白音华一号露天煤矿现有生产系统合理生产能力研究

马淑文

(内蒙古平西白音华煤业有限公司，内蒙古自治区锡林郭勒盟，026200)

对于合理产能、科学产能的定义有很多，但大多围绕资源、经济、环境、人4方面进行概括描述。国外以产能利用率作为考察一个行业产能合理与否的标准，欧美国家一般认为产能利用率达到70%～80%为合理，否则即为过剩。而国内学者更多是定性给出了考察角度，具体到煤炭行业又有其与众不同之处。白音华一号露天煤矿利用现有设备，通过生产能力计算分析，从而确定合理的生产能力。

1 一号露天煤矿生产能力计算与分析

1.1 穿孔爆破设备

白音华一号露天煤矿穿孔、爆破工程由外委单位完成，施工承包商为内蒙古赤峰平安工程有限责任公司，该公司持有内蒙古自治区公安厅颁发的爆破设计施工二级资质，使用CM358型钻机1台，钻机现状态完好，钻机参数见表1。

表1 钻机参数表

1.1.1 爆破岩(煤)性

(1)剥离物岩性及强度特征。矿田内第四系表土层以细砂、粉砂为主，局部夹亚粘土和砂砾石层，结构松散，岩石抗压强度<0.8 MPa；新近系上新统岩层由粘土岩、砂质粘土岩、砂砾岩组成，岩石抗压强度1.56～9.60 MPa，属软岩类；新近系底板至3#煤组底板岩层组以泥岩为主，其次为粉砂岩和薄层粗砂岩，岩石抗压强度0.26～45.10 MPa，其中：软岩占67.9%、中硬岩占30.3%、硬岩占1.9%，属软岩偏中硬类。

(2)煤层强度特征。煤层约占地层总厚度的15%～20%，煤的抗压强度2.81～40.86 MPa，属中硬岩类。根据补充勘探地质报告统计数据，矿田内软岩占85.0%，中硬岩占23.5%，硬岩占1.5%。按照《煤、泥炭地质勘查规范》(DZ/T0215-2002)[1]分类，白音华一号露天煤矿煤、岩层整体强度属含少量硬岩的软岩类岩层。初步设计确定在正常开采情况下，煤、岩层均不爆破，实际采剥生产中对煤层中硬岩区段采取爆破，剥离岩层不爆破。

(3)爆破器材及炸药。采用垂直多排深孔减弱松动爆破；采用导爆管排间微差起爆；采用乳化炸药或重铵油炸药。

(4)作业参数。爆破作业参数见表2。

表2 爆破作业参数表

注：此表为主采2#煤层爆破设计数值

1.1.2 穿爆环节能力计算公式

(1)

式中：n——设备台数，台；

Pda——单台穿孔设备能力，万m3/a。

单台穿孔设备能力按下式计算：

Pda=10-4Hy·Mh·Cb·Rd

(2)

式中：Hy——年正常作业小时数，h；

Mh——小时效率，m/h；

Cb——爆破出岩率，m3/m；

Rd——钻孔利用率，%。

1.1.3 计算过程及结果

CM358型钻机计算参数如表3所示。

表3 CM358型钻机计算参数

经计算，穿爆环节中CM358型钻机的单台能力为179万m3/a，即白音华一号露天煤矿穿孔设备总能力为179万m3/a。

白音华一号露天煤矿穿爆量占全年采剥总量的2%，不需爆破的松散物料计划挖掘量为8771万m3/a。

白音华一号露天煤矿穿爆能力为179万m3/a，不需爆破的松散物料挖掘量为8771万m3/a，合计为8950万m3/a。按2015-2017年的3年均衡剥采比5.10 m3/t计算，折合原煤生产能力为1530万t/a。

1.2 采装环节能力

白音华一号露天煤矿采装设备有：液压反铲、电铲、前装机及轮斗挖掘机。采用剥离全部外包，采煤部分自营、部分外包的生产方式。

自有设备为19台单斗采掘设备，其中：WK-12C型电铲2台，WK-4B型电铲3台(1台检修)，RH40E型液压反铲1台，CED650-6型液压反铲1台，EC460BLC型液压反铲4台，L350F前装机2台，CLG856前装机6台。各设备状态完好，详细参数见表4。

表4 单斗挖掘设备参数表

1.2.1 采装环节能力计算公式

(3)

式中：Pla——单台(套)采装设备(系统)能力，万m3/a。

单台采装设备能力按下式计算：

Pla=10-4VhHy

(4)

式中：Vh——设备(系统)正常作业平均小时能力，m3/h。

1.2.2 核定计算参数的选取及依据

单斗挖掘机计算参数选取如表5所示。

确定WK-12C型电铲单台能力为159万t/a，WK-4B型电铲单台能力为76万t/a，RH40E型电钩机单台能力为47.8万t/a，CED650-6型钩机单台能力为7.47万t/a，L350F前装机单台能力为159万t/a，EC460B型液压反铲单台能力为51.36万t/a，CLG856前装机单台能力为31.6万t/a。

1.2.3 计算过程及结果

经计算，WK-12C型电铲、CED650-6型液压反铲、EC460BLC型液压反铲单台能力分别为159万t/a、7.47万t/a和51.36万t/a。

表5 单斗挖掘机计算参数

确定白音华一号露天煤矿自有设备采煤能力530万t/a，经核查2015-2017年外委原煤破碎工程合同及完成情况，核定外委采煤能力700万t/a，合计1230万t/a(约918万m3/a)。

经核查2015-2017年外委剥离工程合同及完成情况，确定外委剥离能力6500万m3/a。白音华一号露天煤矿采装设备总能力为7418万m3/a。按2015-2017年均衡剥采比5.10 m3/t计算，折合原煤生产能力为1268万t/a。

1.2.4 采煤能力保障

对于近水平煤层露天矿，煤炭生产能力可按下式计算：

(5)

式中：Ap——生产能力，t/a；

m——煤层厚度，m；

v——工作帮水平速度，m/a；

α——煤层倾角，取平均倾角4°；

β——工作帮坡角，取6°～8°；

γ——煤层容重，t/m3；

η——煤层回采率，取97.25%。

白音华一号露天煤矿共有可采及局部可采煤层7层，各煤层平均厚度、工作线长度、推进速度及计算可达到的生产能力见表6。

表6 白音华一号露天煤矿各煤层生产能力计算表

根据计算结果，考虑采煤工作面布置、采场水平推进速度等，白音华一号露天煤矿生产能力满足1200万t/a是有保障的。

1.3 运输环节能力

1.3.1 运输设备

白音华一号露天煤矿现有SF31904-C型自卸卡车11台，卡车参数见表7，目前未正式投入运行。2015-2017年剥离、煤炭运输全部采用外包方式。

表7 卡车参数表

1.3.2 运输系统

白音华一号露天煤矿有外包剥离干线道路5条，均通往北排土场。运煤干线道路2条，分别通往一号破碎站及地表。剥离道路采取空重车分离运行方式，标准均为双车道二级矿山公路，剥离路面宽度35 m。煤炭运输道路标准为二级矿山公路，路面宽度36 m。道路维修辅助设备齐全，道路状况良好，日常养护及时，各类安全警示标志清晰、明确、醒目。车辆使用、检修等管理制度齐全、完整。

1.3.3运输环节能力计算公式

(6)

式中：Pha——单台(套)运输设备(系统)能力，万m3/a。

运输设备能力按下式计算：

Pha=10-4Vh·Hy

(7)

1.3.4 计算参数的选取及依据

(1)剥离运输能力。2015-2017年白音华一号露天煤矿剥离全部采取外包方式，乙方按合同规定的任务量配备相应的运输设备。依据历年外包剥离工程量及2017年5个剥离单位实际完成的任务量，确定白音华一号露天煤矿剥离运输能力为6500万m3/a。

(2)煤炭运输能力。根据白音华一号露天煤矿初步设计SF31904-C型自卸卡车生产能力计算结果，参照临近霍林河矿区南露天煤矿相同型号自卸车实际运行数据，确定年正常作业时间取3860 h，小时作业能力取174 m3/h，因此确定SF31904-C型卡车单台作业能力为67万m3/a。外包单位煤炭运输能力：经查2015-2017年外委原煤破碎工程合同及完成情况，确定外委施工单位煤炭运输能力可达到1246万t/a(2017年)。11台自有运输设备投入运行后，可根据实际需要核减外委煤炭运输量。

(3)白音华一号露天煤矿2015-2017年剥离运距4.9～5.21 km，剥离提升高度90～119 m；2018-2020年计划剥离运距5.6～5.88 km，剥离提升高度160～174 m。剥离、采煤运距及提升高度变化不大，因此，对运输环节能力基本无影响。

1.3.5 计算过程及结果

经计算，运输环节中SF31904-C型卡车单台运输能力为67万m3/a，白音华一号露天煤矿自有运输设备总运输能力为737万m3/a。

外包剥离运输能力6500万m3/a，11台SF31904-C型卡车投入运行后，确定外包煤炭运输能力取256万t/a(约191万m3/a)，则外包运输能力Ph2总计为6691万m3/a。

确定白音华一号露天煤矿运输环节总能力为7428万m3/a；按近3年(2015-2017年)均衡剥采比5.10 m3/t计算，折合原煤生产能力为1270万t/a。

1.3.6 运输环节能力保障

《煤矿生产能力核定标准》[2]第四十三条规定，露天煤矿运输环节能力主要核定运输设备能力，对运输系统能力未做要求，但根据生产实际，运输系统能力是运输设备能力的保障。

(1)车流密度。车流密度按下式计算：

(8)

式中：N——车流密度，辆/h；

Q——通过的年运量，m3；

K——产量波动系数，取1.1；

H——年工作日数，取270 d；

G——汽车车厢容积，m3；

K1——时间利用系数，取85%；

K2——汽车容积利用系数，取100%。

按照上述公式计算白音华一号露天煤矿各条运输道路的车流密度，计算结果见表8和表9。

(2)道路通过能力。双车道的通过能力按下式计算：

(9)

式中：Nk——道路通过能力，辆/h；

v——汽车运行速度，取30 km/h；

Kr——运行不均衡关系，与电铲数量有关，取0.65；

Km——会车影响系数，在空重车分离运行的条件下，取1；

Kb——制动安全系数，取0.5；

S0——同一方向上汽车间安全距离，即停车视距，取50 m。

经计算，道路最大通过能力为195辆/h，均大于各主干线道路的最大车流密度148辆/h。因此，白音华一号露天煤矿生产能力确定为1200万t/a在运输系统方面是有保障的。

表8 白音华一号露天煤矿运输道路车流密度(剥离)

表9 白音华一号露天煤矿运输道路车流密度(煤炭)

1.4 排土环节能力

白音华一号露天煤矿剥离采用单斗—卡车间断工艺，采用边缘式排土，排土设备为推土机和前装机，排土工程全部外包，5个外包剥离施工单位分别负责各自标段的排土工程，外包剥离施工单位现有功率220HP推土机10台，轮式前装机20台，各推土机运行状态完好。

1.4.1 排土环节能力计算公式

(10)

式中：Ps——排土能力，m3/a；

Psa——单台(套)排土设备(系统)能力，指可服务的排弃量，而不是实际推送量，万m3/a。

排土设备能力按下式计算：

Pm=10-4Vh·Hy

(11)

式中：Pm——卸煤能力，破碎口和地面煤堆卸煤能力，m3/a。

1.4.2 计算参数选取及依据

经核查2015-2017年外委剥离工程合同及完成情况，确定排土能力Ps取6500万m3/a。

但此能力反应剥采总能力中总的剥离能力。为了与其他环节的剥采总能力比较，核定排土总能力时，加入采出的原煤量(体积)Pm，即：

(12)

(13)

ρ——原煤视密度，取1.34 t/m3；

R——均衡剥采比，取5.10 m3/t。

因此，确定的排土环节能力为7451万m3/a，按近3年(2015-2017年)均衡剥采比5.10 m3/t计算，折合原煤生产能力为1274万t/a。

1.4.3 排土环节能力保障

《煤矿生产能力核定标准》[2]第四十四条规定，露天煤矿排土环节能力主要核定排土设备能力，对排土空间未做要求，但根据生产实际，充足的排土空间是排土设备能力发挥的重要保障。

2018-2020年白音华一号露天煤矿剥离量6430万m3、6513万m3、6325万m3，计划使用内排土场、北排土场。2018-2020年排土场容量见表10。

表10 白音华一号露天煤矿2018-2020年排土场容量

因此，白音华一号露天煤矿生产能力确定为1200万t/a时排土空间满足剥离物排弃要求。

2 原煤生产能力确定

2.1 各环节剥采能力分析

原煤生产能力核定共4个环节：穿爆环节、采装环节、运输环节、排土环节，其各自的能力分别为8950万m3/a、7418万m3/a、7428万m3/a、7451万m3/a。

2.2 确定最终剥采总能力

核定剥采能力取各环节能力的最小值，即：

Pt=min{Pd+Vu,Pl,Ph,Ps}

(14)

式中：Pt——剥采能力，万m3/a；

Vu——不需爆破的松散物料计划挖掘量，万m3/a。

穿爆环节、采装环节、运输环节、排土环节中，采装环节的能力最小，故根据上述剥采能力的选取原则，取采装环节能力为该露天煤矿的剥采总能力。

2.3 计算原煤生产能力

根据剥采比、原煤视密度和原煤系数计算原煤生产能力。

原煤生产能力计算公式：

(15)

式中：Pc——核定的原煤生产能力，万t/a；

r——原煤系数，r=1。

核定前一年、当年、后一年剥采比见表11。

表11 核定前一年、当年、后一年剥采比

根据上表计算的3年均衡剥采比为：

(16)

将数据代入公式，计算原煤生产能力为1268万t/a。

3 生产系统生产能力确定

3.1 采煤生产系统生产能力确定范围与环节组成

采煤生产系统生产能力核定的范围为：投入使用的自营部分和外包部分。

采煤生产系统的环节分为：主要设备(包括破碎、输送、堆料等设备)、储煤场、汽车运输。

3.2 采煤生产系统处理原煤的生产能力

3.2.1 主要设备处理原煤的生产能力

投入使用的自营部分主要设备的生产能力为：半移动式破碎站生产能力2000 t/h，实测最小能力为1753.42 t/h，取1750 t/h；二次破碎机生产能力2000 t/h；悬臂式斗轮堆取料机生产能力3600 t/h；M111、M201、M202、M203带式输送机输送量2000 t/h，M209、M311带式输送机输送量3600 t/h。按照《煤矿生产能力管理办法和核定标准》[2]的有关规定，投入使用的自营部分主要设备处理原煤的生产能力取Q1为1750 t/h。

外包部分的主要设备生产能力为：四川中成煤炭建设(集团)有限责任公司的半移动式破碎站生产能力Q2为400 t/h；辽宁煤建工程集团有限公司的半移动式破碎站生产能力Q3为400 t/h；西乌珠穆沁旗蒙北运输有限责任公司的轮斗采煤设备生产能力为Q4为1125 t/h。

依据《煤炭工业露天矿设计规范》[3](GB50197-2015)，主要设备处理原煤的生产能力按下式计算，计算所得数据为1293.6万t/a：

(17)

式中：A——处理原煤核定能力，万t/a；

Q——主要设备处理能力，t/h；

d——主要设备年工作日数，取330 d；

h1——主要设备每日有效工作小时数，16 h/d；

k1——不均衡系数，一般为1.2～1.5，取1.5。

3.2.2 储煤场处理原煤的生产能力

投入使用的自营部分条形储煤场容量为2×7.5万t。外包部分的储煤场容量为：四川中成煤炭建设(集团)有限责任公司半移动式破碎站配套的储煤场容量为4万t；辽宁煤建工程集团有限公司半移动式破碎站配套的储煤场容量为10万t；西乌珠穆沁旗蒙北运输有限责任公司轮斗采煤配套的储煤场容量为2万t。储煤场合计总容量为3.1万t。

依据《煤炭工业露天矿设计规范》[3](GB50197-2015)，采用间断或半连续开采工艺时，储煤场容量一般为3～7 d的露天煤矿生产能力，本次原煤处理能力确定按5 d考虑，则储煤场处理原煤的生产能力2244万t/a。

3.2.3 汽车运输处理原煤的生产能力

依据《煤矿生产能力管理办法和核定标准》[2]，汽车运输处理原煤的能力根据下式计算，计算所得数据为1413.928万t/a：

A=330×10-4A1·k1·T

(18)

式中：A——装车外运量，万t/a；

k1——运输不均匀系数，煤矿自有汽车队取0.9，外委汽车队取0.8，本次核定取0.8；

T——每日装车作业时间，本次核定取20 h/d；

A1——小时装车能力，t/h。

装车能力按下式计算，计算结果为2676 t/h：

(19)

式中：G——每辆车平均载重(因外运汽车有两种载重，本次核定按加权平均计算)，t；

ns——可同时作业装车车位数，本次核定取4；

t1——每辆车调车作业时间，本次核定取2 min；

t2——每辆车平均装车时间，本次核定取3 min。

3.3 最终确定的生产系统核定处理原煤生产能力

原煤生产系统中各环节处理原煤能力计算的结果如下：主要设备处理原煤的核定能力为1293万t/a；储煤场处理原煤的核定能力为2244万t/a；汽车运输处理原煤的核定能力为1413万t/a。

依据《煤矿生产能力管理办法和核定标准》[2]的相关要求，原煤生产系统处理原煤的核定能力为1293万t/a。

4 生产能力研究分析结果

4.1 各环节生产能力分析

经各环节生产能力的测定、计算及分析，白音华一号露天煤矿各环节生产能力确定情况如下：穿爆环节能力为1530万t/a；采装环节能力为1268万t/a；运输环节能力为1270万t/a；排土环节能力为1274万t/a；供电系统能力为2500万t/a；生产系统能力为1293万t/a。

4.2 安全与环境保护分析

白音华一号露天煤矿在煤炭产能增长的同时，把安全生产与环境保护作为重点工作来抓，同时积极履行企业社会责任，为地方经济发展和草原生态环境保护作出了重要贡献。白音华一号露天煤矿始终把安全管理放在重要位置，安全生产工作保持着长期平稳发展的良好态势，2017年通过内蒙古自治区煤炭工业局、内蒙古煤矿安全监察局、国家一级安全生产标准化专家组验收，被评为一级安全生产标准化煤矿。环境保护工作方面，白音华一号露天煤矿全面推进绿色矿山建设，工业厂区绿化率达70%，植被成活率在75%以上。白音华一号露天煤矿在产能扩大的同时实现了安全生产与环境保护的协调发展，因此将该矿生产能力确定为1200万t/a在安全与环境方面是有保障的，是可行的。

4.3 煤矿合理生产能力计算结果

白音华一号露天煤矿合理生产能力计算工作从露天煤矿境界内现存资源储量、采场四大生产环节能力、辅助环节保障、生产系统能力、采场剥采工程均衡状态、边坡稳定、煤炭市场、生产安全、生态恢复及矿区环境治理等进行了较全面和严格的核定。根据各系统生产能力计算结果，取其中最低能力为白音华一号露天煤矿综合生产能力，确定白音华一号露天煤矿综合生产能力为1200万t/a。

5 结语及建议

5.1 结语

区域内煤炭资源合理产能系统是一个受区域经济发展、煤炭企业成本控制、安全生产、环境承载力等多重约束条件影响的复杂系统。合理的生产工艺和生产系统对煤矿的设备选择、台阶参数的选择以及煤矿产能至关重要，合理的生产能力不仅对煤矿的发展重要，对煤矿的经济以及地区的经济也有着重要的影响。通过对白音华一号露天煤矿生产能力的研究得出以下结论：

(1)该矿区自上而下分别为1#、2#、3#煤组，3#煤组在该区分叉为3-1#、3-2#两个相对独立的亚组。勘查区含煤地层控制厚度最小118.01 m，最大474.66 m，平均283.70 m。

(2)通过对5种开采工艺的综合分析和比选，最终确定开采工艺为单斗—卡车—半移动破碎站—带式输送机半连续工艺。白音华露天煤矿达产时期剥离物和煤的半连续工艺系统，根据剥离和采煤工作面的推进强度，半固定式破碎站每1～2年移设一次。

(3)计算得出穿爆、采装、运输、排土、原煤生产能力以及供电系统的能力，综合比较，最终确定煤矿合理的产能为1200万t/a。

5.2 建议

(1)露天煤矿剥离及部分采煤采用外包方式，有效降低了生产成本，但也存在外包单位多、设备能力小、作业面分散等现象，建议进一步加强对外包单位的管理，落实安全责任，确保安全生产。

(2)通过生产能力核定，寻找企业在技术和管理上的薄弱环节，采取有效措施提高薄弱环节的生产能力，对于生产能力富余的环节也要通过全面的分析研究，进一步加强自有设备管理与维护，提高新增设备利用率和工作效率，同时继续做好环境保护等工作。