艺主要成本构成：电力、燃油、轮胎、备品备件、设备维修、人工工资等。单斗-卡车工艺主要成本构成：燃油、轮胎、备品备件（含带式输送机）、设备维修、人工工资等。2种工艺方案的主要区别在于动力消耗，每套轮斗系统装机功率约7 000 kW；另外，采用轮斗工艺，每套轮斗系统作业人员每班只需8 人，可设置3 班，与纯单斗-卡车工艺方案相比会大幅缩减生产工人数量。当然，轮斗系统的操作人员需要专业的培训。

2）成本计算。根据现场一期工程单斗-卡车工艺的施工成本数据，计算单斗-卡车工艺完成年度工程量运营成本；根据轮斗制造厂家提供类似露天矿样本数据，计算轮斗工艺完成年度工程量的运营成本，方案1 年运营成本52 206 万元，方案2 年运营成本65 159 万元，方案1 比方案2 的年运营成本低12 953 万元。

3．4 剥离工艺方案综合比选

根据计算结果对比，采用轮斗工艺的投资要高于纯单斗卡车工艺，但年运营成本又大幅低于纯单斗卡车工艺，不能简单的下结论哪个工艺更优。故考虑更长的运营期内对2 种工艺方案的总投入NPV值，根据2 种工艺的设备配置、成本组成，对20 年内的主要设备投入及运营成本进行了NPV 计算[9]，折现率取10%，2 种工艺方案NPV 计算结果见表2。

表2 2 种工艺方案NPV 计算结果 万元

由表2 可知，Ⅱ区块露天煤矿进入三期工程的第8 年之前，选用轮斗工艺的投资及成本累计NPV值要大于纯单斗-卡车工艺；但从三期工程的第8年开始，轮斗工艺的累计NPV 值开始小于纯单斗-卡车工艺，也就是说，由于轮斗工艺的低运营成本，其优势逐渐体现出来，效益开始显现。另外，由于轮斗工艺的高度集成化、自动化，相比纯单斗-卡车工艺，降低了露天矿安全风险，同时减少劳动定员约350 人，大大提高了工人劳动效率。

4 结 语

根据露天煤矿现阶段建设情况及三期工程发展计划，对塔尔煤田Ⅱ区块露天煤矿上部表土松散层的剥离工艺方案进行了分析与对比，认为本项目配套电站已经发电，可考虑三期工程投产后，投入轮斗连续工艺替代部分单斗-卡车工艺，承担表土层的剥离工作，虽然初期投资较大，但能大幅降低露天矿生产成本，增加的投资可在8 年后收回，且能提升露天矿的装备水平，提高工人劳动效率，降低安全风险，利于露天矿管理，实现高产高效。同时，也能对塔尔煤田其它区块后续的开发建设，起到示范引领作用。