黑岱沟露天煤矿拉斗铲倒堆作业方式比选分析.pdf

第29卷第6期 2020年6月 中国矿业 CHINA MINING MAGAZINE Vol. 29 , No. 6 June 2020 黑岱沟露天煤矿拉斗铲倒堆作业方式比选分析 刘e1,孙健东张瑞新12,王帷先1,齐春雪张12 1.华北科技学院安全学院，河北廊坊101601； 2.中国矿业大学北京能源与矿业学院，北京100083 摘要拉斗铲倒堆作业方式的设计应充分考虑原煤产量、工作线长度等参数，然而近十年来黑岱沟露天 煤矿原煤生产目标不断提高，转入二采区后工作线长度也发生了变化，拉斗铲倒堆工艺的效率不断降低、 成本不断增加，目前已成为黑岱沟露天煤矿综合开采工艺的瓶颈环节。针对上述问题，研究分析了倒堆工 作面参数对系统作业效率的影响，提出了三种拉斗铲倒堆作业方式，计算了各方案的移设周期内可挖掘物 料量、可用排弃空间、二次倒堆量等关键指标，得出在当前开采条件下，采用立斗铲分别站立于工作面与 排土场倒堆”作业方式系统效率最高，经济效益最佳。 关键词露天煤矿；拉斗铲；作业方式；经济效益 中图分类号TD824 文献标识码A 文章编号10044051202006013906 Comparison analysis of the excavation modes of dragline in Heidaigou open-pit coal mine LIU Rong1 , SUNJia ndong1, ZHANG Ruixin12 , WANG Weixia n1 , QIChunxue1 , ZHANG Zha o2 1. School of Security, North China Institute of Science a nd Technology, La ngfa ng 101601, China； 2. School of Energy a nd Mining Engineering, China University of Mining a nd TechnologyCBeijing , Beijing 100083, China Abstract The exca va tion mode of dra gline should consider the production of ra w coa l a nd the length of the working-lineHoweverin the pa stten yea rs,the production ta rgetofra w coa lha s been continuously improved in Heida igou open-pit coa l mine a nd the working-line beca me longer a fter it wa s tra nsferred to the second mining a rea As a result,the eficiency of dra glineis continuously decrea sing a nd the costis increa singAtpresent,itbecomesthebotleneckofthecomprehensive miningprocessInviewofthea bove problems,theinfluenceofthepa ra metersofthe workingsurfa ceonthesystem exca va tioneficiency wa s studieda nd a na lyzedThree types of dra gline exca va tions were proposed,a nd ca lcula ted some crucia l pa ra meters,whichincludethea mountofexca va blema teria ls,a va ila bledisposa lspa ce,theseconda rydumping a mount,etcUndercurrentminingconditions,itconcludedtha tthedra glinereceivedthehighesteficiency a ndbesteconomicbenefitswhenitproductsbysta ndingontheworkingsurfa cea nddumpingsite Keywords“open-pitcoa lmine； dra gline； production mode； economicbenefit 收稿日期收稿日期2020-01-03 责任编辑责任编辑赵奎涛 基金项目基金项目中央高校基本科研业务费项目资助编号3142019036;3142019007 第一作者简介第一作者简介刘蝶1995 ERDEM等4根据拉斗铲作业时站立位置不同 提出拉斗铲站立于工作面、站立于排土场两种作业方 式,分析了两种作业方式的特点；RAJESH等旧对拉 斗铲倒堆工艺的排土场合理高度进行研究，得出了 煤层厚度对倒土堆高度的影响规律。 我国拉斗铲倒堆工艺的研究与应用起步较晚， 张幼蒂等研究了世界拉斗铲应用情况，并对我国 主要露天矿区应用拉斗铲倒堆工艺的可行性分析； 张平宽等8“对拉斗铲倒堆工艺和单斗-卡车工艺经 济效益情况进行了对比分析；孙健东等）1011*对拉斗 铲作业程序、循环时间、经济效益等进行了研究，确 定了拉斗铲倒堆作业具体参考指标，为拉斗铲作业 设计提供理论基础。 2007年黑岱沟露天煤矿首次应用了抛掷爆破- 拉斗铲倒堆联合开采工艺，至今仍采用原设计方案， 即拉斗铲站立于工作面倒堆作业方式。目前黑岱沟 露天矿已转入二采区，受原煤产量、煤层赋存条件及 采场推进度的影响，拉斗铲倒堆作业已经成为制约 露天矿综合开采工艺的瓶颈环节，因此重新探讨拉 斗铲可行的作业方式，归纳总结各类作业方式的适 用条件，对提高拉斗铲效率、增加倒堆工艺系统生产 能力意义重大。 1拉斗铲倒堆铲倒堆作业方式分析 1.1拉斗铲倒堆工作面参数对系统的影响分析 拉斗铲倒堆作业方式的设计是诸多限制条件 下，合理的平衡各项指标，最终找到相对最优解的过 程。由于各因素之间相互关联，难免产生相互重叠、 相互制约的情况，因此需要结合现场实践经验辅助 设计。考虑到拉斗铲倒堆工作面参数诸多，首先需 要按照限制条件特点及参数的可调节性将参数划分 为地质条件参数、安全条件限制参数、作业工程条件 限制参数。参数分类及对系统的影响详见表1。 Table1 Impactanalys/sofparameters 表1参数的影响分析 限制因素参数名称素对系统及参考指标的影响 地质条件 煤层厚度 倒土堆坡面角 赋存条件 岩土性质 原煤工作面推进度 工艺核心参数 安全条件 高台阶坡面角 安全作业距离 岩石性质 拉斗铲型号 有效抛掷率 拉斗铲移动频次 作业工程条件 工作面宽度 倒土堆高度 层坡 角 拓展台阶宽度 拉斗铲站立台阶高度 拉斗铲安全作业要求 性 拉斗铲作业方式 及站立台阶高度 穿孔角度 拉斗铲站立台阶高度 拉斗铲站立位置 排弃空间、二次倒堆量 排弃空间 拉斗铲可挖掘范围 二次倒堆量 排弃空间、二次倒堆量 拉斗铲可挖掘范围 1.2拉斗铲倒堆作业方式设计评价指标 抛掷爆破-拉斗铲倒堆是一套紧密联系的工艺 系统，以系统效率最大化为目标对拉斗铲倒堆作业 方式进行设计。因此，在理想条件下，应保证拉斗铲 单机效率最大化、抛掷爆破效率最大化、有效作业量 比重最大化。根据研究经验，提炼出上述三个优化 目标的核心代表性指标如下所述。 1）移设周期内可挖掘物料量。拉斗铲作为一 种移动缓慢、对作业条件苛刻的超大型机械设备，更 适宜在固定位置长时间作业，以充分发挥其能力，因 此，必须保证拉斗铲在各主要机位上具有充足的物 2） 可用排弃空间。拉斗铲倒堆作业成本远低 于采场上部单斗-卡车工艺系统，因此，在倒堆系统 能力可承受的范围内，应尽可能提高倒堆系统剥离 任务量，因此需要充足的排弃空间。 3） 二次倒堆量。拉斗铲倒堆作业过程中，二次 倒堆量主要来源于未进入排土场的拓展平台物料， 后期需要进行重复剥离作业，占拉斗铲整体作业量 的15〜40，因此降低二次倒堆量可以直接降低 系统作业成本。 2拉斗铲倒堆铲倒堆作业方式设计 拉斗铲倒堆作业方式按拉斗铲站立位置可分 料可供挖掘。为站立于工作面倒堆作业、分别站立于工作面与排 第6期刘 蝶，等黑岱沟露天煤矿拉斗铲倒堆作业方式比选分析 141 土场倒堆作业和站立于连通工作面与排土场的平台 业。 2.1拉斗铲站立于工作面倒堆作业 H2 2ta n ab““为煤台阶坡 面角，（）。 间需要大于等于爆破后的松散物料体 积，则有式（2）〜（4）。 式（4）化简后可得式（5）。 式中S排为排土空间，m3 ;为排土场坡面角，（）; S爆为爆破物料量，m3 ；H爆为爆破高台阶高度，m； 为 数，取148。 2.2拉斗铲分别站立于工作面与排土场倒堆作业 业方式中，拉斗铲先 于工作 上分层物料 侧的 平台，然 或 者绕 侧 料。 拉斗 的初 业平台由推土机辅助拓 展,详见图2。同 间应不小于爆；松散 物料体积,则有式（6）〜（7）。 2 2ta n 2 an 2 2 bH “Hmax 8a一 H站）2 H爆 （7） 式中，Hmax为排土场极限堆高，m。 3 S爆bH爆 图1 拉斗铲站立于工作面倒堆作业 Fig. 1 Dragline excavate by standing on the working surface b b 图2拉斗铲分别站立于工作面与排土场倒堆作业 Fig. 2 Dragline excavate by standing on the working surface and dumping site S排 142中国矿业 第29卷 2.3拉斗铲站立于连通工作面与排土场的平台倒 堆作业 该种作业方式中，拉斗铲依次由工作面移设至 排土场，自行完成煤沟处站立平台、排土场侧站立平 台的构筑工作，详见图3O 由于拉斗铲作业条件较为苛刻，工作面平台倾 角应小于10。因此，将拉斗铲站立于工作面作业 平台于拉斗铲站立于排土场作业平台处于同一水平 线。拉斗铲倒堆作业站立平台的高度是最关键的参 数，同时影响排土空间与二次倒堆量。此种作业方 式排土空间与拉斗铲站立于排土场倒堆作业方式计 算方法一致（参考式（6））。 3 31 黑岱沟露天煤矿位于内蒙古自治区鄂尔多斯市 准格尔旗东部的准格尔煤田中部，自2007年首次应 用抛掷爆破-拉斗铲联合倒堆工艺，设计规模由当时 的25 Mt/a攀升至现在的34 Mt/a ,并形成了较为 的设计 数。 黑 沟 矿 二 采区开采，经现场测量收集得到相关参数,详见表2。 b b 图3拉斗铲站立于连通工作面与排土场的平台倒堆作业 Fig. 3 Draglin excavate by standing on the plat connecting working face to dumping site 表2黑岱沟露天煤矿参数 Table 2 Parameters of Heidaigou open-pit 参数名称倒土堆坡面角a煤层坡面角“高台阶坡面角5安全作业距离K倒土堆高度H 数值387565 15 6 m 0 〜72 5 m 数名工作面宽度煤层厚度H煤实体高台阶高度H爆原煤开采工作线长度拉斗铲倒堆工作线长度L 数 85 m32 m45m2200 m1500 m 当前黑岱沟现场应用的抛掷爆破台阶高度为 35〜50 m,拉斗铲站立台阶高度为11 m。对近5年 的抛掷爆破爆堆数据统计分析得到高台阶高度在 45 m时可获得较高的有效抛掷率。为保证拉斗铲效 率,要求拓展平盘（站立平台）高度应在10〜16. 5 m 之间）14*。将数据代入式（5）和式（7）均成立，排土空 间充足，符合设计要求。 对于拉斗铲站立于工作面倒堆作业方式，将表 2数据代入式（1）得到拓展台阶宽度应为27. 8〜 61.6 m。拉斗铲站立台阶高度在10 m时拓展台阶 与排土场连通，不予考虑。CAD作图推演得出站立 平台高度在11 m时，二次倒堆量最少，拉斗铲总作 业量相对较多，因此合理平台参数为11 m；同理，可 得到拉斗铲分别站立于工作面与排土产作业方式合 理平台参数为11 m；拉斗铲站立于连通工作面与排 土场的平台倒堆作业方式合理平台参数为10 m。 不同站立台阶高度各部分作业量统计见图4。 三种作业方式在合理平台参数下，拉斗铲分别 站立于工作面与排土场倒堆作业方式产生的二次倒 堆量最少，仅为414 m3 ;且二次倒堆占比最小，仅为 14，较另两种作业方式提高8〜10,拉斗铲作 业效率最高。拉斗铲站立于工作面倒堆作业方式所 产生的二次倒堆量最多，且二次倒堆占最大，拉斗铲 业 率 。 3.2不同原煤开采强度下拉斗铲倒堆作业方式分析 为保证完成原煤生产计划，露天矿采矿工作线 年推进度T满足式（8）。 T 7 E （8） Z煤H煤 式中M煤为原煤年产量，Mt/a煤为原煤开采工作 第6期刘 蝶，等黑岱沟露天煤矿拉斗铲倒堆作业方式比选分析 143 4 000 3 500 3 000 中 2 500 臣田二次倒堆量 拉耳萨倒堆作业量 占二次倒堆占比 0.35 0.30 0.24 |--2-5| 0.25 2 000 1 500 1 000 500 0 11 2 545 論 801 Si Hi Hi 937 976 989 2 494 胭 997 12 13 14 15 站立台阶高度/m a 拉斗铲站立于工作面 16 0.20 0.15 0.10 0.05 0 4 000 nn 3 500 3 000 左 2 500 2 000 1 500 6.14 1 000 500 0 二次倒堆量 拉斗铲倒堆作业量 二次倒堆占比 0.29 0.27 0.35 0.30 0.25 0.20 0.16 0.15 2 515 2 461 2 544 1 060 2 583 ,938 2 493 1 - 0.10 9io 11 12 13 14 15 16 站立台阶高度/m b拉斗铲分别站立于工作面与排土场 0.05 0.00 8二次倒堆量 ■拉耳萨倒堆作业量 占二次彳 4 000 3 500 “ 3 000 € 2500 春 2 000 世 1 500 1 000 500 0 11 12 13 14 15 16 站立台阶高度/m c拉斗铲站立于连通工作面与排土场的平台 到堆占比 0.35 0.Z 2 0；26 .27 V625 2564 2507 263 1 029 1 111 1 196- 0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 || 0 图图4拉拉斗铲作业各部分作业量统计作业各部分作业量统计 Fig. 4 Workload statistics of dragline 线长度，9；y为原煤容重，取1. 47。 可得到拉斗铲年总作业量S总，见式9。 S总S作 LT 9 式中作为倒堆作业截面积，m2 为拉斗铲倒堆 业 m。 黑岱沟露天煤矿正使用的设计参数、优化后设 计参数和新作业方式 设计参数条件下，算得拉 斗铲年 业总量12〜17 Mm3/a,均在拉斗铲 业 范 。最后可计算拉斗铲年 「作 业总成本Q总和二 业成本Q二次，见式10。 Qa S 总 总 10 000 8 10 。次二 样二人10 000 式中，为拉斗铲倒堆作业成本，统计平均10元/m。 3为不同原 量计划下拉斗 业成 本和二 的重复成本计算量。由表3可 知，拉斗铲分 于 与 业方 式相较于 两种拉倒堆作业方式有更可观的经济 效益拉斗铲作业成本节约1 749万〜2 444万元， 二 业成本节约1 344万〜2 204万元。综 合得出拉斗铲分 于 与 业 方式 ，推荐黑岱沟 矿 。 表表3不同原煤年产量下成本统计不同原煤年产量下成本统计 Table 3 Cost statistics of different raw coal annualproduction 原煤年产量/ Mt/a 拉斗铲倒堆作业方式 站立于工作面 H爆45 m；H站11 m 业成万元 二 成万万元 28140323360 30150353600 32160373840 34170394080 36180414320 38190444560 拉斗铲倒堆作业方式 原 年 量/分别站立于工作面与排土场 Mt/a H 爆45m；H 11 m 作业成本/万元二次倒堆成本/万元 28122831736 30131611860 32140381984 3414915 2 108 3615793 2 232 3816670 2 356 拉斗铲倒堆作业方式 原 年 量/于通 与 的平台 Mt/a H 爆45m； H站10 m 作业成本/万元二次倒堆成本/万元 28140843080 30150903300 32160963520 34171023740 3618108 3 960 3819114 4 180 4结论 1通过分析拉斗铲倒堆工作面参数对系统作 业效率的 将参数划分为地质条件参数、安全条 件限制参数、作业 条件限制参数 类;确定了 144中国矿业 第29卷 以移设周期内可挖掘物料量、可用排弃空间、二次倒 堆量为关键评价指标。 2 根据拉斗铲倒堆作业方式的步骤及特点，对 拉斗铲作业方式的可用排弃空间进行定量分析，得 到三种拉斗铲作业方式可应用于黑岱沟露天煤矿； 计算得到不同站立台阶高度下拉斗铲倒堆作业量和 二次倒堆量，确定了三种作业方式各自的合理平台 参数;对比二次倒堆占比得到拉斗铲分别站立于工 作面与排土场倒堆作业方式下倒堆系统作业效率 最高。 3 对不同原煤开采强度下三种拉斗铲作业方 式经济效益比较，结果为拉斗铲分别站立于工作面 与排土场倒堆作业方式较其他两种总作业成本节约 1 749万〜2 444万元，二次倒堆作业作业成本节约 1 344万〜2 204万元，经济效益极佳。 。 ■■ 参考文献 1李克民，马军，张幼蒂，等.拉斗铲倒堆剥离工艺及在我国应用 前景 HJ1 煤炭工程，2005,371046-48. LI Kemin,MA Jun, ZHANG Youdi,et a l. Open ca st a nd ts a pplica tion prospect in surfa ce mines in China [J*. Coa l Engineering,2005,3710 46-48. 2*孙健东.露天矿拉斗铲倒堆工艺系统优化理论及应用研究 D*.北京中国矿业大学北京2016. 3* VALGMA Ingo. An eva lua tion of technologica l overburden thickness linit of oil sha le open ca sts by using dra glines]〕*. Oi Sha e，1998，152134-146. 4* ERDEMB,DURAN Z,CELEBI N. A model for direct dra gline ca stingina dippingcoa sea mJ*.TheJourna oftheSouth Africa nInstituteofMininga nd Metaurgy2004，1041 9-16. 5 * RAJESH RAIS，KALITA T.Sensitivitya na ysisofinterna dra ginedumpsta biityfiniteeementa na ysisJ*.Geotech GeoEng2012，301397-1404. 6 *张幼蒂，才庆向，李克民，等.世界露天开采技术发展特点及我 国露天采煤科研规划建议*.中国煤炭,9962210 10-12,4. ZHANG Youdi，CAI Qingxia ng，LI Kemin，et a lDevelopment cha ra cteristicsoca stminetechnologyinthe worlda nd suggestionsforChina openca stminescientificresea rchpla n- ningJ*China Coa l，1996 221010-12，14 7*张幼蒂，李克民，尚涛，等露天矿倒堆剥离工艺的发展及其应 用前景露天矿倒堆剥离开采方法系列论文之一*中国矿 业大学学报，2002,144-7. ZHANG Youdi， LI Kemin， SHANG Ta o， et a lOpen ca st a nditsa pplica tionprospectinsurfa ceminesinChina technica lpa perseriesforopenca stonsurfa ce mines I [J*. Journa l of China Universty of Mining a nd Technol- ogy2002，3144-7 8 *张平宽.黑岱沟露天煤矿拉斗铲倒堆工艺与单斗-卡车间断工 艺的经济性比较*露天采矿技术20131025-27,0. ZHANG P ingkua n. Economica l compa rison of open ca st a ndspindlebucket-ca rdshopbrea kingprocessin Hei- da igousurfa ce mineJ*.Openca st Mining Technology，2013 1025-27，30. 9 *张平宽，王桂林，王平亮.拉斗铲倒堆剥离工艺在黑岱沟露天 矿的 J*. 采矿 2009530-32，44. ZHAG P ingkua n，WANG Guilin，WANG P inglia ng. Applica - tionoca stin Heida igouopensurfa cemineJ*. Openca stMiningTechnology 2009530-32，44. 10*孙健东，张瑞新，郝强，等.拉斗铲操作技术水平的考核方法研 究*煤矿机械 2016,7923-26. SUN Jia ndong，ZHANG Ruixin，HAO Qia ng，eta lResea rch on a ppra isa l sta nda rd with dra gline opera tion techniqueHJ*. Coa lMine Ma chinery 2016，37923-26. 11*孙健东，张瑞新，马新根，等拉斗铲一次作业循环效率提升研 究*采矿与安全工程学报2016,34721-727. SUNJia ndong，ZHANG Ruixin，MA Xingen，eta lStudyon eficiencypromotion ofdra gline with single-opera tion cycle J* Journa lof Mininga ndSa fetyEngineering 2016，334 721-727 12*程鹏，肖双双.黑岱沟露天煤矿拉斗铲扩展平盘高度确定* 2015，47614-17 CHENG P eng， XIAO Sha ungshua ngDetermina tion of ex- tendedbench heightofdra glinein Heida igou openca stcoa l mineJ*Coa lEngineering 2015，47614-17