机械铲倒堆工艺开采坑底薄及中厚煤层工艺研究

李延泽，张东华

（1．中煤平朔集团公司安家岭露天矿，山西朔州036006；2．太原理工大学，山西太原030024）

机械铲倒堆工艺开采坑底薄及中厚煤层工艺研究

李延泽1，张东华2

（1．中煤平朔集团公司安家岭露天矿，山西朔州036006；2．太原理工大学，山西太原030024）

开采露天煤矿坑底薄及中厚煤层将增加整个矿的采剥运输距离且需剥离大量岩石导致开采不经济，大量坑底薄煤层被遗弃。针对这种情况，提出机械铲直接倒堆工艺开采坑底最下部煤层。首先，提出工艺的爆破、平整倒堆体、倒堆、回采煤层等程序。其次布置台阶参数，制定出设备选型的步骤，并制定出应用条件，此工艺的的应用将对露天煤矿产生良好的经济效益。

机械铲；倒堆工艺；坑底；薄及中厚煤层

0 引言

倒堆工艺是一种间断流合并式工艺[1-3]，集采掘、运输、排土3项作业于一体，具有效率高、可靠性高、物料适应性强、成本低等优点[4-6]。露天煤矿通常有多层可采煤层，位于坑底最下部的薄煤层通常由于经济的原因不开采。如山西平朔矿区的11#煤层，内蒙古准格尔矿区的9#煤层，煤价高的时候开采，煤价低的时候不开采，对煤炭资源造成了极大的浪费，单个大型煤矿每年浪费量达几百万吨。主要原因如下：

1）开采薄煤层至少需要形成1个剥离台阶、1个采煤台阶、1个排土台阶，一个台阶宽度加上斜坡的最小宽度按100 m计算，则3个台阶至少会增加300 m的采煤剥离运输距离，同时运输环节约占总开采成本的40%～50%，故开采薄煤层导致整个矿的开采成本大幅增加。

2）剥离薄煤层需先剥离煤层之上的岩石，剥离岩石也会增加整个开采成本。针对上述情况，提出采用机械铲直接倒堆工艺开采坑底最下部的薄煤层。机械铲倒堆工艺是用机械铲如电铲、液压挖掘机位于坑底薄煤层之上，把剥离物直接倒堆到排土场，是美国采矿手册中一种明确的开采工艺，在美国、俄罗斯、澳大利亚有着广泛的应用。此工艺的主要优点：①所需工作平盘宽度小，将降低整个露天煤矿的剥离和采煤运输距离，从而降低整个煤矿的运营成本；②省去了开采台阶岩石剥离物的运输环节，极大地降低了剥离成本。

研究将为我国坑底难采薄煤层的开采提供一种新的思路和方法，成功推广应用于全国露天煤矿后可开采出大量的难采煤资源，大量降低开采成本，促进我国露天采煤事业的发展。

1 倒堆工艺程序

该工艺以机械铲正铲为基础，推土机配合，主要适用于露天煤矿最下部的薄煤层。主要特点是先进行松动爆破，然后推土机把一部分推到排土场，机械铲站立于煤层顶板或者排土场上对剥离物进行倒堆，机械铲开采坑底薄煤层，卡车经内排土场通道运出。

1.1 抛掷爆破

首先对剥离物进行抛掷爆破，把一部分剥离物抛掷到采空区。抛掷爆破会增加爆破的成本，同时减少倒堆剥离物的量，经验表明抛掷率可达30%～60%[7-8]，其中有效抛掷部分不需再进行倒堆[9]，增加剥离台阶的高宽比有利于提高有效抛掷率。抛掷爆破如图1。

图1 抛掷爆破

1.2 平整倒堆体

推土机对采空区的剥离物进行平整作业，平整出一个平行于煤层顶板的平台或者略高于煤层顶板的平台，同时辅助正铲倒堆作业。如果爆堆台阶高度超过正铲的最大采掘高度，则用推土机把爆堆高度推至正铲能够采掘的高度。推土机平整工作平台如图2。

图2 推土机平整工作平台

1.3 倒堆

首先用正铲对停机面水平以上的物料进行倒堆，把剥离物直接倒堆到采空区，如煤层厚度小于等于3 m，则正铲对停机面水平一下的物料进行倒堆。如煤层厚度大于3 m，则增加一个反铲在正铲工作线后对停机面以下的剥离物进行二次倒堆。正铲倒堆如图3。

1.4 回采煤层

单斗挖掘机位于煤层底板，对煤层进行上挖作业，运煤卡车经内排土场运输通道运至原煤破碎站。单斗铲的斗容根据年采煤量确定。回采煤层如图4。

2 作业参数及应用条件

2.1 台阶作业参数

爆堆高度H应小于等于正铲的最大挖掘高度，如局部地方爆堆高度大于正铲挖掘高度，可用推土机推平爆堆高度；同时，倒堆台阶高度不能超过煤层高度加上单斗铲的最大卸载高度。剥离台阶宽度A需考虑综合正铲的工作效率和台阶参数对抛掷爆破率的影响。正铲站立于剥离物的平台上，剥离台阶宽度小于最大挖掘半径且大于最大挖掘半径的1/2；台阶的高宽比越大，有效抛掷率越大，台阶高度固定的前提下台阶宽度越小约有利于提高抛掷爆破率。煤台阶和倒堆台阶设置3 m的安全宽度。

图3 正铲倒堆

图4 回采煤层

2.2 设备选型

剥离正铲的斗容Eb计算公式见式（1）。需要注意的是如果煤层厚度大于3 m，则需增加1个液压反铲，斗容变成正铲和反铲斗容的和；倒堆可能会存在二次倒堆的情况，每年需倒堆的剥离物量需根据作业条件和二次到对量重新计算。

式中：Eb为正铲的斗容，m3；Q为每年需倒堆的剥离物量，m3；为剥离台阶平均高度，m；L为采煤工作线长度，m；v为采煤工作年年推进度，m/a；

采煤单斗铲的斗容Em计算公示见式（2）。

式中：h为煤层平均厚度，m；

2.3 应用条件分析

排土场堆积高度Hp的计算公式见式（3）和式（4）。结合目前的设备制造水平，单斗铲最大卸载高度通常不超过10 m，最大下挖深度通常不超过8 m，以及其他的露天矿经验数据，通过公式（3）和公式（4）算出剥离物的平均厚度H必须小于等于10 m，煤层厚度小于等于10 m，同时满足经济条件。

式中：Hp为排土场堆积高度，m；Ks为剥离物松散系数；β为排土场坡面角，（°）；Hwxmax为单斗铲最大卸载高度，m。

此工艺省去了坑底最小安全宽度，缩短了采场和排土场直接的距离，将大大缩短露天矿卡车运输距离，从而降低露天矿的生产成本。

3 实例分析

3.1 露天煤矿煤矿条件

平朔集团安家岭露天煤矿主要可采煤层从上到下有4#、9#、11#煤层，11#煤层厚度2.06～8.55 m，平均厚度4.10 m，11#煤层和9#煤层的剥离物厚度是1.33～23.39 m，平均厚度9.75 m。工作线长2 000 m，年推进度约350 m/a。剥离物平均厚度和煤层平均厚度满足机械铲直接倒堆工艺的应用条件，技术可行。

3.2 设备选型及作业参数

据上述条件露天矿开采11#煤层每年需剥离6.83 Mm3/a，11#煤层每年采出量约2.87 Mm3/a，剥离设备选用27 m3级别的单斗铲，采煤设备选用12 m3级别的单斗铲。考虑到煤层厚度和剥离厚度，剥离选用1台20 m3级别的电铲和1台20 m3液压反铲，采煤设备选用12 m3级别的液压正铲或者电铲。台阶参数根据设备确定，剥离台阶宽度和倒堆台阶宽度为15 m。

3.3 效益分析

开采11号煤层形成1个剥离台阶、1个安全距离、1个倒堆台阶，宽度共增加40 m，减少露天矿最低最小安全距离50 m，露天矿采场和排土场的最距离减少10 m。开采11#煤层的剥采比约为1.98 m3/t。每年多采出11#煤362万t，全矿剥采比约降低0.2 m3/t，吨煤生产成本降低8元/t。

从上述设备选型、作业参数布置，经济效益分析可以看出，安家岭露天煤矿采用机械铲直接倒堆工艺开采11#煤层从技术上和经济上都是可行的。

4 结论

1）提出了以电铲倒堆剥离为主，液压反铲和推土机配合开采坑底薄煤层及中厚煤层的开采工艺。

2）受限于设备，此工艺的适用条件是剥离物平均厚度小于等于10 m，煤层厚度小于等于10 m。

3）新工艺将减少坑底的采场和排土场的最小安全距离，经济效益显著。

4）平朔集团安家岭露天煤矿使用此工艺开采11#煤层从技术上是可行的，经济上是合理的。

［1］姬长生，尚涛.露天采矿学［M］．中国矿业大学出版社，2015.

［2］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［J］.中国矿业大学学报，2002（4）：4-7.

［3］陈树召，才庆祥，刘福明，等.单斗挖掘机窄采掘带倒堆工艺研究［J］.采矿与安全工程学报，2016（2）：336-341.

［4］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［J］.煤炭工程，2005（10）：46-48.

［5］马军.厚煤层条件下拉斗铲无运输倒堆工艺应用研究［D］.徐州：中国矿业大学，2006.

［6］郭昭华，陈虎维，赵瑞玺.吊斗铲倒堆工艺在神华集团露天矿区的应用研究［J］.露天采矿技术，2005（1）：1-3.

［7］张幼蒂，傅洪贤，王启瑞，等.抛掷爆破与剥离台阶开采参数分析—露天矿倒堆剥离开采方法系列论文之四［J］.中国矿业大学学报，2003（1）：30-33.

［8］马军，李克民.抛掷爆破与拉斗铲倒堆工艺研究［J］.中国矿业，2003（7）：45-47.

［9］李克民，郭韶华，张勇.露天矿抛掷爆破技术研究及应用［M］.北京：煤炭工业出版社，2011.

【责任编辑：陈毓】

Research on shovel-bucket overcastting system mining low and medium-thickness coal seam technology

LI Yanze1,ZHANG Donghua2
（1.Anjialing Open-pit Mine,China Coal Pingshuo Group Co.,Ltd.,Shuozhou 036006,China;2.Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China）

Mining low and medium-thickness coal seam will increase stripping transportation distance of the whole mine,meanwhile stripping an amount of rock and soil causes not economic mining.Aiming at this,this article proposes the shovel--bucket mining overcastting system for the lowest coal seam.At first,the author proposes the technology blasting,overcastting and mining coal seam,then sets bench parameter and formulates equipment selection steps and application condition,which creates good economic benefit.

shovel-bucket;overcastting system;bottom of open-pit mine;low and medium-thickness coal seam

TD824

B

1671－9816（2017）08－0039－04

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.08.011

李延泽，张东华.机械铲倒堆工艺开采坑底薄及中厚煤层工艺研究［J］.露天采矿技术，2017，32（8）：39-42.

2017-04-20

李延泽（1984—），男，山西朔州人，工程硕士，2014年毕业于中国矿业大学露天开采专业，现任安家岭露天煤矿穿爆班主管。