哈尔乌素露天煤矿5号薄煤层开采技术研究.pdf

万方数据 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 I 摘要 哈尔乌素露天矿 5 号煤层属于局部可采煤层，分布在 6 号主采煤层上部，5 号煤 的开采不会影响下部 6 号煤层的开采。为了提高资源回收率，增加矿山经济效益，需 要对 5 号煤进行开采， 基于此本文对 5 号煤层开采方案进行合理的设计并对设计工艺 可靠度进行系统评价。 首先， 根据 5 号薄煤层地质资料、赋存状态以及矿山生产现状提出三种可行的开 采分案。然后对 5 号煤开采可行工艺进行详细分析，以气候适应性、矿石块度、原煤 价格、含矸率、生产成本等 9 个影响因素作为选择开采工艺的评价指标，利用集对分 析法进行优选，最终选择采用露天采矿机半连续工艺进行开采。 其次，对露天采矿机的作业方式、作业程序、工作面参数、煤垄的堆积过程、运 输系统布置等进行设计。 方案设计将 5 号煤划入岩石台阶采用分块开采，并确定了最 小平盘宽度 Bmin；采矿机在现有工作线范围内进行分区段选采，选采区段的长度为 500m，工作平盘宽度为 120m，在该宽度范围内采矿机分 34 个条幅进行折返式选采， 推土机、前装机、卡车实行追踪式堆集和装运作业，选采厚度为 0.5m，条幅宽度为 3.6m。 最后，对设计方案的采掘环节、装载环节、运输环节的可靠度进行评价，同时提 出工艺系统故障性的调控方案。经计算可知，“采、装、运”环节可靠度分别为 0.9、 0.99、0.987，因此可计算得到工艺系统的可靠度为 0.85，工艺系统可靠度达到了优秀 水平。 开采薄煤层提高资源回收率， 同时增加矿山的经济效益，是煤炭资源高效开采的 重要研究课题之一。 关键词哈尔乌素露天矿；技术优选；薄煤层开采技术；露天采矿机 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 II Abstract Haerwusu open-pit mine 5 thin coal seam belongs to local minable seam, distribution in the main working bed upper 6, no. 5 coal mining will not affect the lower 6 coal seam mining.In order to improve the recovery rate of coal resources, increase the economic benefits of mines, the need for no. 5 coal mining, so this article is based on the reasonable design scheme of no.5 coal seam mining and to uate the reliability of design process. For thin seam mining, not only can improve the recovery rate of resources, also can add a great economic benefits for mines, and high-efficient exploitation of coal resources of the important research subject. First of all, according to the 5 thin coal seam geological data and occurrence state of mine production present situation puts forward three feasible mining division, respectively, a bulldozer driven plough loose dirt - before installed - trucks technology, hydraulic shovel -processandopen-airminingmachineinstalledbeforekinghorizontal-truck technology.Secondly, a detailed analysis of no. 5 coal mining is feasible technology, with the climate adaptability, strata dip, the price of raw coal, gangue content, the cost of production,and so forth ,9 factors as choose the uation index of mining process, using set pair analysis to optimize, and finally through set pair analysis choosing mining of open-pit mining machine semi-continuous process as the final choose. Second, for open mining machine operating mode, operating procedures and the parameters of the coal face, the accumulation process of coal bed, transportation arrangement, etc.Design the 5th coal to using block mining rock steps, and to determine the minimum width of flat Bmin;King mining machine horizontal within the scope of work in the existing line partition segment, choose the length of mining section is 500 m, working flat width is 120 m, within the scope of the width of the mining machine horizontal wang divided into 34 banners turn-back type selection, bulldozers, er installed, the truck practice piled up and shipment tracking type, choose mining thickness of 0.5 m, width of the banner is 3.6 m. 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 III Finally, the design scheme of the chain of mining process, loading, transportation, process system reliability uation, and puts forward process system failure control scheme.Through calculation, the “mining, loading and transport“ link reliability is 0.9, 0.99, 0.987, respectively, thus the overall reliability is 0.85, reached the best level of process system reliability. Key Words Haerwusu open-pit mine; Perfectted process; Mining technique in thin coal seam; Surface miner 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 1 - 目录 摘要................................................................................................................................ I ABSTRACT.......................................................................................................................... II 1 引言....................................................................................................................................1 1.1 选题背景与研究意义.................................................................................................1 1.1.1 选题背景..............................................................................................................1 1.1.2 研究意义..............................................................................................................1 1.2 研究现状综述.............................................................................................................2 1.2.1 露天煤矿薄煤层开采研究现状..........................................................................2 1.2.2 露天采矿机开采技术研究现状..........................................................................3 1.3 主要研究内容与创新点.............................................................................................4 1.3.1 研究内容..............................................................................................................4 1.3.1 创新点..................................................................................................................4 1.4 研究方法与技术路线.................................................................................................4 1.4.1 研究方法..............................................................................................................4 1.4.2 技术路线..............................................................................................................5 2 哈尔乌素 5 号煤地质概况................................................................................................6 2.1 矿山概况.....................................................................................................................6 2.2 矿区地层构成与产状.................................................................................................6 2.2.1 露天矿矿区地层...................................................................................................6 2.2.2 露天矿矿区煤层..................................................................................................7 2.3 5 号煤的空间分布与储量...........................................................................................8 2.4 矿山开采现状...........................................................................................................10 2.4.1 露天矿境界........................................................................................................10 2.4.2 开采技术............................................................................................................10 2.5 本章小结...................................................................................................................10 3 哈尔乌素 5 号薄煤层开采技术优选..............................................................................11 3.1 5 号煤开采技术研究.................................................................................................11 3.2 原煤含矸率...............................................................................................................11 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 2 - 3.3 基于集对分析法的开采技术优选...........................................................................15 3.3.1 5 号煤层开采优选评价指标体系的建立..........................................................15 3.3.2 数学模型的建立................................................................................................15 3.3.3 技术优选模型构建............................................................................................16 3.3.4 数据处理............................................................................................................19 3.4 5 号煤开采技术设备选型及配备数量.....................................................................20 3.4.1 设备所需达到的能力........................................................................................20 3.4.2 运输设备............................................................................................................22 3.5 本章小结...................................................................................................................23 4 露天采矿机开采技术及采选技术研究..........................................................................24 4.1 露天采矿机的开采技术............................................................................................24 4.1.1 露天采矿机作业方式.........................................................................................25 4.1.2 工作面参数........................................................................................................28 4.2 5 号煤选采技术研究.................................................................................................29 4.2.1 选采厚度研究.....................................................................................................30 4.2.2 采矿机选采步骤研究........................................................................................32 4.2.3 堆集技术研究....................................................................................................34 4.2.4 装运技术研究....................................................................................................35 4.3 运输线路安排...........................................................................................................41 4.4 本章小结...................................................................................................................44 5 露天采矿机开采系统可靠性研究..................................................................................45 5.1 5 号煤层的基本开采情况.........................................................................................45 5.2 各环节设备的可靠度分析.......................................................................................46 5.2.1 采掘环节的可靠度分析....................................................................................47 5.2.2 装载环节的可靠度分析....................................................................................47 5.2.3 运输环节的可靠度分析....................................................................................48 5.2.4 技术系统的可靠度分析....................................................................................48 5.3 生产系统故障性调控...............................................................................................49 5.3.1 各环节调控技术................................................................................................49 5.3.2 车辆等装时间及运能利用率............................................................................49 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 3 - 5.4 本章小结...................................................................................................................50 结论..............................................................................................................................51 参考文献..............................................................................................................................52 在学期间研究成果..............................................................................................................56 致谢..............................................................................................................................57 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 -1- 1 引言引言 1.1 选题背景与研究意义选题背景与研究意义 1.1.1 选题背景选题背景 我国煤炭资源储量丰富，包括大量的厚煤层、薄煤层以及复合煤层。其中 可采薄煤层储量也非常大、分布广泛。据不完全统计，国内已探明的矿山中含有 薄煤层分布的矿山占到 84.2，总可采储量达到 61.5 亿吨，约占总可采储量的 19。但通过对国有重点煤矿薄煤层的采出情况统计发现，矿山中薄煤层采出量 不足 10。 据大量数据表明，我国露天矿煤层有如下特点 （1）矿区煤层多，可采煤层约占煤层数的一半，但主采煤层仅占可采煤层 总数的 1/2-1/6； （2） 由矿山生产经验可以得出， 厚煤层度小于 lm 的薄煤层在开采中分采分 运特别困难，因此，很多矿山在实际生产中未回采薄煤层当作剥离物排弃，大大 降低了资源回采率，而且大量堆积造成煤的自燃，污染环境[l]； （3）薄煤层中夹矸剔除困难，开采时混入原煤，大大的降低煤炭的采出质 量，同时还严重影响企业的经济效益。如黑岱沟露天煤矿开采中，将 5 号薄煤 层直接当废弃物排弃 [2]。 1.1.2 研究意义研究意义 哈尔乌素露天矿 5 号煤平均厚度 1.9m，属于局部可采煤层。随着近年露天 采掘设备种类的加，性能的高，以及采掘技术、采掘技术的不断发展，在实际生 产中将薄煤层当作可采煤层进行回采， 大大的提高了煤炭资源的回收率增加了矿 山的经济效益。但是，到目前为止，对于哈尔乌素露天矿薄煤层开采的技术的系 统研究较少，因此急需对哈尔乌素露天矿的薄煤层开采技术开展研究。 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 -2- 1.2 研究现状综述研究现状综述 1.2.1 露天煤矿薄煤层开采研究现状露天煤矿薄煤层开采研究现状 传统采矿中采用抛掷爆破剥离技术， 爆破可以将约 40的覆盖物抛掷在采空 区[3-4]。矿山生产实践表明，选用大型设备进行倒堆剥离与抛掷爆破剥离组合可 以将剥离费用降低 30以上[5-9]。 抛掷爆破主要用于单一水平或倾斜煤层[10-11]，国外己经将抛掷爆破技术广 泛适用于复合煤层 [12-13]，并取得了成功。 冯叔瑜院士、潘井斓、张幼蒂等[14-23]都对抛掷爆破中的各种参数进行了大 量的研究，并取得丰硕成果。 此外，李克民等人开发了爆破数字化综合处理系统[24 ，25]可对现场的爆破参 数进行研究、修正，利用软件对现场爆破过程进行模拟，提高了抛掷爆破研究质 量和效果。 目前露天矿薄煤层的开采方式一般有 （1）铲运机采装； （2）松土犁刨松-前装机采装； （3）露天采矿机刨松-前装机采装； （4）液压挖掘机采装等。 其中， 例如黑岱沟矿等矿山采用推土机带动松土犁松动－前装机－卡车技术 进行薄煤层的开采。该种技术的优是，不需要进行穿孔爆破作业，避免了因穿爆 作业引起矸石混入原煤等问题，而且作业灵活，机动性较好[26]。但是同时又存在 松动效果不佳，块度不均匀，原煤采出率不高，毛煤含矸率高等缺点。 露天采矿机是将道路机械与井下综采机组进行组装的一种新型露天开采设 备，其不需要穿孔爆破等环节，减少了矸石的混入。露天采矿机按照可以分成中 置式、前置式和前悬臂式露天采矿机。其中，中置型有其得到的优势，所以使用 最多 [27，28]。 露天采矿机的特点是采出块度均匀，矸石混入较少，回收率高。但是国内 新型设备应用案例较少，技术不成熟，设备初期投资较高。 露天采矿机最初在德国的 Friminersdorf 露天煤矿投入使用， 后来又在美、 澳、 加拿大等国的一些露天矿山开采中广泛应用。 开采实践证明其在开采中有得天独 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 -3- 厚的优势，开采效率高、煤矸分选效果好、矸石混入量少 [29,30]，而且，露天采 矿机在开采薄矿层及复合层状矿床时的优势越来越明显，有其是在选采方面 [31,32]。 目前， 国内大多学者集中研究露天采矿机的类型、 技术系统、 开采方式等 [33]。 石广洋 [34-35]等人着重对露天采矿机的作业方式、开采技术和适用条件进行了介 绍，得出该开采技术有利于提高资源回收率和原煤的质量。唐旭天等人 [36,37]设 备型号的确定进行了一系列的研究， 并研究了一套开采技术。 丁立明、 才庆祥 [38,39] 等人基于露天采矿机切削滚筒的实际轨迹建立了煤炭损失与研石混入模型， 并得 出了含矸率和毛煤热值的计算公式，并最终确立了选采厚度的确定原则。 1.2.2 露天采矿机露天采矿机开采开采技术研究现状技术研究现状 40 大型拉斗铲无运输倒堆工艺是集采掘、运输与排土三项作业于一体的一种作 业方式，剥离物直接排弃采空区内。有明显的优点设备少，生产效率高，成本 低，作业能力大，生产可靠性等。抛掷爆破技术用于倒堆剥离工艺，将大部分 43[42] 82 [41] 剥离物抛入采空区，从而进一步提高了剥离效率，从而降低剥离成本。在美国 拉斗铲无运输倒堆工艺得到广泛应用，占。文献介绍了我国近期有望采 用拉斗铲无运输倒堆工艺的几个露天矿的基本情况，其中准能公司黑岱沟露天煤 矿拉斗铲已于 2007 年底投入适用。 拉斗铲的铲斗容积、作业半径、挖掘深度和卸载高度等因依据具体矿山条件 而进行因地制宜的选择是实现矿山高效生产的重要前提 [44，45]。杨云浩，解德国 [46-47]等对拉铲斗容与臂长关系进行了回归分析，并得出许多重要的结论。拉斗铲 的基本作业方式有 直接倒堆， 扩展平台倒堆， 内排土场再倒堆三种倒堆方式 [48]。 陈树召[49]提出了运煤系统优化方法。梅晓仁等[50]得出了抛掷爆破条件下推土机 的推土距离与倒堆台阶宽度和推土机降段宽度的近似关系。 才庆祥教授针根据露 天煤矿的采煤强度，拉斗铲维修时间分布规律，得到坑底的最小存煤量计算公式 [51]。 国内外对于拉斗铲倒堆技术及其主要设备做了大量的研究， 取得了丰富的成 果，对于指导矿上生产实践有重要的意义，然而大多研究停留在机械结构上，对 该技术车机匹配、选采特性和技术可靠性等问题的研究仍存在空白。邓吉伟等探 讨了开采高度，皮带转载机长度及液压系统可靠性对露天采矿机的效率的影响 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 -4- [52-53]。张瑞新等认为露天采矿机在复杂煤层露天开采中具有广阔的应用前景[54]， 潘克维奇[55]研究了维特根公司制造的露天矿用露天采矿机在硬岩露天矿应用的 两种采矿技术系统， 即连续式开采和循环式开采系统， 并指出了它们的适用场合， 以及与运输系统或无运输系统配合使用的条件。 1.3 主要研究内容主要研究内容与创新点与创新点 1.3.1 研究研究内容内容 （1）根据哈尔乌素露天矿 5 号煤地质资料，对 5 号煤层的开采技术进行研 究。建立 5 号煤开采技术优化选择数学模型，通过集对分析法，以矿石块度、含 矸率、 生产成本、是否破碎等 9 个影响因素为评价指标对 5 号煤开采技术进行评 价，进而选出最佳开采技术； （2）露天采矿机选采特性研究通过对选采厚度的影响因素分析，确立选 采厚度的确定原则。针对露天煤矿 5 号煤层夹矸多，煤层薄的实际情况，确定该 矿的合理选采厚度； （3）露天采矿机技术系统可靠性研究根据露天采矿机的机械特点，研究 露天采矿机本身的机械可靠性及露天采矿机技术系统的可靠性， 根据露天采矿机 的工作原理及特点，研究其在生产能力、夹矸层厚度和采剥物料物理力学性质变 化下的露天采矿机技术的适应性。 1.3.1 创新点创新点 （1）建立集对分析数学模型，通过最优解矩阵X确定理想方案。 （2）建立毛煤损失与矸石混入模型，计算出原煤含矸率。 1.4 研究方法研究方法与与技术路线技术路线 1.4.1 研究方法研究方法 首先，通过对哈尔乌素露天矿 5 号薄煤层资源分布情况进行分析，并提出 3 种开采技术，根据年推荐速度计算出相应的设备数量。利用集对分析法对所研究 技术中矿石块度、原煤价格、含矸率、生产成本等 9 个影响因素进行集对分析优 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 -5- 选最佳开采方式。最后，针对 5 号煤实际情况确定开采技术并进行开采研究并对 其可靠度进行分析，从而得出研究技术的合理性。 1.4.2 技术路线技术路线 拟采用技术路线图如图 1.1 所示 图 1.1 研究技术路线 哈尔乌素 5煤层原地质资料 理论分析现场调研 提出可行性开采技术 松土梨-前装机-卡车 建立数学模型进行开采方案优选 液压铲-卡车采矿机-前装机-卡车 哈尔乌素 5 薄煤层开采技术研究 开采系统可靠度评价分析 开采技术研究 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 -6- 2 哈尔乌素哈尔乌素 5 号煤地质概况号煤地质概况 2.1 矿山概况矿山概况 哈尔乌素露天矿隶属于准格尔煤田，位于鄂尔多斯市准格尔旗东部。煤田大 致范围是东起煤层露头，向西延伸至6号煤层600m底板等高线，东西宽21km；北 起煤层露头，向南延伸至黄河岸，南北长65km。地理坐标为东经11110′～ 11122′30″，北纬3939′45″～3944′15″。 矿区内部公路、 铁路纵横交错， 交通十分方便。 区内外交通线位置详见图2.1。 准格尔煤田位于半干旱地区，属于大陆性半干燥气候，降水量较小，蒸发量 较大，全年干旱少雨。冬季寒冷，夏季炎热，春秋两季气温变化剧烈，昼夜温差 大。 图2.1交通位置图 2.2 矿区地层构成与产状矿区地层构成与产状 2.2.1 露天露天矿矿矿矿区地层区地层 哈尔乌素露天矿除了大型的山沟内地层出露以外， 矿区内大部分地方被第四 系黄土层覆盖。区内地层情况由老到新为O12、C2b、C3t、P1s、P1x、P2s、QN2。 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 -7- 太原组（C3t）及山西组（P1s）为本区含煤地层。现由老到新分述如下 （1）中下奥陶统（O12） 出露厚度200m，出露于哈尔乌素沟沟口及东部黄河岸边。 （2）中石炭统本溪组（C2b） 本组地层厚7.88m～33.44m，平均18.1m。出露于黑哈尔乌素沟中。 （3）上石炭统太原组（C3t） 上石炭统太原组是矿区内主要含煤地层，含煤七层6上、6、6下、8、9、9 下、10煤。 6上煤顶板为粘土岩、砂质粘土岩和粉砂岩