黑岱沟露天煤矿综合开采工艺优化
2023-11-21李福平鲁文岐唐晓骞白雪瑞刘喜顺
曹 勇,李福平,鲁文岐,唐晓骞,王 韬,白雪瑞,刘喜顺
(1.国能准能集团有限责任公司,内蒙古 鄂尔多斯 010300; 2.国能准能集团有限责任公司 黑岱沟露天煤矿,内蒙古 鄂尔多斯 010300)
黑岱沟露天煤矿位于准格尔煤田中部偏北,是我国自行设计施工的特大型露天煤矿。该矿开采工艺为:上部黄土剥离采用小型液压单斗挖掘机—卡车开采工艺,中部岩石采用23~58 m3单斗电铲—卡车间断开采工艺,最下部岩石剥离采用抛掷爆破—拉斗铲倒堆工艺,采煤采用单斗—卡车—地表半固定破碎站半连续开采工艺[1]。该工艺系统属于典型的沿垂直方向串联式布置的综合开采工艺系统,抛掷爆破—拉斗铲倒堆工艺作为该串联系统中唯一的强约束型开采工艺,其可靠性和生产效率决定了整个系统能否持续高效生产[2]。
近年来,随着拉斗铲服役时间的延长,设备故障率不断攀升,生产能力持续下滑,抛掷爆破—拉斗铲倒堆工艺已成为其开采工艺系统的瓶颈。为了实现既定的原煤生产任务,现场通常采取降低抛掷爆破台阶高度、降低拉斗铲扩展平台高度、增加倒堆系统内单斗—卡车工艺辅助作业量等一系列措施缓解抛掷爆破—拉斗铲倒堆工艺系统生产压力,但上述措施将进一步降低拉斗铲的作业效率,使得抛掷爆破—拉斗铲倒堆工艺陷入了“越调节能力越低,能力越低越调节”的恶性正反馈循环,拉斗铲倒堆工艺的优势得不到充分发挥[3]。研究黑岱沟露天煤矿综合开采工艺条件下抛掷爆破—拉斗铲倒堆工艺参数与拉斗铲作业效率、工作线推进速度之间的关系,在充分发挥抛掷爆破—拉斗铲倒堆工艺生产能力的基础上,优化确定合理的原煤产量规模,对实现持续、稳定、经济、高效生产具有重要意义。
1 抛掷爆破—拉斗铲倒堆工艺作业流程
黑岱沟露天煤矿抛掷爆破—拉斗铲倒堆工艺作业流程如图1所示,主要包括以下作业环节[4,5]:
图1 抛掷爆破—拉斗铲倒堆工艺作业流程
1)抛掷爆破。该矿抛掷爆破台阶分为两个区域交替作业,每个区域工作线长度约900 m。当拉斗铲在一个区域倒堆作业时,钻机在另一个区域进行穿孔,并在条件具备时,实施抛掷爆破。抛掷爆破的有效抛掷率一般可达到30%以上,将大约1/3的抛掷爆破台阶剥离物直接抛掷到采空区内。
2)推土机降段。抛掷爆破后,为了降低爆堆高度,由推土机在爆堆上进行降段作业。
3)液压铲刷帮。推土机在爆堆上降段作业时,将爆堆顶部整平,为液压铲准备出作业平盘后,液压铲进入进行刷帮作业,将台阶坡面上的预裂爆破剩余爆量倒至爆堆外侧。
4)单斗电铲—卡车做扩展平台。单斗电铲从中间沟位置开始以端工作面方式作业,其剥离量由卡车运至爆堆外侧,为拉斗铲做扩展平台。当扩展平台宽度满足拉斗铲作业需要时,卡车将爆堆剥离物直接运至内排土场排弃。
5)拉斗铲倒堆作业。经过推土机平整及单斗—卡车辅助剥离,形成拉斗铲作业扩展平台。拉斗铲在另一区域完成剥离任务后,走行至中间联络路进入扩展平台开始倒堆作业。
2 工艺系统生产能力与原煤产能关系模型
设原煤计划产量为M,采煤工作线平均长度l,煤层平均厚度H,采煤工作线年推进度[6-8]:
式中,T为采煤工作线年推进度,m;M为原煤年产量,万t;l为原煤开采工作线长度,m;H为煤层平均厚度,m;γ为原煤平均容重,取1.47 t/m3。
不考虑超前剥离的情况下,黑岱沟露天煤矿综合开采工艺系统中其他各组成工艺的推进度至少应与采煤工作线推进度保持一致,则满足原煤计划产量要求的单斗—卡车工艺年作业量为:
式中,Mb为抛掷爆破实体台阶上部单斗—卡车工艺年剥离作业量,m3;Hb为单斗—卡车工艺剥离区域总平均高度,m;lb为单斗—卡车工艺剥离区域工作线平均长度,m。
同理,抛掷爆破—拉斗铲倒堆工艺年作业量为:
式中,Mtc为抛掷爆破—拉斗铲倒堆工艺年作业量(松方),m3;Ht为抛掷爆破台阶高度,m;lt为抛掷爆破工作线长度,m;λ为抛掷爆破爆堆松散系数,1.48。
抛掷爆破—拉斗铲倒堆系统内各环节年作业量分别为:
式中,Mt为抛掷爆破年有效作业量(抛掷爆破后进入内排土场拉斗铲倒土堆范围内的爆破量),m3;Mc为拉斗铲倒堆系统年作业量(包括单斗—卡车辅助作业量,不包括抛掷爆破年有效作业量),m3;f(Ht)为抛掷爆破有效抛掷率与抛掷爆破台阶高度关系函数;η为拉斗铲二次倒堆量在倒堆剥离总量中的占比,15%。其他符号含义同前。
3 原煤产能优化
由黑岱沟露天煤矿综合开采工艺系统布置及抛掷爆破—拉斗铲倒堆工艺作业流程可知,该露天煤矿露煤及采煤工作线推进速度与抛掷爆破—拉斗铲倒堆台阶的推进速度直接相关。在抛掷爆破—拉斗铲倒堆工艺系统中,抛掷爆破台阶高度、拉斗铲扩展平台高度对抛掷爆破—拉斗铲倒堆系统作业量、有效抛掷率、拉斗铲倒堆作业量、拉斗铲作业效率等影响较大,因此,本文在对抛掷爆破台阶高度、拉斗铲扩展平台高度与有效抛掷率、拉斗铲作业效率及原煤产能关系分析的基础上优化确定黑岱沟露天煤矿合理的原煤产量规模。
3.1 抛掷爆破台阶高度、拉斗铲扩展平台高度与原煤产能关系
3.1.1 抛掷爆破台阶高度与原煤生产能力关系
当抛掷爆破—拉斗铲倒堆工艺生产能力成为制约黑岱沟露天煤矿原煤产能的限制因素时,通常通过降低抛掷爆破台阶高度的方式来减少抛掷爆破—拉斗铲倒堆工艺剥离量。
降低抛掷爆破台阶高度可以减少抛掷爆破—拉斗铲倒堆工艺系统的剥离总量,然而,拉斗铲倒堆作业量与抛掷爆破台阶高度的变化并非简单的线性关系。在一定范围内降低抛掷爆破台阶高度将造成有效抛掷率降低,同时导致拉斗铲二次倒堆量的增加。因此,尽管抛掷爆破—拉斗铲倒堆工艺承担的剥离总量会随着抛掷爆破台阶高度的降低而减少,但由于抛掷效果变差,拉斗铲倒堆作业量的比重不降反增。
选取黑岱沟露天煤矿抛掷爆破典型爆堆形态剖面(图2),统计不同抛掷爆破台阶高度下的有效抛掷率(图3),并建立有效抛掷率与抛掷爆破台阶高度之间的多项式回归函数[9-12]:
图2 黑岱沟露天煤矿抛掷爆破爆堆形态剖面
图3 抛掷爆破台阶高度与有效抛掷率关系曲线
由图3可知:抛掷爆破台阶高度在35~45 m范围内时,有效抛掷率基本以0.4%/m递增,但超过45 m后其增速逐渐降低至0.2%/m→0.1%/m,即:抛掷台阶高度与有效抛掷率呈非线性关系,增大台阶高度并不能使有效抛掷率无限制上升。当抛掷爆破台阶高度45 m时,有效抛掷率可以达到37%~39%。继续增大抛掷爆破台阶高度,有效抛掷率提高有限,且抛掷爆破台阶钻机穿孔效率和质量下降,因此,抛掷爆破台阶高度保持在45 m,可获得较好的技术和经济效益。
由式(5)可得抛掷爆破台阶高度Ht与原煤生产能力M之间存在如下关系:
3.1.2 抛掷爆破台阶高度与拉斗铲扩展平台高度关系
由于倒堆、采煤工作面采用追踪式开采方式布置(图1),倒堆与采煤工作线推进度应保持一致:
式中,b为抛掷爆破台阶采掘带宽度,m;S为抛掷爆破—拉斗铲倒堆系统每幅采掘带中剥离作业量截面积,m2。
抛掷爆破—拉斗铲倒堆系统每幅采掘带对应的剥离作业量截面积S由单斗—卡车辅助作业截面积S1,拉斗铲一次倒堆作业截面积S2,拉斗铲二次倒堆截面积S3构成(图4):
图4 抛掷爆破—拉斗铲倒堆系统作业截面
S=S1+S2+S3
(10)
式中,S为拉斗铲倒堆系统每幅采掘带剥离作业量总截面积,m2。
倒堆系统内单斗—卡车年作业量为:
式中,M1为抛掷爆破—拉斗铲倒堆系统内单斗—卡车工艺年剥离作业量,m3。
设拉斗铲扩展平台高度Hp与单斗—卡车工艺辅助作业截面积(爆堆上分层)具有函数关系S1=k(Hp),则拉斗铲扩展平台高度Hp与倒堆系统内单斗-卡车工艺年辅助作业量M1之间存在以下关系:
图4中,截面S2与S3所对应的剥离量由拉斗铲倒堆作业完成,则拉斗铲年倒堆作业量为:
式中,M2为拉斗铲倒堆系统内拉斗铲年倒堆作业量,m3。
设拉斗铲扩展平台高度Hp与拉斗铲作业单元截面积具有函数关系S2+S3=g(Hp),则拉斗铲扩展平台高度Hp与拉斗铲倒堆作业量M2之间存在以下关系:
由式(7)(12)(14),可得拉斗铲扩展平台高度Hp与抛掷爆破台阶高度Ht之间关系:
3.1.3 拉斗铲扩展平台高度与原煤产能关系
由式(7)(15),可得拉斗铲扩展平台高度Hp与原煤产能M之间关系:
3.2 拉斗铲扩展平台高度与拉斗铲作业效率关系
为使拉斗铲倒堆工作线推进速度满足露煤速度要求,现场一般采用降低抛掷爆破台阶高度、降低拉斗铲扩展平台高度、增加倒堆系统内部单斗—卡车作业量等一系列方法来减少拉斗铲倒堆作业量,然而,随着拉斗铲扩展平台高度的降低,拉斗铲在分区之间的走铲调动频繁,有效倒堆作业时间缩短;同时,倒堆作业平盘宽度不断增加,拉斗铲二次倒堆量逐渐上升[13]。
拉斗铲的作业效率与抛掷爆破效果、扩展平台高度等因素有紧密的联系,现场大量实测数据及仿真模拟研究显示,拉斗铲扩展平台高度从10 m上升至20 m过程中,效率呈现先上升(约在13 m高度处达到最大值)、后下降(在15 m高度附近达到最小值)、再上升的规律(图5)[14,15]。
图5 拉斗铲扩展平台高度与拉斗铲作业效率关系曲线
拉斗铲扩展平台高度超过13 m后,其作业效率不升反降的主要原因是:在13~15 m范围内,随着扩展平台高度的增加,拉斗铲二次倒堆量也快速增加,且增加的倒堆量主要集中在煤台阶坡面处,为了充分回收煤炭资源,拉斗铲作业时必须低挖(扩展平台-10 m以下)、高排(扩展平台35 m以上)以揭露煤台阶坡面,此时拉斗铲铲斗挖掘物料后的提升时间远大于旋转时间,导致拉斗铲作业效率下降。拉斗铲扩展平台高度超过15 m后,上述情况逐渐缓解,拉斗铲作业效率也逐渐回升。
3.3 综合开采工艺合理原煤产能
由图3可知:当抛掷爆破台阶高度45 m时,有效抛掷率可以达到37%~39%。继续增大抛掷爆破台阶高度,有效抛掷率提高有限,且抛掷爆破台阶钻机穿孔效率和质量下降,抛掷爆破台阶高度保持在45 m,可获得较好的技术和经济效益[16]。因此,参照图2(c)统计分析在不同拉斗铲扩展平台高度Hp条件下抛掷爆破—拉斗铲倒堆系统内各部分作业量截面积,见表1。
表1 抛掷爆破—拉斗铲倒堆工艺系统内各部分作业量截面积(抛掷爆破台阶高度45 m)
对抛掷爆破台阶高度45 m条件下,拉斗铲倒堆作业截面积与拉斗铲扩展平台高度关系曲线进行多项式回归分析[17](图6):
图6 拉斗铲倒堆系统内各环节作业截面积与拉斗铲扩展平台高度关系曲线
由式(16)(17)(18)得:
由式(8)(9)(14)(17)得:
由于抛掷爆破—拉斗铲倒堆系统作业量Mc可通过增加单斗—卡车工艺辅助作业量的方式调整,因此,主要以拉斗铲倒堆作业能力为约束分析黑岱沟露天煤矿可能实现的原煤产能目标。根据黑岱沟露天煤矿生产统计数据,拉斗铲年实际平均倒堆作业量约1800万m3(松方),由式(20)、式(21)计算得到抛掷爆破台阶高度45 m时,拉斗铲扩展平台高度Hp、抛掷爆破台阶年推进度(亦即采煤工作线年推进度T)、原煤产能M之间的关系(表2)。
表2 抛掷爆破台阶高度45 m时拉斗铲扩展平台高度与原煤产能关系
国外大型露天矿山拉斗铲倒堆工艺,拉斗铲站立台阶高度普遍超过30 m[18],但受限于该露天煤矿高推进强度、短工作线生产条件,拉斗铲作业效率很难得到充分发挥,但为了最大程度保证拉斗铲的作业效率,推荐其站立台阶高度保持在16 m以上,下限不能低于13 m,在此约束条件下的合理产量规模为:Hp=16 m,T=290.77 m/a,M=2461.99万t/a;Hp=13 m,T=330.53 m/a,M=2798.65万t/a。
参考国外大型露天矿山应用拉斗铲的实践经验可知,作为一种移动缓慢、对作业条件要求苛刻的超大型露天采矿机械设备,拉斗铲更适宜在固定位置长时间作业[19,20]。在黑岱沟露天煤矿综合开采工艺系统背景下,无论对工作面参数如何优化,都无法从根本上改变工作线高强度推进条件下,拉斗铲作业效率低下、制约整体系统效率发挥的情况。
通过前文分析可知,黑岱沟露天煤矿原煤产能的实现主要取决于抛掷爆破—拉斗铲倒堆工艺系统的生产能力。为了降低开采成本,实现资源开采经济效益最大化,应确保抛掷爆破有效抛掷率和充分发挥拉斗铲倒堆作业效率。基于上述原则,确定黑岱沟露天煤矿原煤合理产能见表3。
表3 抛掷爆破—拉斗铲倒堆工艺约束下的合理原煤产能
由表3可知:抛掷爆破台阶工作线推进度主要取决于拉斗铲作业效率,拉斗铲扩展平台高度16 m与13 m时,由于拉斗铲倒堆作业量的不同,在基本持平的拉斗铲倒堆作业效率条件下可分别实现原煤产能2462万t/a、2799万t/a,但是,拉斗铲扩展平台高度16 m时单斗—卡车辅助工程量小,经济性更好,因此,在原煤生产任务不紧张的情况下,推荐采用16 m拉斗铲扩展平台高度作业,以降低生产成本。
需要说明的是:目前,黑岱沟露天煤矿采煤工作线由南部500 m单斗—卡车工艺作业区和北部1800 m拉斗铲倒堆作业区构成,全矿采煤工作线长度为2300 m,而表3中所列是黑岱沟露天煤矿北部拉斗铲倒堆作业区1800 m采煤工作线长度条件下的原煤产能。因此,若要完成核定的3400万t/a原煤生产任务,南部500 m单斗—卡车工艺作业区需确保推进度255~400 m/a。近年来,受哈尔乌素露天煤矿推进滞后影响,黑岱沟露天煤矿南部500 m单斗—卡车作业区年推进度有限,原煤生产重心主要集中在北部1800 m拉斗铲倒堆作业区内,生产压力较大,为了完成原煤生产任务,只能通过增加抛掷爆破—拉斗铲倒堆系统内单斗—卡车辅助作业量、降低拉斗铲扩展平台高度的方式来维持北部1800 m采煤工作线推进强度,但是增加单斗—卡车辅助作业量的经济性较差,导致生产成本提高。
4 结 论
1)根据黑岱沟露天煤矿综合开采工艺系统布置方式及各工艺系统之间的制约关系,建立了综合开采工艺生产能力与原煤产能关系模型。
2)根据抛掷爆破典型爆堆形态数据,建立了有效抛掷率与抛掷爆破台阶高度关系模型,为保证抛掷爆破有效抛掷率、充分发挥抛掷爆破-拉斗铲倒堆工艺优势,确定抛掷爆破台阶高度为45 m,在此基础上,进一步建立了拉斗铲倒堆系统生产能力、抛掷爆破台阶高度与原煤产能关系模型。
3)在分析抛掷爆破台阶高度与拉斗铲扩展平台高度关系的基础上,结合抛掷爆破台阶高度与原煤产能关系模型,建立了拉斗铲扩展平台高度与原煤产能关系模型,通过分析拉斗铲扩展平台高度与拉斗铲作业效率关系,确定了抛掷爆破台阶高度45 m时,在拉斗铲推进度约束条件下黑岱沟露天煤矿合理的原煤产量规模:拉斗铲扩展平台高度16 m时,工作线推进强度291 m/a,可实现原煤产能2462万t/a;拉斗铲扩展平台高度13 m时,工作线推进强度331 m/a,可实现原煤产能2799万t/a。
4)综合考虑目前黑岱沟露天煤矿采煤工作线南/北分区作业条件,在南部500 m单斗—卡车工艺作业区需确保推进度255~400 m/a时,可实现原煤产能3400万t/a,若南部500 m采煤工作线推进受阻,只能通过增加拉斗铲倒堆系统内单斗—卡车辅助作业量、降低拉斗铲扩展平台高度的方式维持3400万t/a原煤生产任务,但是整体经济性较差。