露天煤矿开采工艺与设备国产化.pdf

露天论坛 露天煤矿开采工艺与设备国产化 内蒙古煤矿设计研究院总工程师 赵唱尧 摘 要 开采工艺是露天采矿的核心,应根据矿山的具体条件和国家的设备制造和 供应水平,经过精心的技术经济比选来确定。 回顾了我国露天矿发展简史和我国单斗铁道 工艺与设备经历的国外援助及自主建设两个阶段,分别介绍了单斗汽车工艺、 轮斗胶带工 艺、 半连续开采工艺、 吊斗倒堆工艺的特点与所采用的设备,对我国露天开采设备的研制 提出了建议。 关键词 露天采煤 工艺 设备 大型露天煤矿的投资,就吨煤而言远远低于矿 井,但因规模较大,一座露天煤矿的总投资往往达十 几亿以至数十亿元之巨,而其中工艺设备的投资大 体占50～60 ,这个比例又远远高于矿井。因此, 开采工艺的决策显得更加重要。有些露天煤矿的开 采工艺争论达8～10年之久,盖源于此。 根据国情分析研究我国露天煤矿开采工艺的选 型,探讨露采设备国产化的方向与重点,对于我国露 天煤矿的发展,显然是十分必要的。 1 我国主要露天煤矿发展简况 我国主要露天煤矿发展情况详见下页表。 2 单斗铁道工艺与设备 从新中国成立到1980年,新建了一批露天煤 矿,基本采用单斗铁道工艺,或称 “单斗-铁道” 时 期。其发展可分为两个阶段。 211 国外援建阶段1950～1957年 在前苏联援建的156项工程中,包括了阜新海 州、 抚顺西露天和新邱三座露天煤矿。 几处均采用单 斗铁道工艺。 工程建设顺利,如期达产,效益很好,在 国民经济中发挥了重要作用。主要装备是4～5m 3 斗容的单斗电铲、80t电机车和60t 23m 3 自翻车、 50kgm钢轨。相当于前苏联40年代初的设备, 可 称为第一铁道系列。由于这套设备与我国的机械制 造水平相当,因而很快实现了国产化。 212 自主建设阶段1958～1980年 在这一时期自主兴建了平庄西、 扎赉诺尔灵泉、 义马北、 哈密三岭、 鹤岗岭北、 海勃湾公乌素等6座 采用单斗铁道工艺的露天煤矿,同时还兴建了石炭 井大峰、 云南可保和小龙潭等3座采用单斗汽车工 艺的中小型露天煤矿。 这一时期的单斗铁道工艺设备是8～10m 3 斗 容的单斗电铲、150t电机车、100t自翻车和60kgm 重轨。由于中苏交恶,设备全靠国内制造,已达到苏 联60年代初的水平,可称之为第二铁道系列。这批 设备中,除100t自翻车质量不过关外,其余均实现 了国产化,第二铁道系列设备陆续用在阜新海州露 天和抚顺西露天等矿;而自立兴建的一批露天矿则 以第一铁道系列设备为主,大多数矿还用蒸汽机车 牵引。中小型露天矿单斗汽车采用的是 4m 3 斗容单 斗电铲, 10t、12t、27t自卸汽车也基本实现国产化。 01中国煤炭第24卷第12期1998年12月 我国主要露天煤矿发展简况 序 号 露天矿名称 煤 种 煤层 倾角 规模 万ta- 1 投产年 建矿 时期 其阶 中段 开采工艺装 备 水 平 建矿初现在建矿初现 在 1抚顺西 长焰 气 28360 1914 1953 2阜新海州长焰10～22 300 420 500 1953 3阜新新邱长焰7 60→ 80 53 1953 4哈密三道岭弱粘6～16 150→ 180 123 1962 5扎赉诺尔灵泉褐 5～ 9 60 180 130 1965 6鹤岗岭北焦 5～ 15 601964 7平庄西褐 10～ 18 1501965 8义马北长焰8～15 120 80 1967 9海勃湾公乌素 肥焦10～15 120 60 1980 10石炭井大峰无烟6～32 90 45 1973 11 云南 小龙潭 小龙潭褐8～20150 1953 1964 布召坝褐8～20240～4801964 12云南可保褐8～15601962 单 斗 铁 道 时 期 接 受 外 援 典 型 发 展 完 全 自 立 大 批 发 展 单斗铁道 单斗铁道十深 部半连续 4m3铲, 80t、150t电 机 车, 60t自翻车 4m3铲、10m3铲, 80t、 150t电机车, 60t自翻车 十深部10m3铲, 108t汽 车内排,煤单汽破碎 胶带 单斗铁道 单斗铁道深部 改造 4m 3 铲, 80t、150t电 机车, 60t自翻车 同左,面临深部改造 单斗铁道单斗铁道 4m 3 铲, 80t蒸 汽 机 车、 60t 自翻车 4m 3铲, 150t电机车、 60t 自翻车 单斗铁道单斗铁道 4m 3 铲, 80t蒸 汽 机 车、 60t 自翻车 同 左 单斗铁道单斗铁道 4m 3 铲, 80t蒸 汽 机 车、60t自翻车 同 左 单斗铁道单斗铁道 4m 3 铲, 80t、150t蒸 汽机车、 60t 自翻车 同 左 单斗铁道单斗铁道 4m 3 铲, 80t蒸 汽 机 车、 60t 自翻车 4m 3, 100t电机车、 60t 自翻车 单斗铁道单斗铁道 4m 3 铲, 80t蒸 汽 机 车、 60t 自翻车 4m 3, 150t蒸汽机车, 60t 自翻车 单斗铁道单斗铁道 4m 3 铲, 80t蒸 汽 机 车、 60t 自翻车 同 左 单斗汽车单斗汽车4m3铲, 27t汽车同 左 窄轨改单 汽 单汽连改半 连 1m 3铲- 12t汽车 3 套超小型连续1986 年 1m 3、 4m 3铲- 12t 汽 车连续超小 , 连 续改半连续 窄轨改单 汽连 单汽连 1m 3铲- 12t 汽车 1500～2000m3h轮 斗机 4台20003100m3h 轮斗机 4m3单斗- 32t汽车 窄轨改单 汽连 单斗汽车 1m 3铲, 10t汽车 同 左 13 平朔安太 堡1号 气 101500 1987 已达产 14霍林河南褐5～131000 1984 未达产 15伊敏一号褐3～5 100 500 1984 未达产 16 平庄元宝 山 褐3～8500 1996 部分交 17 准格尔黑 岱沟 长焰 1012001996 18 东胜马家 塔 不粘1～360 1989 已达产 19 东胜武家 塔 不粘1～360 1996 未达产 20 大兴安岭 古莲河 长焰3～560未交 21 新疆铁厂 沟 长焰 45 150未交 单 斗 汽 车 和 多 工 艺 时 期 单斗汽车煤坑边半连续 25m3 P其次是满足了这批露天矿 60 ～150万ta的运量要求;再有就是这批露天煤 矿基本上都是缓倾斜煤层,本来就难以实现内部排 土。 然而,正确的工艺选型并没有带来良好的经济效 益。 由于经历了大跃进和十年浩劫,采取边勘探边设 计边施工和简易投产的方针,使这批露天煤矿中多 数长期未能达产,效益普遍不佳。 很多人曾想把单斗铁道工艺设备进一步提高, 仿效前苏联60～80年代形成的第三铁道系列,采用 1215～16m 3 斗容单斗电铲、360t牵引机组 240t 电 机车牵引两台62t联动自翻车、150～180t自翻车、 75kgm重轨,将铁道限制坡度从25‰提高到60‰, 以继续保持单斗铁道工艺在我国露天煤矿的优势, 但终未成功。 3 单斗汽车工艺 311 特点 改革开放以来兴建的大型露天煤矿,大多采用 了单斗汽车工艺或综合工艺,主要是引进了美国的 技术和设备。在实践中认识到单斗汽车工艺具有如 下特点①汽车灵活、 机动,爬坡能力强,拉沟长度 小,基建工程量小;②具有 “小矿坑,大规模” 的优点, 即以较短的工作线求得较大的生产能力,无论是水 平推进速度,还是垂直延伸速度,均远远高于单斗铁 道工艺;③设备投资和总投资均低于其它工艺,这对 资金相对紧缺的我国有相当大的诱惑力;④生产经 营成本,主要是运输成本又高于其它工艺。 因此,“尽 力缩短运距,及早实现内排” 显得尤为重要;⑤用人 少,劳动生产率高,这是单斗铁道工艺不可比拟的。 正是由于以上这些特点, 80年代以来我国新建 的大中型露天煤矿基本上都采用了单斗汽车工艺, 或采用单斗汽车工艺为主的综合工艺详见上表。 从开采工艺选择来看,基本上是正确的。 反映在 充分发挥了单斗汽车工艺投资省、 建矿快的优势。 平 朔安太堡露天煤矿设计规模1500万ta, 26个月移 交生产,一年后即达产,其建矿速度之快令世人瞩 目。该矿的延伸速度达60m a, 工作线年推进度达 520m ,创国内之冠,显示了单斗汽车工艺高效的优 势。 该矿达产一年后就实现了内部排土,这也是单斗 汽车工艺的突出特点。 但在生产过程中,单斗汽车工艺的弱点也逐渐 显现出来,主要是汽修跟不上,导致汽车实动率低和 运输费用过高。 我国的汽车制造业起步较晚,露天矿 用的超重型自卸汽车基本是靠从国外引进,零部件 供应不及时且价格昂贵,维修水平不高。 由于运输初 期沿袭了 “修车不修路” 的旧习,矿山道路质量很差, 以致汽车损坏严重,也影响了汽车的实动率。 虽然在设计和生产中采取了就近排土、 设置境 界内的 “临时” 排土场、 尽量提前内排等措施以缩短 运距,但汽车的运输费用仍然偏高。因此,在霍林河 南露天矿采用了半连续工艺运煤,在准格尔黑岱沟 和平庄元宝山露天矿则采用了连续工艺剥离,从而 形成以单斗汽车工艺为主的综合开采工艺。 312 设备 单斗汽车工艺的设备大体可分为三个档次。 1中小型 4～ 6m 3 斗容单斗电铲, 32t或27t 载重的自卸汽车,适用于150万ta的露天矿,年采 剥总量约1500万t左右。这套设备已全部国产化, 质量基本满足生产需要。 2大型 10～14m 3 斗容单斗电铲、68～108t载 重的自卸汽车,适用于1 000万ta以下的露天矿, 年采剥总量约8 000万t左右。这套设备也已国产 化,但汽车质量尚待提高。 3特大型 23～32m 3 斗容的单斗电铲、154～ 218t载重的自卸汽车,适用于 1 200万ta以上的 露天矿,年采剥总量约112～115亿t左右。这套设 备正处于国产化的初始阶段,目前还主要依靠从国 外引进。 由于进口大型设备价格昂贵,对露天矿投资 举足轻重,解决这套设备的国产化已迫在眉睫。 对于单斗汽车工艺而言,因其应用范围很广,国 内的机械制造部门应加快研制步伐,以尽快实现国 产化。在开始阶段应以零部件制造尤其是易损件 起步,提高零部件的质量和供应能力,然后走向合作 制造整机,最后实现全部国产化。 汽车工业是一门综 合性很强的工业,我国的汽车工业还很年轻,要达到 发达国家的水平,还有很长的路要走。但是,先零件 后整机,先合制后自制,可以在一定程度上缩短这段 路程。 对于汽车耗油问题,颇多非议。 我国石油资源不 多,产量也小,而用油量在激增,因此节约用油是正 21中国煤炭第24卷第12期1998年12月 确的方针。 然而,以 “汽车耗油大” 作为露天矿采用单 斗汽车工艺的主要缺点,的确有失偏颇。 因为汽车耗 油成本高已体现在效益上,不宜重复考虑。 按汽车一 般耗油水平,每产200～300t煤耗油 1t 左右。目前 已建的几座采用汽车运输的露天矿达产后将年产 5000万t左右,年耗油约20万 t, 占我国产油量的 0115左右,实在是太少了。 如果这千分之一二的油 都觉得不应该用,甚至认为以油换煤是一种浪费,那 么,我国的汽车工业以至汽车运输业应不应该大力 发展呢回答是肯定的。我们必须节约用油,但绝不 能因噎废食。 其实,露天煤矿的设计师们不仅在千方 百计地缩短汽车运输距离,而且在努力实现半连续 运输。 至于双能源汽车,虽然在国外已有不少矿山应 用,也取得了节油的经济效益,却并不适于我国的矿 山。 其主要原因是,我国已建成和拟建的露天煤矿以 开采近水平和缓倾条件煤层为主,水平推进速度较 快,开拓坑线很难固定,也就难以应用双能源汽车。 4 轮斗胶带工艺 411 特点 80年代以来,我国在平庄元宝山、 准格尔黑岱 沟的上部松软层和云南小龙潭的剥离中先后采用了 轮斗胶带连续工艺,在胜利一号露天矿的可研报告 中,也准备采用这种工艺。 但除云南小龙潭已运转了 几年外,其余尚在安装、 试运转或准备阶段。从我国 露天煤田的岩性和气候条件来看,适于轮斗胶带工 艺者不多,初步认识这种工艺的特点是①效率高, 能力大,适于采剥总量较大的矿山;②受切割力限 制,适于开采线切割力在200kNm以下的软质煤 岩;③价格昂贵、 投资较大;④要求较高的管理水平。 正是这些特点,在很大程度上限制了连续工艺 的应用范围。上述几座露天矿所采用的连续工艺仅 限于松软层,与其它工艺组成综合开采工艺。 这种工 艺选择是否正确,尚有待实践的检验。 412 设备 平庄元宝山露天矿采用3 600m 3 h轮斗、11 4m 胶 带 和5000m 3 h轮 斗、114～11 8m 胶 带 和6 000m 3 h排土机。 这两套连续工艺设备属中型,全部 从国外引进,比较昂贵。 元宝山1994年底调概数为 轮斗1103亿元 台,排土机5 300万元 台。 黑岱沟4 台轮斗与2台排土机合计约8 700万美元,折合人 民币713亿元。 胜利一号露天矿采用5 000m 3 h轮斗、11 8m 胶 带和5 500m 3 h排土机,也属中型。 按该矿的可研报 告,动态总投资2817亿元,折合吨煤286199元 t, 其中设备静态投资11167亿元,折合吨煤116175 元,占总投资的60118。 从我国的资源条件看,完全适合轮斗胶带工艺 的较少,局部适合的有几座。因此,轮斗电铲的国产 化可以适当推迟,但胶带和排土机因适于半连续工 艺,应大力提高能力与质量。 至于跨坑排土机CPS , 应用范围更小,国内研 制近期尚无必要。 5 半连续开采工艺 511 特点 半连续开采工艺有多种组合形式,我国应用较 多的是单斗破碎胶带排土机或受煤仓 , 而 且首先在采煤系统中应用。如安太堡、 霍林河南、 伊 敏一号、 黑岱沟和元宝山都采用了单斗汽车配合坑 边破碎和胶带运煤,剥离半连续系统仅在元宝山下 部剥离台阶应用。由于这种半连续系统显著缩短了 汽车运距,降低了运输成本,引起了人们的重视。但 目前生产效率偏低,亟待提高。 另一种是连续采煤机汽车转载机胶带系 统,拟在霍林河南应用。连续采煤机是集穿煤、 采装 和破碎于一身的开采设备,它既适于选采以提高煤 质,又可省去破碎环节,简化工艺系统,有良好的发 展前景。 半连续工艺的主要特点是间断与连续组合,以 发挥各自的优势,因此,二者的配合与衔接至关重 要。 512 设备 破碎机。 这是半连续工艺的中心环节,目前基本 依靠从国外引进,国产品限于2 000th以下的小型 破碎机,质量尚不过关,即使国外设备,生产中也时 有故障。 要逐步扩大半连续工艺的应用范围,应大力 加强破碎机的研制和提高。 胶带机。 国产设备只限于短的中小型胶带,长的 大型胶带尚依赖进口。 受管理水平的限制,胶带机故 障较多,防冻防粘问题尚未解决,以致普遍达不到设 31露天煤矿开采工艺与设备国产化 计能力,运输成本偏高。 要克服目前的重设计计算轻 制造工艺和生产管理的倾向,推动半连续和连续工 艺的发展。 连续采煤机。 这是有发展前途的选采设备,对提 高煤质有重要作用,尤其是省去破碎 环节,有利于 简化工艺系统。我国应积极引进吸收和研制。 6 吊斗倒堆工艺 611 特点 吊斗倒堆工艺是一种集采装、 运输、 翻卸于一体 的剥离费用最低的开采工艺。 这种工艺已有70余年 历史,国外半个世纪前即已广泛应用,它所具有的能 耗低、 故障率低、 用人少、 效率高等特点已为世界所 公认。 我国迄今还没有应用此工艺的露天煤矿,由于 煤层较厚、 剥离层也厚,采用倒堆受到设备线性尺寸 和运煤通路的限制;更主要的原因还是对倒堆工艺 不熟悉,设备又全靠进口。 前苏联应用倒堆工艺已日趋广泛,适用的煤层 倾角已扩展到12,倒堆厚度已增大到100m以上, 倒堆次数一般为3～5次,个别达7次以上,但相应 的倒堆系数总倒堆次数的相应倒堆累计与初始倒 堆量之比一般不超过3。在库兹巴斯矿区,倒堆系 系数为3时,其成本相当于单斗汽车工艺运距 215km的75 ,相当于单斗铁道工艺运距大于 10km的60。 吊斗倒堆工艺的低成本已引起了我国露天界的 重视。在东胜武家塔240万ta可研、 胜利一号1 000万ta投标中,均提出了吊斗倒堆工艺与其他 工艺的综合工艺。 612 设备 我国从未生产过吊斗铲,因此,上述几座首批使 用吊斗倒堆工艺的露天煤矿,其设备只能进口。 前苏联乌拉尔重机厂和克拉玛多尔工厂已能生 产斗容15～100m 3, 臂长85～130m的吊斗铲。用于 倒堆的 Э В Г- 3565型单斗电铲也已完型。 美国是应用吊斗铲最多的国家,吊斗铲规格已 发展到斗容近170m 3, 臂长约110m。 我国的太原重型机械厂等厂家曾生产过20台 4m 3 40m吊斗铲供水利工程用,现已看好吊斗铲的 前景,正着手与国外合作制造的工作。 7 前景与方向 我国的露天煤田主要分布在内蒙、 山西、 陕西、 新疆、 云南等边远省区,这些地区工业基础差、 人烟 稀少,煤层多属近水平赋存。 从可持续发展的方针来 看,应大力提高煤质,发展选采,并应努力保护环境, 改善边远地区的脆弱生态系统。 因此,我国的露天开采工艺必须适应资源条件 和环境要求,避免单一化,以发展综合工艺为主,即 矿山条件适合什么工艺就用什么工艺。 总的说来,应 以应用范围最广的单斗倒堆和少量连续工艺为宜。 单斗铁道工艺效率低、 用人多、 运量小、 占地多,特别 不适于边远地区。 作为一个产煤大国,露天开采设备原则上应该 实现国产化,但从我国的机械制造水平来看,短时期 内达不到全面国产化的要求。因此,从国情出发,应 慎重确定露天开采设备的研制方针。 具体建议如下 1从工艺类型看,应分轻重缓急,首先应大力 研制应用最广的单斗汽车工艺设备,包括25～32m 3 斗容的单斗电铲和154～218t载重的自卸汽车。其 次,应着重研制适应选采要求的连续采煤机和半连 续工艺中的破碎机。 第三,应着力提高钢芯胶带的质 量和档次,增加胶带运行的可靠性,尤其是要解决防 冻和防粘问题。至于连续工艺的轮斗和倒堆工艺的 吊斗,因应用范围小,使用数量少,近期不妨仍以引 进为主。应该指出,有些应用很广的辅助设备,如 310马力以上的推土机,不仅可用于露天煤矿,也可 用于大型土石方工程,也应积极研制。 2从设备型号看,应从小到大,逐步发展,想一 蹴而就,反而欲速不达。 3对于技术复杂的设备,不妨从零部件起步, 一方面可以改善维修所需零部件的供应,另一方面 也有利于逐步掌握先进技术。 4急需制订国产化的鼓励政策。当前,机械制 造厂家忙于适应市场,不愿承担研制新设备的风险, 而作为设备用户的矿山总是抱怨国产设备质次价 高,有的宁愿从国外引进。 这种现状对发展国产设备 极为不利。国外近年兴起的由中间商承包设备使用 的形式,可以解除制造厂家和设备用户双方的后顾 之忧,我国也可以借鉴。 41中国煤炭第24卷第12期1998年12月