露天煤矿半固定破碎站移设研究_姚勇.pdf

doi:10.11799/ce202303006 收稿日期:2022-09-05 作者简介:姚 勇(1984),男,辽宁义县人,硕士,高级工程师,主要从事露天矿管理工作,E-mail:283665790 。引用格式:姚 勇,王 亮,赵美玲,等.露天煤矿半固定破碎站移设研究 J.煤炭工程,2023,55(3):30-35.露天煤矿半固定破碎站移设研究姚 勇1,2,王 亮2,赵美玲2,刘光伟1(1.辽宁工程技术大学 矿业学院,辽宁 阜新 123000;2.锡林郭勒盟蒙东矿业有限责任公司,内蒙古 锡林浩特 026000)摘 要:为了合理确定胜利西二号露天煤矿 3 号原煤半固定破碎站移设时间节点及移设步距,基于露天开采原理,依据该矿采区转向方式,编制了 20232027 年开采进度计划。通过对各年度采场、排土场工程位置发展情况进行推演,分析确定了 3 号破碎站合适的移设时间节点及可行的移设路径。依据采剥程序规划,测算了 3 号原煤破碎站不同移设步距时,开采块段内原煤资源量、原煤汽车运距、胶带运距、破碎站服务年限等指标。结合移设费用补偿法、加权成本最小法确定了 3号破碎站经济合理移设步距。结果表明:3 号破碎站移设时间节点为 2026 年 4 月份前,移设路径为沿采场东帮胶带运输系统布置方向进行回撤,移设距离为 1200 m。此时移设费用得到补偿,加权成本最小,经济效果良好。关键词:露天矿;季节性剥离;半连续工艺;半固定破碎站;移设步距 中图分类号:TD824 文献标识码:A 文章编号:1671-0959(2023)03-0030-06Relocation of semi-fixed crushing station in open-pit coal mineYAO Yong1,2,WANG Liang2,ZHAO Mei-ling2,LIU Guang-wei1(1.Institute of Mining Technology,Liaoning Technical University,Fuxin 123000,China;2.Xilin Gol Mengdong Mining Co.,Ltd.,Xilinhot 026000,China)Abstract:In order to determine the relocation time node and relocation spacing of No.3 raw coal semi fixed crushing station in Shengli West No.2 Open-pit Coal Mine,based on the principle of open-pit mining and the turning mode applied in the mining area,the mining schedule from 2023 to 2027 is prepared.Through deducing the development of stope and waste dump engineering positions of each year,the appropriate relocation time node and feasible relocation path of the crushing station are determined.According to the mining and stripping program planning,the raw coal resources in the mining block,the transportation distance of raw coal trucks,the transportation distance of rubber belts,the service life of the crushing station and other indicators are calculated when the crushing station is moved at different intervals.Combining with the compensation method of relocation cost and the weighted cost minimization method,the economic and reasonable relocation spacing of the crushing station is determined.The results show that the recommended relocation time node is before April 2026,and the relocation path is to withdraw along the layout direction of the belt transportation system on the east side of the stope,with the relocation distance of 1200 m.At this time,the relocation cost is compensated,the weighted cost is minimum,and the economic effect is favorable.Keywords:open-pit mine;seasonal stripping;semi-continuous technology;semi-fixed crushing station;relocation spacing 近年来,半连续工艺已成为露天矿扩大生产能力和加强深部开采的一种独特有效的工艺方式。半连续工艺是露天矿采剥工艺的一个重要发展方向,它实现了中、硬岩开采的连续运输,有利于扩大生产规模和降低生产成本,可根据矿山具体生产条件灵活布置,被国际采矿界公认为“最有生命力”的露天开采工艺,在深凹大型露天矿中应用半连续工艺对矿山进行技术改造已经成为主要发展趋势1,2。03第55卷第3期 煤 炭 工 程COAL ENGINEERING Vol.55,No.3与其他开采工艺相比,半连续工艺具有以下优点:对坚硬矿岩露天矿可采用连续运输,从而提高单斗挖掘机利用效率,提高生产能力;由于开采高效、大型单斗挖掘机匹配高速宽胶带运输机,可扩大露天矿开采规模;深露天矿应用胶带陡沟开拓可克服大坡度,缩短运输距离,减少汽车需要量及燃油消耗;减少开拓工程量;生产费用较间断式运输低3。单斗挖掘机卡车半固定式破碎站带式输送机联合运输是典型的半连续工艺,作为大、中型露天矿的一种开拓运输方式,既能够发挥自卸汽车运输机动灵活、适应性强、利于强化开采、短距离运输经济的优势,又能够发挥带式输送机运输的能力大、爬坡能力强、运营费用低的长处,两者联合能够收到更好的经济效益4。随着采剥工程位置的推进,破碎站会逐渐出现滞后生产的局面,导致卡车运距增加,生产成本增大。因此需要定期对破碎站进行移设。破碎站移设是半连续开采工艺的核心问题之一,移设步距的大小直接影响半连续开采工艺的使用效果5。针对露天矿半固定破碎站的移设优化,前人进行了大量的研究。赵博深等6探讨优化了胜利东二号露天煤矿不同开采时期破碎站布设及运煤线路,证明了半连续工艺显著的经济效益及生产效率。张瑞新等7采用熵权层次分析法对露天煤矿常用的四种破碎站进行了选型研究。鞠兴军等8提出符合实际工况的半连续开采工艺生产能力计算方法。张洪9从技术可行、经济合理方面分析了露天矿剥离可采用的半连续开采工艺。白润才等10采用移设费用补偿法、单位费用最小法、期望值补偿法和总费用最小法进行破碎站移设步距的研究。周龙义11应用经济学原理进行研究,计算优化了破碎站的移设步距。本文根据胜利西二号露天煤矿开采程序规划,分析确定 3 号破碎站移设时间。从经济性角度优化了破碎站移设步距。1 露天矿概况及原煤运输系统内蒙古胜利矿区胜利西二号露天煤矿(以下简称西二露天矿)位于内蒙古自治区锡林郭勒盟锡林浩特市西北部宝力根(胜利)苏木境内。设计能力为10.0 Mt/a,剥离采用单斗卡车间断工艺,采煤采用单斗卡车半固定式破碎站半连续开采工艺。境界内主采煤层为 6 煤,煤层呈近水平赋存,平均厚度为 19.25 m。西二露天矿目前有两套原煤破碎系统(破碎站及胶带运输系统),包含在使用的 2 号原煤破碎系统和已建成即将投入使用的 3 号破碎系统,如图 1 所示。2 号破碎站设在露天煤矿首采区南部地表面,3 号破碎站设在露天煤矿首采区北部矿坑内,2 号破碎系统在 3 号破碎站投入使用后停止服务。图 1 西二露天矿开采现状原煤半连续系统布置随着露天煤矿采剥程序的发展,采区转向迫在眉睫。若 3 号破碎站不进行移设,需要留设破碎站孤岛进行开采,将会造成采煤工作线变短,破碎平台下压煤,采场空间狭小,产能难以接续等问题,影响露天煤矿的正常生产。因此,必须尽早对 3 号破碎站移设时间、移设位置进行研究,以保证西二露天矿正常、有序的生产。2 原煤破碎站移设2.1 破碎站移设原则半固定破碎站作为露天矿大规模生产的咽喉环节,是煤岩转载、汽车调配的主要场地。合理确定半固定破碎站位置及其移设步距,是充分发挥系统破碎能力,降低生产成本的重要途径。半固定破碎站初始位置确定后,其移设步距对生产成本的影响尤为关键。如果移设太频繁,汽车运输的优势得不到发挥,且移设对生产影响较大、移设投资较高;如果移设次数太少,则需要完全由汽车重载上坡运输量较大,引起成本的上升,不能有效发挥半固定破碎站的优势12。因此,其移设应遵循以下原则:1)发挥半固定破碎站的灵活性。定期将半固定破碎站移设到出煤、剥岩重心,减少汽车运输距离,减少汽车运输数量,充分发挥胶带运输低成本的优势。2)保证半固定破碎站的设备完好率。根据不同破碎站位置科学地进行设备优化改造。同时摸索制定与露天矿山相符的生产检修计划,满足生产需求。13 2023 年第 3 期 煤 炭 工 程 设计技术 3)尽量减少半固定破碎站移设所用的时间,提高系统的产出比和效率。4)半固定破碎站移设必须根据矿山采剥进度计划和采场空间发展形态,合理确定。5)半固定破碎站的移设应考虑其经济性,在保证破碎站移设费用不超过节省的运输费用的前提下,使该服务块段内单位成本最小。2.2 破碎站移设时间为了确定西二露天矿 3 号破碎站移设时间点,在采区转向方式确定的基础上依据 10.0 Mt/a 产能规划,编制了 3 号破碎站不进行移设的情况下该矿20232027 年开采进度计划,设计了各年度采场、排土场工程位置。西二露天矿 20232027 年的年末采场、排土场发展状态如图 2 所示。图 2 西二露天矿 20232027 年工程位置 分析各年工程位置可知:若 3 号破碎站不进行移设,采排工程发展到 2026 年即工作帮从首采区转向进入二采区时,3 号破碎站的存在将严重影响采煤工作线长度,无法完成规定产能。因此,需要加长采煤工作线来保证产能的接续,如图 2(d)所示。则在 2026 年年末破碎站会形成一个 60 m 高的孤岛,开采后期破碎站孤岛剥离及压覆资源回采程序复杂。内排土场工作线也需要绕行破碎站孤岛发展,不能充分释放排土空间。此外,采场原煤提升运输至破碎站时运输系统构建困难,卡车运输能耗增加。从整体排产情况来看,3 号破碎站应在 2026 年完成移设。由于西二露天矿为季节性剥离露天煤矿,剥离作业期为 411 月,即每年剥离物产生的时间为 4 月份以后。因此,3 号破碎站应在 2026 年 4 月份之前完成移设,以保证破碎站孤岛剥离、岛下压覆资源回采顺利进行,为开采、排土提供空间。3号破碎站服务年限为 3 a,即 20232025 年。2.3 破碎站移设步距在半连续工艺系统中,破碎站的移设步距是一个重要的参数13。影响移设步距的因素较多,有开采规模,设备类型,矿岩量,矿山工程为破碎站提供的可能位置,采用半连续工艺需增加的各项工程费用,设备投资及运营指标等。在具体条件下,对移设步距起决定作用的主要是经济因素。破碎站移设步距的经济性表现为:移设步距大,移设次数就少,相应的移设安装费用就小;移设步距大,汽车运距大,汽车数量和运输费用就要增大;移设步距小,移设次数就多,从而占用场地大,增加了剥离工程量14。典型半连续开采工艺系统的主要特征是:工作面采用汽车运输,再通过破碎站转载进入带式输送机系统。为了缩短汽车运距,破碎站需定期移设。破碎站每移设一次,服务于一个块段的采剥量;然后再移设一次,再服务于一个块段的采剥量,以此类推依次进行5。半固定破碎站移设过程如图 3 所示。23设计技术 煤 炭 工 程 2023 年第 3 期图 3 破碎站移设过程示意结合西二露天矿开采现状和年度采排发展规划可得,破碎站可行的移设路径为沿东帮带式输送机系统布置方向进行回撤,以满足二采区和三采区内原煤的破碎需求,移设过程中原煤胶带运距逐渐减小。此外,破碎站的移设步距越大,其在开采块段内服务时间越长,相应的原煤汽车运输成本也越大。2.3.1 移设费用补偿法一个块段在开采结束时,若破碎站进行移设,会产生相关的移设费用;若破碎站不进行移设,则在开采下一个块段时原煤汽车运距将会增大,相应的原煤运输费用增加。移设费用补偿法的原理是分别计算移设破碎站和不移设破碎站时系统总费用,当不移设破碎站系统总费用大于移设破碎站系统总费用时,破碎站移设费用得到补偿,表明移设破碎站在经济上是合理的15-17。费用补偿模型见式(1)。B=Fn-Fy(1)式中,B 为费用补偿效果;Fn为破碎站不进行移设时系统总费用,元;Fy为移设破碎站系统总费用,元。开采块段内系统总费用一般由原煤汽车运输费用、原煤胶带运输费用及破碎站移设费用构成。为了分析 3 号破碎站在不同回撤距离即不同的移设步距时,破碎站服务块段内原煤运输费用及破碎站移设费用变化情况,给出了移设破碎站时系统总费用计算方法见式(2)。Fy=Yq+Yj+P(2)式中,Yq为原煤汽车运输费用,元;Yj为原煤胶带运输费用,元;P为块段开采结束时破碎系统移设总费用,元。则不移设破碎站时系统总费用为:Fn=Yq+Yj(3)原煤汽车运输费用与破碎站服务块段内原煤平均运距及块段内资源量有关,具体可表示为:Yq=LqQyq(4)式中,Lq为块段内原煤汽车平均运距,km;Q为块段内资源量,t;yq为原煤汽车运输单位成本,元/(tkm)。其中:Lq=Lg+Ld(移设破碎站)Lq=Lg+Ld+Ly(不移设破碎站)(5)式中,Lg为原煤工作面汽车运距,km;Ld为原煤端帮汽车运距,km;Ly为破碎站移设步距,km。设破碎站卸料平台与块段内出煤重心的高差为H,则:Lg=H/sin+Ls-H/tan(6)式中,Ls为原煤汽车工作面水平运距,km;为移动坑线坡度,()。原煤胶带运输费用与服务块段内资源量及破碎站移设步距有关,具体见式(7)。Yj=LjQyj(7)式中,Lj为原煤胶带运距,km;yj为原煤胶带运输单位成本,元/(tkm)。Lj=Lp-Ly(移设破碎站)Lj=Lp(不移设破碎站)(8)式中,Lp为破碎站移设前胶带运距,km。一个块段开采完毕后破碎站需按照一定距离进行适当移设,此时破碎站的移设费用并不是单一的设备移设费用,还应包括破碎平台的建筑费用,破碎设备的安装费用等其他费用。破碎站移设费用计算见式(9)。P=Pt+Py+Pc+Pq(9)其中,Py=Py0Ly(10)式中,P 为上一块段服务结束时破碎站移设费用,元;Pt为破碎站及卸料平台的土建费用,元;Py为破碎设备移设费用,元;Py0为单位距离破碎设备移设、胶带系统拆卸费用,元/km;Pc为设备拆卸、安装、调试费用,元;Pq为破碎站移设时产生的其他费用,包括对露天矿生产造成的停顿损失费、管理费等,元。破碎站移设步距不同时,开采块段的服务年限并不相同。破碎站的移设费用不能单纯沿用前一次的费用,应在其基础上考虑资金的时间价值综合确定。因此,破碎站的移设费用应由前一次移设金额根据破碎站服务年限折算到开采块段服务完毕时确定,即移设费用终值。如式(11)所示。P=P(1+i)n(11)33 2023 年第 3 期 煤 炭 工 程 设计技术 式中,i 为利率(折现率),%;n 为开采块段服务年限,a。综上,采用移设费用补偿法可确定半固定破碎站最小移设步距:Lymin=(Pt+Py0Ly+Pc+Pq)(1+i)nQ(yq+yj)(12)2.3.2 加权成本最小法该方法的实质是在破碎站移设时,将开采块段内原煤运输费用及破碎站移设费用分摊到服务块段量中,进而确定出加权成本最低时的破碎站移设步距18-20。加权成本计算方法如式(13)所示。fy=Fy/Q(13)式中,fy为移设破碎站时开采块段内加权成本,元/t。整理得加权成本最小法确定半固定破碎站最大移设步距:Lymax=(Lp-Ly)yj+H/sin+Ls-H/tan+Ld()yq+(Pt+Py0Ly+Pc+Pq)(1+i)n/Q(14)随着移设步距加大,开采块段内资源量增加,原煤汽车运距也随着移设步距加大。若 3 号破碎站不进行移设,原煤胶带运输费用也随着块段内资源量的增加而增加,故加权成本随着移设步距的加大始终处于增加状态。2.3.3 移设步距确定确定破碎站移设步距时应保证移设费用得到补偿且加权成本最小,因此合理的破碎站移设步距应在取两种方法计算结果中较大值的基础上结合生产现场实际情况最终确定。胜利西二号露天煤矿有关费用参数见表 1。表 1 西二露天矿费用参数参数数值原煤汽车运输成本2.0 元/(tkm)原煤胶带运输成本0.5 元/(tkm)破碎站土建费用400 万元破碎设备拆卸安装调试费用2000 万元破碎设备移设、胶带拆卸费用20 万元/km其他费用500 万元利率8%依据采剥程序规划,沿西二露天矿 3 号破碎站可行的移设路径,以 50 m 为单位移设步距,对破碎站服务开采块段内资源量、原煤汽车平均运距等指标进行测算,测算结果见表 2。表 2 不同移设步距时各指标测算移设步距/m块段资源量/万 t胶带运距/km原煤汽车运距/km破碎站服务年限503250.652.951.163.31003435.872.901.203.41503615.372.851.233.62003786.552.801.253.82503951.502.751.304.03004109.982.701.324.13504260.122.651.344.34004408.482.601.364.44504558.872.551.384.65004714.992.501.394.75504876.462.451.404.96005045.802.401.435.06505220.342.351.475.27005397.992.301.505.47505582.282.251.535.68005773.492.201.555.88505956.872.151.586.09006135.342.101.586.19506309.172.051.606.310006476.882.001.616.510506636.681.951.616.611006782.721.901.606.811506918.141.851.626.912007044.981.801.617.012507167.211.751.637.213007289.151.701.657.313507407.061.651.677.414007523.701.601.687.514507640.821.551.707.615007757.881.501.717.815507873.321.451.747.916007988.321.401.768.016508102.941.351.788.117008215.801.301.818.217508326.661.251.838.318008435.501.201.848.418508542.631.151.868.5将表 2 中指标代入式(1)式(12)计算得不同移设步距时移设破碎站和不移设破碎站块段系统总费用变化情况如图 4 所示。分析图 4 可知,移设步距大于 350 m 时,移设破碎站系统总费用小于不移设破碎站系统总费用,移设费用补偿效果明显。因此确定 350 m 为经济合理的 3 号破碎站最小移设步距。依据式(13)计算得不同移设步距时,开采块段内加权成本变化情况如图 5 所示。分析图 5 可得,移设步距为 1200 m 时,开采块段内加权成本最低,因此确定 1200 m 为 3 号破碎站最大移设步距。综上所述,最终确定 3 号破碎站最优移设步距为 1200 m。43设计技术 煤 炭 工 程 2023 年第 3 期图 4 西二露天矿不同移设步距开采块段系统总费用变化图 5 西二露天矿不同移设步距开采块段内加权成本变化3 结 论1)结合西二露天矿 20232027 年度采场、排土场发展规划,确定 3 号破碎站服务年限为 3 a(2023 年、2024 年、2025 年),移设时间为 2026 年4 月份以前。2)分析了半连续工艺半固定破碎站移设模式,采用移设费用补偿法、加权成本最小法,计算确定了破碎站移设步距。并给出了破碎站移设步距的确定原则。3)移设费用补偿法计算得出 3 号破碎站最小移设步距为 350 m,加权成本最小法计算得出 3 号破碎站最大移设步距为 1200 m。确定胜利西二号露天煤矿 3 号破碎站最优移设步距为 1200 m。参考文献:1 车兆学,才庆祥,刘 勇.露天煤矿半连续开采工艺及应用技术研究 M.徐州:中国矿业大学出版社,2006.2 陈树召.大型露天煤矿他移式破碎站半连续工艺系统优化与应用研究 D.徐州:中国矿业大学,2011.3 中国矿业学院.露天采矿手册 M.北京:煤炭工业出版社,1985.4 韩万东,田仙宝,朱智慧.基于 MATLAB 确定露天矿半固定式破碎站移设步距 J.煤炭技术,2019,38(2):17-19.5 车兆学,翟正江,杨云浩.露天矿破碎站移设步距的研究J.中国矿业大学学报,2001(4):79-82.6 赵博深,吴多晋,赵红泽,等.多台套大能力破碎站在胜利东二号露天矿的应用 J.煤炭工程,2013,45(12):49-51.7 张瑞新,刘 煜,武海龙,等.基于熵权层次分析法的露天矿半连续工艺破碎站模糊优选 J.煤炭工程,2018,50(1):81-84,88.8 鞠兴军,张周爱,智晓峰,等.露天煤矿半连续工艺系统关键设备选型设计方法 J.煤炭工程,2021,53(11):21-25.9 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