胜利一号露天矿6#煤层采用轮斗连续工艺的探讨

张 洪

（中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司，辽宁 沈阳 110015）

近年来，随着《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》、《国家能源集团关于加快煤矿智能化建设的实施意见》、《关于促进煤炭安全绿色开发和清洁高效利用的意见》等文件发布，“成本”和“环保”对露天煤矿的双重约束逐渐收紧，以电力作为主要驱动的露天开采绿色开采工艺成为未来趋势[1]。全连续、少人化、智能化已经成为露天煤矿安全、绿色、高效、智能开采目标实现的迫切需求，因此，连续开采装备的应用已成为露天采矿技术发展的主要方向之一。与间断工艺、半连续工艺相比，轮斗连续开采工艺是露天煤矿最易实现智能化、少人（无人）、安全、绿色、高效开采的一种开采工艺。

1 矿山概况

胜利一号露天矿距锡林浩特市6 km，行政区划隶属锡林浩特市宝力根苏木，矿田面积34.36 km2，剩余可采储量12.45 亿t，服务年限40 年，该矿为1次设计分期实施，其中一期规模10 Mt/a，二期规模20 Mt/a，2020 年核准工程规模28 Mt/a。主要可采煤层为5＃、6＃煤，占总储量的90%以上，5＃煤层平均厚度为18 m，6＃煤层平均厚度为36 m，煤层倾角一般5°以内，其中6＃煤层结构简单、发热量高，无需爆破。矿田水文地质勘查类型为一类二型，工程地质条件中等。可采煤层均为褐煤，平均发热量为13.5 MJ/kg，属于中灰～中低灰煤、低硫、低磷、中等发热量，是良好的动力用煤和民用煤[2]。

胜利一号露天矿煤层采用单斗－卡车－地表半固定式破碎站－带式输送机半连续开采工艺，剥离采用单斗－卡车间断开采工艺。核准工程是在二期规模20 Mt/a 基础上，净增8 Mt/a 产能，达到28 Mt/a生产能力，其间剥采总量高达120～160 Mm3。因此，开采工艺连续化、开采设备大型化是必然手段[3]。

2 轮斗连续工艺及适用条件

2.1 轮斗连续工艺应用情况

轮斗连续开采工艺由轮斗挖掘机＋转载机＋悬臂受料车＋带式输送机等系统组成，轮斗连续工艺适用于露天矿煤层开采、露天矿松散（土）层及软岩剥离、松散物料的挖装或倒堆及土地整理等，尤其在需要长距离运输大宗物料时，采用连续工艺是较为经济、合理的运输方式[4]。

轮斗开采系统为连续开采工艺，即采掘、运输、排弃为一体、工作环节是连续的，它与间断工艺、半连续工艺相比具有采掘连续作业，生产能力大、效率高的特点。

轮斗开采系统的优点：①采后工作面形态规整；②辅助工序功耗低，操作简单，维修方便，开采成本低；③切削力大，采掘软岩或煤层时无需穿孔爆破，安全性好，容易实现现代化管理[5]；④效率高、消耗低、保护环境，易于实现自动化[6]。

轮斗开采系统的缺点：①设备初期投资大，准备时间长，要求条件苛刻；②连续工艺时，为串联系统，对系统的可靠性要求高；③对物料物理力学性质和气候等条件较为敏感；④出动率、管理水平和维修水平要求高[7]。

2.2 轮斗系统适应性

6＃煤层天然抗压强度为平均值10.37 MPa，点载荷强度平均值0.44 MPa，属于属中硬类煤层，对地比压不小于0.1 MPa。煤层倾角小于5°，全区内差异不大，地质构造较简单，无大的断层，煤层、煤质、水文地质条件变化不大。煤层底板岩性主要为泥岩、砂质泥岩和细砂岩组成，局部发育砂砾岩，抗压强度2.09～11.1 MPa。全区可采较稳定煤层，煤层结构简单，不需选采。首采区内6＃煤厚度22～40 m，全区6＃煤层平均厚度31 m。夹矸在1～7 层，夹矸厚度为0.1～0.61 m，且大部分在0.5 m 以下，煤层结构简单。通过对轮斗关键部位材料改进和结构优化，解决冬季易出现生产冻粘堵等问题。

综上，6＃煤层硬度适中、厚度大，具备适合轮斗连续开采工艺的先天条件，如能成功应用，将首先建立特厚煤层轮斗连续系统“多机协同＋智能决策”的智能作业模式，也将是首次建立深大露天矿扇形转向条件下的轮斗连续开采工艺系统。

3 轮斗系统生产能力确定

考虑设备保养、设备故障、带式输送机工艺应用时间、气候影响、初停产及系统各环节之间的影响等因素，综合确定胜利一号露天矿轮斗连续工艺年工作小时数为3 600 h。按生产规划2022 年胜利一号露天矿生产规模将达到28 Mt/a，其中作为主采煤层的6＃煤产量约为18 Mt/a。按优化确定的采区划分及开采顺序，首采区向二采区的过渡方式为扇形过渡，经过采区过渡方式的模拟推演，根据年生产能力计算，采煤工作线扇形端部的年推进度最大约为600 m/a，扇形轴部的年推进度约为40 m/a，如果对6＃号煤层布置全工作线进行轮斗采掘，将导致扇形端部位置的设备频繁移设，大大降低了设备的工作效率。

为了保证设备的平稳生产，根据轮斗挖掘机的开采流程及移设步距（4 采1 移，移设步距100 m），轮斗采煤工作线年最大推进度500 m，按年移设5次进行能力计算。6＃煤层在首采区向二采区过渡期间的工作线长度约为1 800～2 800 m，按照上述推进强度计算，适合轮斗挖掘机采掘的区域在采煤工作线扇轴部的占比约为64%～85%，根据煤层厚度及推进强度计算，轮斗完成的工程量约占6＃煤层总量的71.6%，即轮斗系统生产能力12.80 Mt/a，轮斗系统采煤范围如图1。

图1 轮斗系统采煤范围

轮斗挖掘机的有效生产能力是考虑在实际采掘工作面各种因素的影响条件下所能达到的小时生产能力。包括有设备自身采幅效率、地质条件、非计划性停机、辅助作业环节等影响，按6＃煤层轮斗系统总完成的工程量及有效工作时间设计，轮斗挖掘机的小时生产能力为：

式中：QA为理论生产能力，m3/h；QM为斗轮挖掘机年实际生产能力，Mt/a；TA为实际年生产运转时间，取3 600 h；ρ 为煤密度，取1.02t/m3；KA为工作面系数，取0.7～0.9；KE为管理系数，取0.8～0.95；KT为理论生产能力利用系数，取0.5～0.8。

轮斗连续工艺要求每个环节都必须顺畅、无故障，才能充分发挥其生产效能[8]，国产轮斗挖掘机生产能力计算参数如下：①理论能力(松方)：8 544 m3/h；②有效工作时间：3 600 h；③松散系数：1.3；④实方密度：1.33 t/m3；⑤松方密度：1.02 t/m3；⑥工作面系数：0.75；⑦管理系数：0.85；⑧理论生产能力利用系数：0.60；⑨计算单台设备年能力：4 272 m3/h；⑩设计单台取值设备能力：4 500 m3/h。

3.3 轮斗采煤工艺布置

胜利一号露天矿6＃煤层平均厚度为31 m，可将煤层分为2 个开采台阶，采用端工作面开采。2 台轮斗挖掘机分别布置于6＃煤层的底板及中部，开采整个煤层。轮斗挖掘机布置在台阶的端部，按分层垂直切削方式开采作业，采掘带宽25 m，各台阶分层开采高度4.0～5.0 m。经计算，采用“4 采1 移”，台阶布置平盘宽度148 m。轮斗系统采煤工程量计算示意图如图2。

图2 轮斗系统采煤工程量计算示意图

首采区扇形转向期间，轮斗系统的提升带式输送应布置北帮附近，考虑到内排量的影响，带式输送机布置应尽量与北帮垂直。北端帮5＃煤台阶以上边坡角度为14°、下部边坡角度为17°，为不影响北端帮内排运输通道，端帮提升带式输送机伪倾斜布置爬升至地面，地面带式输送机穿过内排土场进入地面生产系统。首采区北端帮内排运输通路可通过搭桥的方式解决。根据首采区开采现状，北帮既有运输通路10 个，可搭设桥涵5 处，实现对内排土场的联通，桥涵的结构形式宜为钢结构。

由于采煤为全年连续作业，如冬季寒冷出现顶板冻结，可采用利用推土机完成0.2～0.5 m 的顶板褐煤的松动[9]。

4 开采工艺对比分析

1）轮斗连续工艺。以2 套轮斗连续系统完成生产能力为12.0 Mt/a 为例，投资主要考虑2 台SRS4500 型轮斗挖掘机（单台4 800 万元）、2 台BRs4500 转载机（单台1 800 万元）、2 台悬臂受料车（单台1 000 万元）、工作面（带宽1 600 mm）带式输送机（3 360 万元）、端帮（带宽1 800 mm）带式输送机（3 500 万元）、2 台移设机（单台150 万元）、5 座端帮跨胶带桥（2 500 万元）等设备投资约为29 980万元[10]。SRS4500 型轮斗挖掘机的功率为3 800 kW、工作时间按3 600 h、电费按0.5 元/（kW·h）、带式输送机运距2.7 km、带式输送机运费按0.5 元/（t·km）等条件，轮斗挖掘机、带式输送机、人员的费用分别为1 368 万元、1 620 万元、300 万元，其它费用598万元，合计单位成本为3.25 元/t。

2）单斗－卡车间断工艺。单斗－卡车间断工艺采装环节单位成本为1.79 元/t，运输环节单位成本为7.44 元/t（运距4.5 km），破碎环节单位成本为0.83元/t，合计单位成本为10.06 元/t。

3）对比分析。轮斗连续工艺以电力驱动，绿色环保，其生产过程连续，开采效率高，安全性高；生产过程中一方面减少了破碎环节，另一方面采用带式输送机运输实现“以电代油”，综合开采成本低；定员30 人，单斗－卡车间断工艺少45 人，更容易能实现自动化，易于实现智能化开采，属于能耗低、碳排放少，粉尘污染少，相对清洁生产的绿色工艺。其投资为2.998 亿元，估算综合成本为3.25 元/t，比现行间断工艺10.06 元/t 的综合成本，节省6.28 元/t，年可节约8 000 万元以上，多出的静态投资可在4 年内收回。

4）需注意的问题。6＃煤层采用轮斗连续工艺开采技术可行，并具有安全、高效、开采成本低的优点，但应用轮斗连续工艺系统的前提是必须保障西端帮的边坡稳定。在采区扇形转向过渡中由于工作线两端推进度不一致，带式输送机与西端帮剥离运输系统存在立体交叉，导致现场管理相对复杂。

5 结语

轮斗连续工艺具有绿色、安全、高效、智能化强的优点，是露天矿山装备大型化、集成化、智能化的必然选择。研究表明胜利一号露天矿6＃煤层采用轮斗连续工艺开采技术是可行的，但5＃煤顶板存在弱层，需采取相应的工程保障措施，以保证西端帮的整体稳定性。采区过渡期间采用扇形过渡方式，现场管理难度加大。