露天矿轮斗连续系统移设布置时空优化研究

马婧佳，张灵童

(中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司，辽宁 沈阳 110015)

连续开采工艺具有效率高、消耗低、工作安全、节省劳动力、保护环境、易于实现自动化等优点，得到了广泛的应用。系统移设主要是对系统中带式输送机进行移设，包含机头驱动站、过渡桥、尾站、中间架等[1]。扎哈淖尔露天矿轮斗连续系统2014年投入生产，布置于露天矿最上部开采松散层。目前有关轮斗连续系统的研究主要针对工作面带式输送机移设方式以及轮斗连续系统能力等方面，孙进步等通过增加移设设备缩短移设时间提高系统能力[2]，孙国敏研究带式输送机方式及移设过程[3]，潘博等通过调整作业参数减少移设次数提高系统能力[4]，王文忠和王世文对小龙潭连续工艺能力制约因素进行分析提出改进思路[5，6]，李亮盼和张文英等针对黑岱沟露天矿轮斗挖掘机系统使用现状提出改进思路[7，8]，王晨光研究了元宝山连续工艺的应用和改进[9]，彭世济对连续工艺系统可靠性进行研究[10]，王学中研究了黑岱沟连续工艺系统的能力确定[11]，王东旭针对扎哈淖尔露天矿半连续系统移设方案进行了平面空间布置方式的研究[12]。对于轮斗连续系统空间布置方面的研究较少，移设布置时空优化对轮斗连续系统能力发挥影响较大，有必要进行此方面的研究。

1 项目概况

1.1 矿山开采条件

扎哈淖尔露天矿为大型生产露天矿，生产规模为18.0Mt/a，属霍林河煤田二号露天采区，矿区的自然气候特点表现为干旱、风沙大、冬季严寒、冻结期长等。地形平坦，矿区内地层可大致分为上部松散层、中部岩石层和煤层，上部松散层主要由第四系和第三系松散土层组成。露天开采范围内松散层平均厚度68m，由东至西，厚度渐大，东部仅20～30m，西部平均厚度70m左右，最厚处大于80m，松散层抗压强度为2.94～7.06MPa，松散层底板近水平赋存，正常情况下可使用轮斗进行开采。

露天矿境界范围内松散层内部包含三个含水层，即第四系全新、上更新统(Q3+4)含砾细砂含水层；中下更新统(Q1+2)砂砾石含水层；第三系上新统(N12)砂砾石(泥砾)含水层。

1.2 系统作业条件

轮斗连续系统由轮斗挖掘机、带式输送机和排土机组成。地面胶带机由5条胶带组成，分别为L114采掘工作帮单面平行可移设胶带、L118排土工作面双面扇形可移设胶带、L115、L116、L117三条半固定式胶带组成。系统总长度7.3km，胶带宽度2m，带速5m/s。轮斗挖掘机采用端工作面方式采掘，采用单一主台阶，可利用连接桥形成两采一移。每年1—3月份轮斗连续系统停止作业。现每年实际可完成剥离量5.0mm3。

对轮斗作业区域产生影响的含水层为第四系全新、上更新统(Q3+4)含砾细砂含水层，岩性以浅黄色细砂为主，含少量小砾石。地下水位埋深一般2～10m，含水层厚度25m，为孔隙潜水。

现有系统可移设胶带L114沿着L115胶带以矩形方式向北移设推进。2018年8月，L114已推进至L115带式输送机提升段及地表境界处，继续向前推进L114靠近头站位置会发生越界现象，且L114带式输送机在L115带式输送机爬坡段无法移设，不移设系统将面临停产。轮斗连续系统现场布置如图1所示。

图1 轮斗连续系统现场布置

2 工艺对比分析

与单斗-卡车间断工艺相比，轮斗连续工艺具有生产效率高、能耗低、寿命长、成本低、人员少等优点，但也存在可靠性要求高、适用条件严格、工艺复杂、挖掘力小、专业性强等缺点[13]。随着露天矿采场北部到界，推进方向由向北转为向西推进，端帮带式输送机向推进方向延伸，系统需增加设备才能满足工艺需求，同时还需进行移设。

如果轮斗连续系统不进行移设，将造成轮斗连续系统无法进行作业，其每年完成的5.0Mm3剥离量则需要通过自有设备或者采用外包的方式进行生产。在运距为6.4km提升高度为120m条件下，结合实际情况，采用三种工艺模式下投资及成本费用情况见表1。

表1 三种工艺模式下投资及成本费用对比表

由表1方案对比可知，轮斗单位成本费用最低，轮斗连续系统增加的2997万元投资可以看成以轮斗连续工艺与其他两者工艺相比节省的成本形式收回，采用单斗—卡车间断工艺自营条件下，静态投资回收期为0.68a，采用单斗—卡车间断工艺外包条件下，静态投资回收期为2.98a，投资回收期均较小，因此，轮斗连续系统移设增加的设备投资是经济合理的，同时轮斗连续工艺与单斗卡车间断工艺相比具有安全、环保和经济性等优势，建议继续采用轮斗连续系统开采上部松散层。

3 平面空间布置

本次移设工程需考虑以下原则：一是工期短、投资小，避免重复建设，二是移设后的作业方式与工况条件应有利于效率提升，三是移设位置既应避免产生超前剥离，又要避免对下部单斗—卡车作业位置产生影响，四是移设后位置的服务年限长，与下部采场推进强度协调统一，避免频繁移设。

随着采掘场北帮上部台阶到界，采掘场将转为向西推进。带式输送机常用的移设方式有三种，分别为平行移设、扇形移设和平行与扇形混合移设，平行移设是指带式输送机的所有部件都移设相同的距离，采用平行移设时移设和开采效率最高；扇形移设是指移设时一端不动，另一端绕着不动端以扇形的形式转动移设；平行与扇形混合移设是指输送机的机头和机尾都移设，但一端要比另一端移设的距离远[14]。

3.1 方案布置

结合轮斗连续系统现有布置方式共提出6个移设方案，平面空间移设方案情况见表2，移设前后平面空间位置对比如图2所示。

3.2 方案比选

方案一与方案六不购置设备，方案二、三、四、五需购置一条胶带，方案三、四、五工作面胶带布置一致，区别在于L115及新增L116-1布置位置不同，对于技术上均可行的六个方案，还需从投资和成本、服务年限、工程量、工期、改造及施工难度、系统运行稳定性及效率发挥以及对露天矿其它环节的影响等几方面进行分析和优缺点比较，主要技术经济对比见表3。

除方案一外其余五个方案工作面胶带机与端帮胶带机均为垂直搭接方式，由于现有设备不能实现扇形转向，两条带式输送机之间应保持垂直方式才能实现工作面胶带机平行移设[15]。方案一受机头站改造不确定性、移设难度大以及移设频繁等因素影响，不推荐。虽然方案二移设后服务年限较短，且对下部剥离产生不利影响、准备工程量大等因素影响，不推荐。方案六虽然初期投资较低，但服务年限较短，一年后还需发生投资，并且两年内发生两次移设费用造成资金浪费，最大的弊端是对下一次移设时布置方案布置影响较大，同时第一年还对下部剥离产生影响，不推荐。方案一、二、六对露天矿其它生产环节影响较大且存在越界现象，因此，推荐方案在方案三、四、五中选择。

从投资和成本来看，方案四投资和成本较大，方案五投资最大、工期最长，方案三经济效益较好。从工程量来看，方案四工程量较大，方案三比方案五稍大，但是方案三后期轮斗工作面每次移设时不需要发生机道工程量，但是机道施工难度稍大，方案五每次移设发生机道工程量，机道同工作面同时推进、全线布置，施工难度稍小，若后期轮斗考虑布置水平调至松散层下部时，移设产生的机道工程量还会增加，生产管理难度加大。从系统运行稳定性考虑，方案四端帮胶带布置在最上部第一个端帮台阶上，受沙层稳定性差及下部端帮靠界开采影响系统维护工程量大，稳定性较差且存在越界现象。方案三和方案五L116-1胶带受露天矿地表境界与北排土场之间的变形区影响较大，需根据采掘场及北排土场边坡稳定情况判断系统的稳定性。根据矿上边坡监测数据及经验，方案五的稳定性要优于方案三。考虑方案五移设难度较大、投资和成本稍高，初步推荐优先选择移设工程量少、移设相对容易、经济效益稍好的方案三。

4 降水平空间布置

轮斗连续系统投入后一直没有达到10.0Mm3/a的设计生产能力，每年仅能完成5.0Mm3/a的土方剥离量。连续开采工艺系统生产能力的制约因素主要有地质、工艺系统设计、设备的设计、制造和生产组织管理等，其中最主要的原因是受轮斗作业台阶含水率高、基底稳定性差影响系统能力发挥，降水平移设主要是通过降低轮斗作业水平使轮斗作业条件改善，达到提高系统能力的目的。

移设后轮斗作业范围内的松散层厚度能够满足上下两个轮斗作业台阶高度，轮斗具备降水平地质条件，初步估算地表以下35m范围内主要为第四系含水层，与下部台阶相比含水量较大，轮斗布置在下部水平有利于减少水对轮斗作业效率的影响，同时轮斗作业在基岩层上，大大降低了轮斗行走范围内的辅助工程量，初步判断轮斗降水平方案是可行的。

轮斗调整至下部台阶作业后，轮斗工作线上部的三个剥离台阶由外包设备作业，外包作业与轮斗作业空间交换，会造成轮斗作业范围内的外包剥离运距增加及上部端帮运输平盘被轮斗连续系统切断。

通过对轮斗连续系统降水平初期布置方案的初步研究，轮斗连续系统降水平方案与平面布置方案相比具有作业范围内基底稳定、含水量有可能稍小等优势，但存在初期机道工程量大、外包剥离运距增加、对目前生产影响较大等问题，在本次移设时实施降水平方案有一定的不确定性，建议初期轮斗仍布置在上部，待后期条件成熟后进一步明确轮斗效率提升情况及松散层含水情况后再实施该方案。

初步预计2023年以后具备实施降水平条件，此时松散层厚度由60m逐渐增加至70m，轮斗布置水平也随着松散层厚度的增加进行降深，布置在880～870水平，轮斗布置水平上部有3～4个外包剥离台阶，由于轮斗布置水平与地面高差较大，机道工程量较大，不宜将与工作面带式输送机搭接的端帮带式输送机布置在地面，应布置在端帮上，减少移设工程量，根据胶带布置位置不同提出两个布置方案，方案对比表见表4。降水平空间移设方案对比如图3所示。

表4 降水平空间移设方案对比

图3 降水平空间移设方案对比

从投资上来看，方案一投资和运行成本稍小，且不存在越界风险，系统稳定性也稍好，优势较明显，推荐方案一。实施降水平方案后，因轮斗作业水平与外包作业水平交换导致了外包运距增加了0.4km，影响的剥离量约为8.5mm3，剥离运距增加的费用约为782万，再考虑增加一座地面跨胶带钢桥的费用200万元，按照外包价格9.6元/m3估算，轮斗连续系统每年能力增加83万m3能够与增加的费用持平，系统效率需提高8%以上才能发挥轮降水平方案的优势。

5 结 语

通过移设的必要性研究得出轮斗连续系统与自营和外包单斗—卡车工艺相比具有技术和经济优势，移设产生的设备投资在今后的生产中还能继续使用，推荐露天矿沿用轮斗连续系统生产。由于本次移设不具备降水平条件，推荐采用平面移设方案三，工作面带式输送机与端帮带式输送机垂直布置，新增一条带式输送机布置于地表，连续系统由北推改为向西北推进。可考虑在下一次系统整体移设时考虑实施降水平方案，由于此次仅给出了对于降水平来说经济的系统能力提升建议值，下一步将重点研究降水平方案实施后系统效率的提升情况，或将成为露天矿降本增效、提升生产效率的有效途径。