准东露天煤矿煤层开采单齿斗钩预破碎工艺研究

刘忠红，高金龙，王登龙

（神华新疆吉木萨尔能源有限责任公司，新疆昌吉831100）

采矿工程

准东露天煤矿煤层开采单齿斗钩预破碎工艺研究

刘忠红，高金龙，王登龙

（神华新疆吉木萨尔能源有限责任公司，新疆昌吉831100）

以准东露天煤矿采煤为例，通过采取“单齿斗钩”预破碎，配合挖掘机作业的方式，并对该工艺工作线长度，作业效率，块度，挖掘深度等进行研究，提出降低露天煤矿生产成本，提高安全生产系数的开采工艺方案。

煤层开采；单齿斗钩；松动破碎；生产成本；安全系数

准东露天煤矿地处新疆地区，由于地区管控，对火工品的管控十分严格，火工品的生产及购买受到局限，导致爆破成本高于其它地区，松动爆破费用约占生产成本的13%；且露天矿松动爆破为特殊高风险作业，火工品的使用经常接到当地公安部门禁运、禁用的通知，受火工品管控的影响原煤生产不连续，导致原煤产量不能满足市场需求。为降低生产成本，减少爆破管控对原煤生产的影响，提高煤矿生产安全系数，急需采取行之有效的解决措施。

1 概况

1.1 地理位置

准东露天煤矿由神华新疆能源有限责任公司投资开发，矿区位于吉木萨尔县；距乌鲁木齐218 km，阿勒泰市400 km；距富蕴县城228 km,行政区划隶属吉木萨尔县三台镇。

1.2 气候条件

露天矿属大陆干旱荒漠气候，年温差和昼夜温差变化很大，5—8月为夏季，高温炎热，白天气温常在40℃以上，绝对最高气温41.2℃。11月—次年2月为冬季，气候严寒，绝对最低气温-49.8℃（1969年1月26日）。年平均降水量106 mm，年蒸发量1 202～2 382 mm，5—8月偶有雷阵雨，冬季积雪稀少。区内常年多风，风力4～5级，经常有7～8级大风，最大可达10级，多以西北风为主。冰冻期5.5个月，最大冻土深度1.3 m。

1.3 煤层赋存条件

露天矿位于区域性褶曲构造—帐篷沟背斜的西翼，露天矿内的侏罗系地层呈向西北向倾的单斜构造，地层产状：倾向270°～295°，倾角4°～31°，一般8°～20°，露头段11°～31°，表现为浅部陡、深部缓，平均可采总厚65.83 m。其厚度标准差6.14 m，变异系数为8.73%，顶板以泥岩、中细砂岩为主、次为粗砂岩、粉砂岩、粉砂质泥岩。底板主要以泥岩为主，次为中细砂岩、粉砂岩。普遍含有夹矸1～3层，偶含有9层，厚度0.14～1.03 m，以炭质泥岩、泥岩为主、次为高炭泥岩、粉砂岩、中细砂岩。

1.4 煤层开采工艺

原煤开采方式采用顶板露煤、底板降深的方式。采煤台阶水平划分，工作面走向布置，倾向推进。开采工艺为松动爆破-单斗-卡车-坑下破碎站-输煤斜巷半连续工艺，采装主要设备为5.6 m3CAT390D液压反铲挖掘机配合60 t自卸卡车采装作业。

2 单齿斗钩预松动破碎应用现状

自2015年单齿斗钩在煤层开采预松动破碎以来，经过现场的实践，不断细化预破碎工艺流程，调整设备参数，优化工作面参数，使单齿斗钩预破碎工艺在准东露天煤矿逐步代替了松动爆破工艺，由开始的辅助工艺逐步变为了主要工艺，2015年原煤产量530万t，其中单齿斗钩预破碎量为80万t，占全年产量的15%；2016年原煤产量750万t，其中单齿斗钩预破碎量为496万t，占全年产量的66%，从以上数据可知单齿斗钩预破碎工艺已成为准东矿煤层开采的主要工艺，2016年下半年原煤开采全部采用单齿斗钩预破碎工艺，目前该工艺月生产能力可达60万t。

3 煤层开采单齿斗钩预破碎工艺方案

准东矿煤层属于较软-中等坚硬的岩石类，坚固性系数1～3。采煤设备为斗容5.6 m3CAT390D液压挖掘机，斗容大、动力强，根据其特点，最初采用挖掘机直接硬挖的方式代替爆破工艺进行原煤开采，解决火工品禁用期间原煤生产接续问题。但是直接硬挖的工艺存在采装效率低，装车时间长及设备故障率高等问题，由于采装效率低，设备直接硬挖只能缓解生产接续压力，并不能完全解决火工品禁用对原煤生产接续的影响。为提高硬挖作业设备效率，将CAT390D液压挖掘机斗齿更换成型号CAT3980dl裂土器，组成的设备简称“单齿斗钩”。先用“单齿斗钩”预破碎，将采煤工作面进行松动破碎，再用挖掘机采装，达到提高采装设备的效率的目的。

3.1 单齿斗钩设备技术参数

设备型号CAT3980dl裂土器，该设备为CAT390D液压反铲挖掘机的配套延伸设备，与CAT390D液压挖掘机进行匹配使用，组成的设备简称“单齿斗钩”。

3.1.1 CAT3980dl裂土器主要技术参数

长度2 500 mm，宽度1 200 mm，最大裂土深度2 500 mm。

3.1.2 CAT390D液压挖掘机主要技术参数

CAT390D液压挖掘机技术参数见表1。

表1 CAT390D液压挖掘机技术参数

3.1.3 “单齿斗钩”松动破碎效率

CAT3980dl单齿斗钩硬挖破碎宽度为15 m，破碎深度为1.8～2.0 m，破碎能力为800～1 000 t/h。

3.2 单齿斗钩预松动作业流程

预先用单齿斗钩对采煤工作面进行松动破碎，再用挖掘机采装，提高挖掘机的装车效率。采煤台阶高度为8 m，由于单齿斗钩下挖深度为2 m，则原煤开采采用分层开采方式，每次硬挖宽度为15 m，4次采装完毕。

3.2.1 “单齿斗钩”松动破碎宽度

根据“单齿斗钩”的挖掘半径及挖掘1次机装车工作面宽度计算，“单齿斗钩”松动破碎宽度，确定松动破碎工作面宽度为15 m。

3.2.2 单台单齿斗钩工作线长度

以1台挖掘机采装1个作业面，单齿斗钩硬挖破碎煤量满足其1 d的能力计算，则单台挖掘机工作线长度：

式中：L为工作线长度，m；V为液压挖掘机1 d的工作能力，t；ρ为原煤密度，t/m3，取1.29；B为采掘带宽度，m；H为台阶高度，m；则单台挖掘机工作线长度为150～200 m。

3.2.3 “单齿斗钩”与挖掘机配比关系

根据现场数据分析，CAT390D液压挖掘机硬挖平均装车时间为8～10 min，生产能力约为200～250 t/h，月生产能力为10～12万t；CAT390D液压挖掘机采装能力约为400 t/h，1台“单齿斗钩”松动破碎能力可满足2～3台液压挖掘机采装作业需求。

4 工艺对比分析

4.1 爆破工艺大块率

爆破工艺煤层采用深孔松动爆破，起爆网络为毫秒延期微差爆破网络爆破。起爆方式为逐孔起爆，孔径138 mm，孔排距为9 m×5 m。因爆破机理，产生的大块主要存在于爆破的临空面，而非临空面多为小块煤，通过调整孔网参数，爆破工艺原煤大块率最高约40%。爆破工艺大块区域示意图如图1所示。

图1 爆破工艺大块区域示意图

4.2 “单齿斗钩”预松动破碎工艺大块率

“单齿斗钩”松动破碎工艺破碎深度为1.8～2.0 m，每次硬挖宽度为10 m，采煤台阶高度为8 m，采用分层开采方式，4次采装完毕。硬挖工艺每一层均有大块煤，原煤大块率达到55%。

提高大块率的目的主要是提高收益，由于该地区沫煤平均价格在70元/t左右，块煤单价为90元/t，根据2种工艺的对比，“单齿斗钩”松动破碎工艺比爆破工艺的大块率提高了15%，在煤炭大块销售旺季时通过提高原煤大块率可增加收益。

5 工艺成本对比分析

5.1 爆破工艺成本

准东矿原煤开采方式为先进行松动爆破、再采装，爆破方式为逐孔毫秒微差松动爆破，钻孔设备为CM351钻机，孔径115 mm，孔网参数9 m×5 m，炸药为混装铵油炸药，单耗为0.2 kg/m3，2016年原煤爆破228.6万t，爆破费用为621.8万元，则吨煤成本为2.72元，成本构成见表2。

5.2 挖掘机直接硬挖工艺

通过挖掘机直接硬挖破碎装车，破碎原煤12.5万t，费用为32.5万元，则吨煤成本为2.52元（单台设备时间段统计计算），成本分析见表3.

5.3 单齿斗钩松动破碎工艺

先用“单齿斗钩”硬挖，将采煤工作面进行松动破碎，再用挖掘机采装。2016年采用“单齿斗钩”破碎原煤共496万t，费用共为1 152.1万元，则吨煤成本为2.32元，成本分析见表4。

表2 爆破工艺吨煤成本

表3 “单齿斗钩”预松动破碎吨煤成本分析

表4 单齿斗钩硬挖吨煤成本分析

由上表成本、效率分析可知，相对爆破工艺直接硬挖工艺挖掘效率相比爆破工艺较低，但直接硬挖生产成本较低；采用“单齿斗钩”松动破碎配合挖掘机采装工艺，相对直接硬挖工艺效率高，相比爆破工艺生产成本低、安全系数高。“单齿斗钩”松动破碎工艺比爆破工艺，在生产成本上每吨降低约0.4元。

6 结语

通过对“单齿斗钩”松动破碎工艺的研究和现场实践，“单齿斗钩”松动破碎煤层工艺在准东露天煤矿已经应用了1年，经过多次反复实践、不断优化，改进“单齿斗钩”松动破碎作业方式，最终探索出适合特殊环境和社会背景，适用于准东露天煤矿的高效、低成本、高安全系数的“单齿斗钩”松动破碎方案，现在“单齿斗钩”松动破碎采煤工艺，已经成为准东露天煤矿原煤开采主要工艺，取得了显著成效，解决了很多困难：

1）解决了新疆地区，火工品频繁禁用期间对煤矿原煤生产接续的影响。

2）露天矿松动爆破为特殊高风险作业，减少了爆破次数，提高煤矿安全生产系数。

3）极大的降低了生产成本，相比爆破工艺，降低成本0.51元/m3。

4）提高了原煤大块率，爆破工艺原煤大块率40%，“单齿斗钩”松动破碎工艺大块率55%。

5）降低了采煤工作面防灭火压力，爆破工艺爆破后排孔对采煤台阶掌子面造成破坏，采煤煤台阶坡面容易形成裂缝，采煤台阶长时间放置空气进入裂缝容易引起自燃。而采用“单齿斗钩”松动破碎工艺，采煤煤台阶坡面不会受到破坏，大大减少了煤层自燃的发火点。

受作业方式的限制，需要充足的工作面提前“单齿斗钩”松动破碎，对采煤工线要求相对高一些，“单齿斗钩”硬挖工艺适用于爆破受限区域、生产规模小或采煤工作面充足的煤矿，生产规模大的矿山可采用爆破和硬挖相结合的方式进行生产，达到降本增效，提高安全生产系数的目的。

［1］神华新疆能源有限责任公司准东露天煤矿可行性研究报告［R］.呼和浩特：内蒙古煤矿设计研究院有限公司，2009.

［2］神华新疆能源有限责任公司准东露天煤矿初步设计［R］.呼和浩特：内蒙古煤矿设计研究院有限公司，2009.

［3］新疆准东煤田吉木萨尔县五彩湾露天煤矿首采区勘探报告［R］.乌鲁木齐：新疆地矿局第九地质大队，2010.

［4］王士俊.劈开（裂土器）施工法［J］.水利电力施工机械，1982（10）：29-35.

［5］彭增权.单柱裂土器推土机在露天采矿中的应用［J］.化工矿山技术，1990（1）：11-14.

［6］尚小龙.超级替代者CAT挖掘机裂土器及其综合解决方案［J］.工程机械与维修，2009（1）：119-121.

［7］梁霄.裂土器：为提升工作效率而生［J］.今日工程机械，2013（1）：62-63.

【责任编辑：陈毓】

Study on pre-splitting process of single tooth bucket hook for coal seam mining in Zhundong Open-pit Mine

LIU Zhonghong,GAO Jinlong,WANG Denglong
(Shenhua Xinjiang Jimusa'er Energy Co.,Ltd.,Changji 831100,China)

Taking Zhundong Open-pit Mine for example,by taking the"single tooth bucket hook"pre broken,with the excavator operation,the article researches the working length,working efficiency,block,digging depth,presents the mining technology scheme to reduce the production cost in open-pit coal mine and improve the safety production coefficient.

coal seam mining;single tooth bucket hook;loose crushing;production cost;safety factor

TD824

B

1671-9816（2017）05-0001-04

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.05.001

刘忠红，高金龙，王登龙.准东露天煤矿煤层开采单齿斗钩预破碎工艺研究［J］.露天采矿技术，2017，32（5）：1-3.

2016-12-13

刘忠红（1968—），新疆哈密人，高级工程师，本科，毕业于中国矿业大学采矿运输专业，从事露天煤矿开采工作。