工作面带式输送机半连续工艺系统组合台阶优化研究

工作面带式输送机半连续工艺系统组合台阶优化研究

露天矿开采的一般技术包括间歇法、连续技术、半连续法和综合技术。其中，半连续法是近30年来快速发展的一种新技术。它具有中断技术和连续性技术的优点，在露天开采的生产实践中显示出较强的生命力。按照采、运环节使用的设备类型,半连续工艺系统分为2大类:连续作业的采掘设备配合间断作业的运输设备组成的半连续工艺系统、间断作业的采掘设备配合连续作业的运输设备组成的半连续工艺系统.其中,第一类半连续工艺系统不利于充分发挥连续作业采掘设备(如轮斗挖掘机)的能力,一般只在特定条件下采用.得利于间断式作业采掘设备较强的适应性和连续式作业运输设备较高的运输及克服高差能力,第二类半连续工艺系统在露天矿特别是深大露天矿得到了广泛的应用(如无特别说明,下文所指为第二类半连续工艺系统).半连续工艺系统的典型组成形式为挖掘机-汽车-破碎机-带式输送机,矿岩从采掘工作面由汽车运至破碎机,经破碎后由带式输送机运至排卸点.其中破碎环节多年来绝大多数露天矿采用的是固定式(半固定式)破碎站或它移式破碎机.一方面,挖掘机与破碎环节之间的汽车运输使系统环节增加、可靠性降低;另一方面,随着采掘工作面的推移,如果破碎机移设不及时,则汽车运距增加,一旦超过经济运距,则整个系统的运营成本将大幅增加.近年来,矿用破碎设备的设计和制造水平不断提高,各种高新技术的引入使破碎设备的结构日益完善,新型破碎设备的出现使露天采矿工艺的改进和完善成为可能.例如,国外一些露天矿将新面世的大型(全连续)自移式破碎机用于露天矿半连续工艺,与其它一些传统设备构成了一种新的半连续工艺系统组成形式:挖掘机-(全连续)自移式破碎机-带式输送机.取消了汽车运输环节,系统的可靠性大大提高,取而代之的带式输送机运输使整个系统的运营成本降低.另外,挖掘机的生产能力也因可以实现连续装载而大大提高.华能伊敏煤电有限责任公司2008年将上述工艺系统引入公司下属的伊敏露天煤矿,用于该矿的原煤开采,填补了我国该工艺系统应用的空白.本文以伊敏露天煤矿为例,对带自移式破碎机半连续工艺系统的工作面参数进行优化研究,以期得出一些具有普遍意义的结论,为准备采用该工艺系统的类似矿山提供借鉴.伊敏矿区位于内蒙古自治区呼伦贝尔市鄂温克旗伊敏镇境内.伊敏露天煤矿一期建设规模为5.0Mt/a,于1992年10月开工建设,2000年达到设计能力.二期扩建到11.0Mt/a,2008年达产.主采煤层为15上煤层和16下煤层,其中15上煤层厚度5～8m;16下煤层平均厚度32m,局部达40m以上.伊敏露天煤矿开采工艺系统主要技术参数如下:剥离:采用单斗挖掘机-卡车工艺,挖掘机斗容12m3,卡车载重108t.15上煤层以上的剥离物一部分经西端帮运至内排土场排弃,另一部分经西部出入沟运往西外排土场;15上煤层与16下煤层之间的夹矸通过东、西端帮运至内排土场排弃.采煤:采用综合工艺,15上煤层厚度较薄,划分为一个台阶,采用单斗挖掘机-卡车-半固定式破碎站-带式输送机半连续开采工艺.原煤从工作面由卡车运至2#破碎站,破碎后经端帮带式输送机、出入沟提升带式输送机及地面输煤系统运至储煤场.挖掘机斗容12m3,卡车载重108t,带式输送机胶带宽度1600mm.16下煤层下部厚度为21m部分以组合台阶的形式,采用单斗挖掘机-自移式破碎机-带式输送机半连续工艺进行开采.工作面的原煤直接由挖掘机装入自移式破碎机,破碎后经A型转载机、工作面带式输送机、B型转载机、端帮带式输送机、出入沟提升带式输送机及地面输煤系统运至储煤场.挖掘机斗容28.5m3,自移式破碎机能力3000t/h,带式输送机胶带宽度1600mm.16下煤层上部剩余部分采用单斗挖掘机-卡车-半固定式破碎站-带式输送机半连续工艺进行开采,系统布置及设备规格与15上煤层类似.1台阶高度优化伊敏露天煤矿单斗挖掘机-自移式破碎机-带式输送机半连续工艺系统用于16下煤层的开采作业.该煤层全区发育,厚度较稳定,一般为30～40m,平均厚度为32m.综合考虑工艺系统布置特点,台阶高度优化应遵循下列原则:1)为减少设备走行时间,在保证作业安全的前提下,尽可能加大台阶高度;2)在设备规格允许的情况下,可采用组合台阶开采以增大系统的生产能力;3)台阶高度的优化和分台阶的布置必须满足物料转载的要求.1.1阶梯总高度hs及hz+hx由于16下煤层平均厚度32m,所以半连续工艺系统组合台阶总高度h=hs+hz+hx≤32.0,(1)式中:hs为上分台阶高度,m;hz为主采台阶高度,m;hx为下分台阶高度,m.1.2任意分台阶高度半连续工艺系统采用太重的WK-20挖掘机,最大挖掘高度为14.4m,推压轴高度为8.0m,则任意分台阶高度应满足5.3≈23×8.0≤hi≤14.4,(2)式中hi为任意分台阶高度,m.1.3植生式著料机上传参数根据半连续工艺系统设计,工作面的原煤由单斗挖掘机向自移式破碎机装载,破碎后直接经电缆料斗车向工作面带式输送机转载或通过A型转载机再经电缆料斗车向工作面带式输送机转载,上分台阶和下分台阶的高度及设置必须满足原煤转载的要求.自移式破碎机卸料臂的卸载高度范围为4.5～10.0m,A型转载机受料臂的受料高度范围为-3.2～7.45m,其卸料臂的卸料高度范围为2.0～13.1m,电缆料斗车料斗高度为3.6m.1a型不同且又存在明显差异的上分台阶若A型转载机站立于主采台阶下部平盘(图1a),则主采台阶高度hz≤7.45-4.5+e=2.95+e,(3)式中e为破碎机卸料臂端与A型转载机受料臂端之间的垂直安全距离,约为1m.若A型转载机站立于主采台阶上部平盘(图1b),则主采台阶高度hz≤3.6+f-2.0=1.6+f,(4)式中f为A型转载机卸料臂端与电缆料斗车料斗之间的垂直安全距离,约为1m.分析式(3),(4)可以看出,在现有设备条件下布设上分台阶将导致主采台阶高度过小(小于4m),因此决定不设上分台阶,即hs=0.2主采台阶高度组合台阶中不设上分台阶时,主采台阶高度主要由设备挖掘条件和资源条件决定.从减少设备走行时间、提高其效率角度考虑,在资源条件允许的区域应按挖掘机的最大挖掘高度确定主采台阶高度.因此决定主采台阶高度取14m,即hz=14m.3下分台阶高度开采下分台阶时,破碎后的原煤可由破碎机卸料臂直接向电缆料斗车转载(图2a),此时下分台阶高度hx≤10-3.6-k=6.4-k,(5)式中k为破碎机卸料臂端与电缆料斗车料斗之间的垂直安全距离,约为1m.下分台阶采下并破碎后的原煤也可以经A型转载机向电缆料斗车转载.当A型转载机布置于下分台阶上部平盘时(图2b),下分台阶高度hx≤10-(-3.2)-e=13.2-e.(6)当A型转载机布置于下分台阶下部平盘时(图2c),下分台阶高度hx≤13.1-3.6-f=9.5-f.(7)分析式(5)～(7)可以看出,若不使用A型转载机,则下分台阶高度最大约为5.4m,接近于满足挖掘设备效率发挥的最小台阶高度.若使用A型转载机,由于半连续系统采用工作面带式输送机两采一移,下分台阶两个采掘带的开采分别需要A型转载机布置于下分台阶的上部平盘和下部平盘,下分台阶高度应满足hx≤min{(13.2-e),(9.5-f)}≈8.5.(8)需要说明的是,如果下分台阶高度取8.5m,则A型转载机卸料臂部分时间处于最大仰角下工作,设备对位困难.因此决定下分台阶取7m,即hx=7m.综上所述,伊敏露天煤矿带自移式破碎机半连续工艺系统采用由主采台阶和下分台阶构成的组合台阶进行开采.组合台阶总高度21m,其中主采台阶高14m,下分台阶高7m.2单斗起重机作业平均循环时间和采出时间单斗挖掘机采掘原煤,不需爆破.挖掘机平行于工作面带式输送机沿直线走行,破碎机站立于工作面端头一侧,与挖掘机同步走行(图3).采掘带宽度A=Rwp(sinα+sinβ),(9)式中:Rwp为挖掘机站立水平挖掘半径,15.3m;α为挖掘机采装的内回转角,(°);β为挖掘机采装的外回转角,(°).采掘带宽度的优化主要考虑两方面因素的影响:一方面挖掘机采装的回转时间随回转角的增加而加大,单个采装循环的作业时间加长;另一方面单位时间内采掘设备的走行时间随采掘带宽度的增加而减少.采掘带宽度优化的目标是挖掘机单位时间内的作业量最大或采掘单位工程量所用时间最短.挖掘机采装的外回转角应满足自移式破碎机站位的需要,即Rwpsinβ≤Rxh-b2,(10)式中:Rxh为挖掘机最大卸载高度时的卸载半径,18.4m;b为自移式破碎机的机体宽度,12.6m.解得β≤arcsinRxh-b/2Rwp=arcsin12.115.3≈52°.(11)参考单斗挖掘机-汽车工艺的应用经验,取β=45°.单斗挖掘机的使用经验表明,一定范围内,设备回转时间与回转角度成正比.那么挖掘机作业平均循环时间可由式(12)计算t=t′+2(α-β2+90°)k=t′+180°+α-βk,(12)式中:t′为挖掘机作业循环时间中与回转角度无关部分,包括挖掘时间,卸载时间等,s;k为挖掘机回转速度,(°)/s.挖掘机走行及半连续工艺系统各环节的对位占用一定的作业时间,以采出万吨原煤所需时间最短作为采掘带宽度优化的标准.挖掘机采出万吨原煤总时间ts=tc+tz+td,(13)原煤采出时间tc=10000tVγkh,(14)挖掘机走行时间tz=10000Ahγkhv,(15)系统对位时间td=10000t′dAhγkhd,(16)式中:V为挖掘机铲斗容积,28.5m3;γ为原煤容重,1.12t/m3;h为台阶高度,主采台阶14m,下分台阶7m;kh为满斗系数,0.95;v为挖掘机走行速度,100m/h;t′d为半连续工艺系统一次对位时间,取12min;d为半连续工艺系统对位距离间隔,取10m.根据式(13)～(16)计算得出采出万吨原煤所需时间与采掘带宽度关系曲线如图4所示.分析图5可以看出,挖掘主采台阶时,采掘带宽度21～25m范围内万吨原煤采出时间较小且变化不大,相应挖掘机内回转角为40°～60°.挖掘下分台阶时,采掘带宽度23～25m范围内采出万吨原煤所需时间较短,对应内回转角为50°～60°.根据经验,合理采掘带宽度为Rwp的1.0～1.7倍.据此伊敏半连续系统合理采掘带宽度为A=(1.0∼1.7)×Rwp=(1.0∼1.7)×15.3=15.3∼26.0m.(17)可以看出,上述优化结果与经验公式计算结果相符.由计算数据可知,当α=50°时万吨原煤采出时间最短,因此取挖掘机内回转角为50°.由此,采掘带宽度A=Rwp(sinα+sinβ)=15.3×(sin50°+sin45°)=22.54m,(18)取合理采掘带宽度为22.5m.3设备的最大历史发布距离带自移式破碎机半连续工艺系统工作平盘由采掘带、自移式破碎机工作区、带式输送机工作区及安全宽度等要素组成.最小工作平盘宽度Bmin=An+C+D+F,(19)式中:n为工作面带式输送机一次移设服务的采掘带数量;C为主采台阶坡底线至工作面带式输送机中心线的水平距离,应满足设备移设期间设备布置和卡车运输等因素的要求,取18m;D为工作面带式输送机中心线至下分台阶坡顶线的水平距离,应满足带式输送机安全运行的要求,取12m;F为斜坡道宽度,取采掘带宽度.由式(19)可以看出,当其它参数一定时,最小工作平盘宽度取决于工作面带式输送机一次移设服务的采掘带数量,而后者又取决于设备的最大转载距离.理论上,设备的最大转载距离由A型转载机的转载距离、自移式破碎机工作长度、挖掘机的挖掘半径和卸载半径组成,即Ιmax=ΙAS+ΙAX+ΙΖΡ+Rwp+Rxh,(20)式中:Imax为设备的最大转载距离,m;IAS为A型转载机的受料臂长度,34m;IAX为A型转载机的卸料臂长度,32m;IZP为自移式破碎机工作长度,44.5m.计算得Ιmax=34+32+44.5+15.3+18.4=144.2m.为保证正常转载和挖掘机效率发挥,一般不采用最大转载距离.图5所示情况下设备可利用的转载距离为Ι=(34+32)×sin45°+44.5+18.4+15.3×sin50°=121.3m.对于主采台阶,工作面带式输送机一次移设服务的采掘带数量nz=ent(Ι-CA)=ent(121.3-1822.5)=4.工作平盘宽度的确定亦应满足下分台阶采出物料转载的要求.对于下分台阶,设备的最大转载距离为(图6)Ι′max=ΙAS+ΙAX+Rpxsinφ+Rwpsin45°-Rxh-E,(21)式中:Rpx为自移式破碎机卸料臂长度,21.5m;φ为自移式破碎机卸料臂最大回摆角度,75°;E为下分台阶坡面水平投影宽度,E=hx×cot60°=7×3/3=4.04m.代入数据得与主采台阶开采时相同,为保证物料的顺利转载,A型转载机不宜与工作面带式输送机垂直布置.取A型转载机与带式输送机间夹角为60°,则设备可利用转载距离为Ι′=(34+32)×sin60°+21.5×sin75°+15.3×sin45°-18.4-4.04=64.7m.则工作面带式输送机一次移设服务的下分台阶采掘带数量为nx=ent(Ι′-DA)=ent(64.7-1222.5)=2.综合考虑主采台阶和下分台阶物料转载要求,确定工作面带式输送机一次移设服务2个采掘带.据此,半连续工艺系统主采台阶最小工作平盘宽度为(图7)4工作面参数、工作规格1)带自移式破碎机半连续工艺系统取消了工作面汽车运输环节,与挖掘机直接配合作业的是自移式破碎机,碎后物料至工作面