露天采矿机应用条件与开采工艺参数研究.pdf

Series No. 475 January2016 金属矿山 METAL MINE 总 第475 期 2016年第 1 期 收稿日期2015- 10- 26 基金项目国家自然科学基金项目 编号 51304104 。 作者简介白润才 1961 ， 男， 教授， 博士研究生导师。 露天采矿机应用条件与开采工艺参数研究 白润才董瑞荣刘光伟刘闯 辽宁工程技术大学矿业学院， 辽宁 阜新 123000 摘要针对薄煤层开采和复杂煤层选采困难的问题， 提出了使用露天采矿机进行开采的应用方案。为了探究 露天采矿机的应用条件， 建立了煤层复杂性评价模型， 详细研究了露天采矿机的物料运输匹配方式及其开采参数。 通过对内蒙某露天矿的分析， 结果表明 使用露天采矿机进行开采， 回采率提高了 2. 93， 含矸率下降了 17. 23， 毛 煤热值提高了 1 672. 25 kJ/kg; 采用自卸卡车直接跟车装载物料的运输方式， 每层煤划分为一个台阶， 最小工作平盘为 30 m。复杂煤层采用露天采矿机选采， 可显著提高煤炭质量， 有效增加资源回收量， 实现经济效益最大化。 关键词露天采矿机评价模型运输方式开采参数 中图分类号TD824文献标志码A文章编号1001- 1250 2016 - 01- 136- 06 Research on Application Conditions and Mining Parameters of Surface Miner Bai RuncaiDong RuirongLiu GuangweiLiu Chuang College of Mining and Engineering， Liaoning Technical University， Fuxin 123000， China AbstractFor the difficulties in mining of thin coal seam and complex coal seam， the scheme that adopts the surface miner is proposed．In order to explore the application conditions of surface miner， an uation model of complex coal seam was established and a detailed investigation on transportation means of material and mining parameters was made．The analysis on a open pit located in Inner Mongolia indicated that the recovery rate increased by 2．93 and the refuse content declined by 17． 23 and the calorific value of ROM coal increased by 1672．25 kJ/kg by using surface miner for mining．Directly matched with the miner， the dump truck was adopted for loading material at each layer of coal with minimum working plat of 30 m．The scheme that adopts surface miner at complex coal seam remarkably enhanced coal quality， effectively increased resource recov- ery and eventually maximized the economic benefits of open pits． KeywordsSurface miner， uation model， Transport mode， Mining parameter 当前， 受煤炭价格下跌和供求关系的影响， 国内 煤炭行业面临着利润下降甚至亏损的困境， 提高煤炭 品质、 提高煤炭采出率、 增加煤炭附加值和降低开采 成本更加成为人们关注的焦点。我国当前开发的露 天矿具有如下特点 ①多为煤层层数多、 结构复杂的 近水平或缓倾斜复合煤层; ②设备大型化选采效率低 下; ③与煤共伴生的有益矿层和煤层可以看作复合矿 层。上述问题的存在， 严重影响了露天矿的煤炭品 质， 降低了煤炭采出率， 造成煤炭及其共伴生资源浪 费。露天采矿机在薄煤层的回采和复杂煤层的选采 方面展现了无与伦比的优势［1- 4 ］。因此， 露天采矿机 开采工艺在中国的露天煤矿具有广阔的应用前景。 露天采矿机的进一步发展和完善将成为中国露天煤 矿开采工艺的发展方向。 露天采矿机是一种采用分层铣削方法开采的连 续式采矿设备， 它具有如下优点 ①集开采、 破碎、 收 集于一身， 省去了钻孔、 爆破及与之相关的辅助环节， 简化了工艺。避免了爆破震动带来的不利影响， 开采 后的物料粒度适中， 不需要二次破碎。②一次采厚 小， 选采性能好。刨采深度可以自由调整， 实现精确 选采。回收薄煤层， 提高资源采出率。可减少废石混 入， 提高矿石质量。③机身质量轻， 行走速度快， 机动 灵活。④作业坡度大， 截割力强， 对地质条件的适应 力强。⑤连续作业， 生产能力大 ［5 ］。露天采矿机工 艺已经在国外很多石灰石矿和煤矿获得了广泛应用 并且取得了较好的技术效果与经济效益。在国内， 一 方面是认识与观念方面的问题， 另一方面是对这项技 术的掌握程度还很欠缺， 因此， 对于露天采矿机的研 231 究仅出现在工艺方案对比中， 尚无成功的实际应用实 例 ［6- 13 ］。针对露天采矿机的应用， 国内外学者作了大 量研究 丁立明研究了煤层选采厚度， 建立了煤损与 混矸模型， 提出了选采厚度的确定原则; 唐旭天和罗 怀廷针对薄煤层选采的技术难题， 设计了可行的采运 方案， 确定了关键设备数量; 郝文玉等对露天采矿机 应用前景进行展望， 给出了作业效率的计算公式。上 述学者重点从设备自身特点进行了研究， 对资源适用 条件和开采工艺参数研究较少， 而资源条件和具体工 作方式对应参数对采矿机的应用至关重要， 因此有必 要对此进行研究。 本研究拟通过分析复杂煤层结构， 建立煤层复杂 性评价模型， 研究露天采矿机的应用条件， 并结合应 用实例， 研究露天采矿机的工艺匹配模式及其开采参 数。 1复杂煤层评价模型的建立 目前我国正在开发和计划开发的露天矿多具有 发育煤层数量多、 可采煤层数量少的特点， 而可采煤 层通常煤层结构复杂， 夹矸层数量众多， 采用单斗电 铲进行开采， 选采难度大， 造成煤炭采出率降低， 含矸 率上升， 发热量降低等。露天采矿机的出现， 为解决 上述问题提供了一种新的选择。为了研究露天采矿 机在开采复杂煤层时的适用情况， 建立复杂煤层评价 模型， 研究采用露天采矿机和单斗电铲进行选采对原 煤发热量、 采出率、 含矸率等参数的影响， 在基本定性 判断的基础上， 尝试对煤层的复杂程度进行量化研 究， 对比露天采矿机和电铲开采对上述几个参数带来 的影响 ［14 ］。 将厚度小于露天采矿机最小选采厚度的煤层命 名为 A1、 A2、 A3、 、 Am， 平均厚度为 dA; 矸石层命名 为 B1、 B2、 B3、 、 Bn， 平均厚度为 d B。将厚度大于露 天采矿机最小选采厚度而小于电铲最小选采厚度的 煤层命名为 C1、 C2、 C3、 、 Cp， 平均厚度为 dC; 矸石层 命名为 D1、 D2、 D3、 、 Dq， 平均厚度为 dD。将厚度大 于电铲最小选采厚度的煤层命名为 E1、 E2、 E3、 、 Er， 平均厚度为 dE; 矸石层命名为 F1、 F2、 F3、 、 Fz ， 平 均厚度为 dF。假设矸石和煤层在同一台阶内被采 出， 煤层及矸石层的体积用厚度来表示。 采用露天采矿机时， 参数表示如下。 1 采出率 s1 s1 dCp dEr dAm dCp dEr dBn dDq dFz. 1 2 毛煤含矸率 β1 β1 dBn dAm dCp dEr γM → ← γG dBn dDq dFz γG. 2 3 毛煤热值 R1 R1 dCp dEr γMRM d BnγGRG dCp dEr γM d BnγG . 3 采用电铲时， 参数表示如下。 1 采出率 s2 s2 dEr dAm dCp dEr dBn dDq dFz. 4 2 毛煤含矸率 β2 β2 dBn dDq γG dAm dCp dEr γM dBn dDq dFz γG. 5 3 毛煤热值 R2 R2 dErγMRM dBn dDq γGRG dErγM dBn dDq γG . 6 采用露天采矿机和电铲 2 种不同设备开采时， 采 出率、 毛煤含矸率、 毛煤热值的变化为 Δs s1 － s 2 dCp dAm dCp dEr dBn dDq dFz， 7 Δββ2－β1 dDqγG dAm dCp dEr γM dBn dDq dFz γG， 8 ΔR R1 － R 2 dBndCp dCpdDq dD [ dCp dEr γM d BnγG] → ← qdErRM － R G γM γ G [dErγM dBn dDq γG] . 9 从对比情况可以看出 能够被采矿机采出却不能 被电铲采出的煤层总厚度越大， 提高的采出率越大; 能够被采矿机剔除却不能被电铲剔除的矸石总厚度 越大， 降低的含矸率越大; 同理， 这二者的差越大， 提 331 白润才等 露天采矿机应用条件与开采工艺参数研究2016 年第 1 期 高的热值越大。煤层的复杂程度不同， 露天采矿机变 现出的适用性也不同。根据统计， 含矸率每降低 1 个 百分点可以提高发热量 209 kJ/kg， 如发热量每提高 418 kJ/kg， 吨煤售价提高 3 元。可以先通过定性进 行判断， 再通过定量来估计采用新工艺带来的收益。 煤炭价格的提升 ΔV煤f Δs， Δβ， ΔR ， 每个矿可以根 据自己的实际情况计算 3 项参数的提升对煤价的影 响， 根据增加的收益和其他因素综合考虑是否选用露 天采矿机。 2物料运输匹配方式及开采参数确定 与露天采矿机匹配的物料运输方式主要有卡车 运输和胶带输送机运输， 每种匹配方式对应的开采参 数、 适用条件以及优缺点各不相同。露天矿山在选择 匹配运输方式时， 需根据各自特点确定。 2. 1与卡车配合的方式与参数 2. 1. 1装载方式 采用卡车运输时， 采矿机开采物料有 2 种装载方 式 采矿机直接装入卡车和采矿机侧面堆成料带， 由 前装机装入卡车。 1 直接装入卡车 如图 1 。露天采矿机相对 电铲而言， 具有机身质量轻， 行走速度快， 机动灵活的 特点， 加上卡车的高机动性， 这套系统对地质条件的 适应能力强， 开采后的工作面无需平整就能满足汽车 行驶的要求， 而且轮胎损耗小， 汽车运输效率高。 图 1采矿机将物料直接装入卡车 Fig．1Materials directly loaded into the truck by surface miner 该种装载方式主要存在 2 方面的问题 ①当卡车 被装满后， 采矿机停机等待卡车的入换， 采矿机工作 的连续性受到破坏， 生产能力不能得到充分发挥; ② 由于卡车爬坡能力的限制， 当煤层倾角大于卡车最大 工作角度时， 该系统受到一定的局限性。针对这 2 个 问题， 提出对应的解决方案 ①当卡车被装满后， 采矿 机不停机， 新入换的卡车快速跟进对中， 撒在工作面 上的物料由前装机来处理; ②采用水平分层， 利用采 矿机可自动识别岩性、 滚筒可抬起放下的优势， 遇煤 采煤遇岩采岩。 2 侧面堆成料带， 由前装机装入卡车 如图 2 。 露天采矿机的装料胶带可实现上下左右摆动， 可将单 幅或者多幅开采下来的物料在采矿机侧面堆成料带， 由前装机装入卡车。料带的堆砌高度和宽度与采矿机 和前装机的尺寸有关， 要本着发挥前装机最大生产效 率的原则， 决定料带的参数。该种方式中， 前装机的工 作能力要满足要求， 设备的选型将至关重要。 图 2采矿机侧面堆成料带， 由前装机装入卡车 Fig．2Materials belt piled by the miner and then loaded into truck by the front loader 2. 1. 2工作面参数 1 台阶高度。兼顾设备效率和最大开采高度， 电铲对台阶高度有较严格的限制， 露天采矿机对台阶 划分灵活性强， 现提出一种适合于采矿机的台阶高度 划分方式 为保证发挥采矿机的效率和减少设备间的 互相干扰， 假设 1 个台阶上只布置 1 台采矿机， 根据 露天矿年产量 ［15 ］确定采矿机数目， 继而由煤层总厚 度确定台阶高度 H， 即 H ≤ dV Q ， 10 式中， d 为煤层厚度， m; V 为露天采矿机的年生产能 力， t; Q 为露天矿年产量， t。 V 的计算公式为 V 3QTN， 11 式中， QT为露天采矿机台班生产能力， t/ 台班 ; N 为 露天矿年工作天数， d。 QT的计算公式为 QT 480B采 hvγ Mη， 12 式中， B采为采矿机 1 次采宽， m; h 为采矿机切割机构 的截深， m; v 为采矿机工作时的行走速度， m/min; γM 为煤的实方容重， t/m3; μ 为台班工作时间利用系数。 N 的计算公式为 N n － n1 － n 2 － n 3， 13 式中， n 为年日历天数， 365 d; n1为年节假日天数， d; n2为设备集中检修天数， d; n3为气候影响天数， 主要 受到极端天气的影响不能进行采矿作业， d。 由式 10 ～式 13得出台阶高度 H 为 H ≤ 144 0dB采 hvγ Mη Q n － n1 － n 2 － n 3 ． 14 在实际生产中， 在大台阶内按照采矿机的选采厚 度划分小分层。针对多煤层情况， 可将采矿机根据各 煤层的厚度分配到每个煤层上， 各煤层台阶的高度再 用上述方法进行计算。在实际生产中还可根据厚煤 层中煤质的不同灵活划分台阶。 431 总第 475 期金属矿山2016 年第 1 期 2 最小平盘宽度 Bmin。 Bmin 2R车 B 车 e 1 e 2， 15 式中， R车为汽车最小转弯半径， m; B车为汽车车身宽 度， m; e1为汽车轮胎距离上一台阶最下分层的安全距 离， 取 0．5～1 m; e2为汽车轮胎距离新开小分层边缘 的安全距离， 取 0．5～1 m。 用汽车装载时， 最小工作平盘宽度要素如图3所示。 图 3用汽车装载时的最小平盘宽度 Fig．3The minimum flat width while loading by truck 2. 2与胶带输送机配合的方式与参数 露天采矿机依靠带截齿的滚筒的转动实现对煤 岩的连续性开采， 与胶带输送机配合运输可以最大限 度地发挥露天采矿机的生产能力， 并且运输成本会大 幅下降。与胶带输送机的配合可以分为直接搭接和 使用转载机 2 种方式。 2. 2. 1采矿机直接与胶带搭接 1 台阶高度。台阶高度的计算方法与之前相 同， 但是要符合限制条件 H ≤ H采max － H 采－胶， 16 式中， H采max为采矿机装料胶带以最大角度工作时， 胶 带顶端距离采矿机站立水平的高度; H采－胶为采矿机 的装料胶带以最大角度工作时， 胶带最高处距离胶带 站立水平的高度。 2 最小工作平盘宽度 Bmin。 Bmin B 胶 βmax B 采 e 3， 17 式中， B胶为胶带机的宽度; B采为采矿机装料胶带的 长度; βmax为采矿机装料胶带最大工作角度; e3为胶带 输送机与上一台阶小分层之间的安全距离。 使用胶带运输时的台阶高度如图 4 所示。 图 4使用胶带运输时的台阶高度 Fig．4Bench height while transporting by conveying belt 2. 2. 1采矿机转载机胶带的开采方式 采矿机直接与胶带搭接， 由于采矿机装料胶带长 度的限制， 不仅胶带输送机必须进行频繁的移动， 导 致系统生产能力的下降， 而且对台阶高度和平盘宽度 有很大的制约。为了充分发挥采矿机的连续性和高 生产能力， 在采矿机和胶带之间使用转载机进行转 载， 以减少胶带输送机的移设次数。使用转载机也有 2 种形式 1 台采矿机搭载 1 套胶带和 2 台采矿机搭 载 1 条胶带。 2. 2. 2. 11 台采矿机使用 1 条胶带时 如图 5 图 5 1 台采矿机使用 1 条胶带 Fig．5One belt per one surface miner 1 台阶高度 H。 H ≤ H转max － H 胶 － e 4， 18 式中， H转max为转载机向上以最大角度工作时， 胶带顶 端距离转载机站立水平的高度， m; H胶为胶带输送机 的高度， m; e4为转载机卸料胶带到胶带输送机的安全 距离， m。 2 工作平盘宽度 B。 B ≤ B胶 L 转max L 采max B 采 e 3， 19 式中， L转max为转载机伸展最大长度， m; L采max为采矿机 胶带在水平投影上最大长度， m。 2. 2. 2. 22 台采矿机共用 1 条胶带时 如图 6 图 6 2 台采矿机共用 1 条胶带 Fig．6One belt shared by two surface miners 台阶高度 H ≤ H转min H 胶 e 4， 20 式中， H转min为转载机向下以最大角度工作时， 胶带顶 端距离转载机站立水平的高度， m。 3工程实例 3. 1工程背景 某露天矿位于内蒙古东部， 煤层倾角缓、 岩石硬 度小， 煤层结构复杂， 年产量 15 Mt/a， 按照原地质勘 探规范， 矿区计入储量的煤层为 6、 8、 10、 11、 14、 17、 19、 21、 24 等9 个煤层， 煤层厚度小于1 m 的为2、 4 煤 层， 煤种为褐煤。其煤层结构特征如图 7 所示。 531 白润才等 露天采矿机应用条件与开采工艺参数研究2016 年第 1 期 图 7煤层结构特征 Fig．7Structure characteristics of coal seam 3. 2煤层复杂性评价 从煤层结构特征可以看出， 该矿煤层数多， 煤层 内夹矸层数多， 初步判断属于复杂煤层。电铲的最小 选采厚度为 1 m， 按照原地质勘探规范， 厚度小于 1 m 的煤层不计入储量， 采用露天采矿机后， 这部分薄煤 层也可被采出。采用两种不同工艺对采出率、 含矸率 和毛煤热值的影响分别为 s2. 93， β17. 23， R 1 672. 25 kJ/kg。从 3 项数据来看， 有很大的提升， 尤 其是含矸率的降低和热值的提升， 因此该矿选用露天 采矿机是适宜的。 3. 3运输匹配方式和参数确定 确定使用露天采矿机进行选采， 选择合适的物料 装载方式对发挥设备效率， 降低生产成本和提高经济 效益至关重要。通过经济和技术对比分析， 对采矿机 匹配汽车还是胶带两种方案的设备投资、 系统灵活 性、 生产组织等多个方面进行综合分析与比较 见表 1 ， 可以看出， 虽然胶带比汽车每年节约运输费用 533. 2 万元， 但该矿煤层较多， 胶带布置数量多， 基本 投资过大， 与汽车匹配比胶带更有优势。 表 1汽车运输与胶带运输对比 Table 1Structure characteristics of coal seam 项目 采煤设备投资 /万元 系统灵活性生产组织已掌握经验解决煤岩分流系统可靠性 年运煤费用 /万元 与汽车匹配7 648. 3好简单多容易好4 555. 4 与胶带匹配1 6821. 4差复杂少困难差4 022. 2 根据该矿年产 1 500 Mt/a， 选用维特根系列中 SM4200 露天采矿机。据国外生产经验“跟车时间为 2～6 min 时， 卡车和采矿机效率最高” ， 选用载质量 128 t 的自卸卡车， 计算得台阶高度为13 m， 每层煤只 划分 1 个采煤台阶， 最小工作平盘为 30 m。结合该 矿煤层结构特征， 6、 2、 8、 14 煤， 10、 17 煤和 19、 4、 17、 24、 21 煤分别由 3 台采矿机开采， 充分发挥采矿机机 身质量轻和调动灵活的优势。 4结论 1 对于煤层结构复杂的露天矿， 采用露天采矿 机选采是可行的。 2 采用露天采矿机选采， 可最大限度地回收薄 煤层， 剔除煤层中的夹矸层， 降低含矸率， 提升煤炭质 量， 开采煤系共伴生资源， 提高资源回收率， 实现经 631 总第 475 期金属矿山2016 年第 1 期 济、 环境和社会效益最大化。 3 实例研究证明了上述论断， 回采率提高了 2. 93， 含矸率下降了 17. 23， 毛煤热值提高了 1 672. 25 kJ/kg。采用自卸卡车直接跟车装载的物料 运输方式， 选用维特根 SM4200 露天采矿机和载质量 128 t 的自卸卡车， 每层煤划分为一个台阶， 最小工作 平盘为 30 m。 参考文献 ［ 1］晏达宇．我国煤系共伴生矿产资源概况及开发利用的意义［J］． 煤炭加工与综合利用， 2004 6 44- 47． Yan Dayu．The general situation and the significance of developing and utilizing coal measures in China［J］．Coal Processing and Com- prehensive Utilization， 2004 6 44- 47． ［ 2］杨树才．连续式露天采矿机开采方式及参数［J］ ．中国有色金属 学报， 1996， 6 1 22- 26． Yang Shucai．Mining s and parameters of surface miner［J］． The Chinese Journal of Nonferrous Metals， 1996， 6 1 22- 26． ［ 3］唐旭天， 罗怀廷．基于露天采矿机薄煤层采运方案设计［J］．辽宁 工程技术大学学报 自然科学版， 2012， 31 6 805- 809． Tang Xutian， Luo Huaiting．Mining and transportation plan on thin coal seam based on surface miner［J］．Journal of Liaoning Technical University Natural Science， 2012， 31 6 805- 809． ［ 4］郑友毅．露天采矿机开采工艺应用探讨［J］．露天采煤技术， 2001 1 805- 809． Zheng Youyi．Discussion on application of surface miner mining tech- nology［J］．Surface Mining Technoiogy， 2001 1 805- 809． ［ 5］郝文玉．基于露天采矿机的工艺系统设计理论与应用研究［D］． 北京 中国矿业大学， 2010． Hao Wenyu．Study on Design Theory of Mining Technology System and It s Application Based on Surface Miner［D］ ． Beijing China Mining University， 2010． ［ 6］卢明银．露天采矿机开采新工艺的应用［J］．化工矿山技术， 1994， 23 3 51- 56． Lu Mingyin． Application of new technology of surface miner［J］． Chemical Mine Technology， 1994， 23 3 51- 56． ［ 7］郝文玉， 才庆祥， 张磊， 等．露天采矿机在我国露天煤矿的应用 展望［J］ ．煤炭工程， 2009 10 108- 110． Hao Wenyu， Cai Qingxiang， Zhang Lei， et al．Expectation on applica- tion of surface miner in our countrys open pit coal mine［J］ ．Coal Engineering， 2009 10 108- 110． ［ 8］王启瑞．露天采矿机在胜利一号露天矿的应用研究［J］ ．神华科 技， 2009， 7 2 23- 29． Wang Qirui．Research on application of surface miner in Sheng- li No． 1 Open Pit Coal Mine［ J］．Shenhua Science and Technology， 2009， 7 2 23- 29． ［ 9］甄枫杰， 石广洋， 肖藏岩．露天采矿机在我国矿山的应用初探 ［ J］．现代矿业， 2009 7 117- 118． Zhen Fengjie， Shi Guangyang， Xiao Zangyan．Preliminary study on the application of surface miner in our countrys mine［J］ ．Modern Mining， 2009 7 117- 118． ［ 10］海平贵， 郊兰英．露天采矿机的应用［J］．露天采煤技术， 2000 1 29- 30． Hai Pinggui， Jiao Lanying．Application of surface miner［J］ ．Surface Mining Technoiogy， 2000 1 29- 30． ［ 11］石广洋， 甄枫杰， 贾静丽， 等．露天采矿机在我国露天煤矿的应 用［ J］ ．露天采矿技术， 2009 5 20- 21． Shi Guangyang， Zhen Fengjie， Jia Jingli， et al．Application of surface miner in our country s open pit coal mine［J］ ． Surface Mining Technoiogy， 2009 5 20- 21． ［ 12］高士友．露天采煤机在霍林河露天煤矿的应用研究［D］．徐州 中国矿业大学， 1997． Gao Shiyou．Research on Application of Surface Miner in Huolinhe Open Pit Coal Mine［ D］．Xu Zhou China Mining University， 1997． ［ 13］江新奇， 张飞．国内露天采煤机应用及发展展望［J］．煤矿机 械， 2011， 32 10 1- 2． Jiang Xinqi， Zhang Fei．Expectation on application and development of surface miner［ J］ ．Coal Mine Machinery， 2011， 32 10 1- 2． ［ 14］丁立明， 才庆祥， 王博文， 等．露天采矿机煤层选采厚度研究 ［ J］ ．采矿与安全工程学报， 2011， 28 3 472- 476． Ding Liming， Cai Qingxiang， Wang Bowen， et al．Mining thickness determination of coal seam for surface miner［J］．Journal of Mining ＆ Safety Engineering， 2011， 28 3 472- 476． ［ 15］杨荣新．露天采矿学［M］．徐州 中国矿业大学出版社， 1990 179- 181． Yang Rongxin． Surface Mining［M］． Xuzhou China University of Mining and Technology Press， 1990 179- 181． 责任编辑徐志宏 731 白润才等 露天采矿机应用条件与开采工艺参数研究2016 年第 1 期