西卓煤矿煤炭外运系统设计方案探讨

陈 伟

(中煤西安设计工程有限责任公司，陕西 西安 710054)

0 引言

煤炭外运是煤矿生产过程重要环节，我国目前煤炭消费主要集中在华中、华南及华东地区，而煤炭生产主要集中在内蒙、陕西、新疆等西北地区[1-3]。中长距离煤炭运输主要采用铁路运输，少部分采用河运或汽车运输，目前国内运煤干线已经基本建设完成；对铁路运输而言，主要采用区域集装站方式来集中一定区域内生产煤矿的来煤，集中进行铁路装车[4-6]。一般情况下，煤矿工业生产场地距装车站还有一定距离，短途运输方式中，铁路、公路、带式输送机3种运输方式各有利弊[7-10]。为此，以陕西关中地区西卓煤矿煤炭外运设计方案比选为例，充分阐述各种运输方式的优缺点，选择最合适的运输方式，使煤矿生产运行效益达到最佳。

1 工程背景

西卓煤矿位于陕西省渭北石炭二叠纪煤田澄合矿区中深部，行政区划属合阳县城关镇和知堡乡管辖，井田西距合阳县城3 km，东西长8.8 km，南北宽7.1 km，井田面积约 34.94 km2。煤矿设计生产能力3.00 Mt/a，服务年限47 a，远期服务年限58 a，移交生产时在工业场地布置3条井筒，井下采用单水平开拓，全井田共划分为4个盘区。地面生产系统设2个φ25 m原煤筒仓(30 000 t)，一座动筛车间完成预先分级、拣杂、大块破碎、分级准备等作业，6个7 m×7 m方仓(总容量1 560 t)存储块煤，8个7 m×7 m方仓(总容量22 400 t)存储混煤，2个7 m×7 m方仓(总容量1 000 t)存储矸石。

西卓煤矿于2021年建成，产品销往重庆、湖北、江西等地，急需建设与之配套的铁路专用线与国铁网衔接，便于快速、便捷地将煤炭运往消费市场。西卓外运系统设计需满足西卓煤矿和百良周边煤矿煤炭外运的需要，保证地方煤矿生产的连续性，实现煤炭高效直达运输，降低运输成本、提高企业经济效益，促进当地社会就业和经济发展。

2 煤炭外运运输方式的确定

2.1 运输方式

经对项目外围铁路接轨站进行分析论证，确定铁路外运接轨站为合阳北站。根据本项目的运输规模、运至合阳北站的运输距离和运输条件等特点，结合国内已经建成的类似项目，应用较多的运输方式有铁路运输、公路运输、带式输送机运输3种方式。公路运输线路自西卓煤矿选煤厂出发，先向北至合阳县东部运煤专用线，经运煤专用线向西至G108国道。再接入县道X207，从县道X207向西北方向进入荷宝高速出口快速干道，再从快速干道折向南进入规划的铁路集运站运煤专线到达合阳北站。铁路运输线路自西卓煤矿选煤厂引出向北，于知堡乡北侧下穿规划的西韩城际铁路，继续向西上跨京昆高速公路，跨国道108、县道X207，下穿在建高速公路连接线等道路后引入集运站。输送机运输线路以西卓煤矿选煤厂混煤仓西侧2号转载点为起点，合阳北站铁路专用线煤炭集运站为终点，线路长约12 km。

2.2 运输方式对比

运输方式选择主要在建设运营成本、环境保护、发展趋势等方面。经综合对比，本项目煤炭外运推荐采用带式输送机运输方式。3种运输方式综合对比见表1。

表1 运输方式综合对比

3 输送机运输线路的确定

煤炭外运输送线路起点为西卓选煤厂混煤仓西侧转载点，终点为合阳北站铁路专用线煤炭集运站。根据项目周边地形、县城城市发展规划、周边煤矿的井田范围，对南侧线路和北侧线路2条运输线路进行综合比较。

3.1 南侧线路

自西卓选煤厂混煤仓西侧转载点接入，向西北向跨越西禹高速运输约3 300 m，通过1 000 m转弯半径且跨越108国道，继续向西南方向运输约5 000 m，通过1 000 m转弯半径避开南张村至合阳北站东侧耕地，线路全长10.5 km。此线路沿线多为耕地，地势比较平坦，线路需要跨越西禹高速、108国道，距合阳县城中心约3 600 m，距县城北侧最近点约1 700 m，沿线躲避白灵村、孟家庄村等几个居民较多的村庄，紧临党家洼、西马庄、南张庄等几个居民较少的村庄，不涉及村庄搬迁。南侧线路走向如图1所示。

图1 南侧线路走向示意

3.2 北侧线路

自西卓选煤厂混煤仓西侧转载点接入，向北(平行于合阳县城规划东侧边界线)运输约1.6 km水平转弯跨越规划的西韩城际铁路、西禹高速，再向西北侧运输约4.0 km跨越108国道，经水平转弯后向西(平行于山阳煤矿井田边界线)运输约4.7 km至合阳北站集运站，线路全长12.3 km。该线路沿线地势较为平坦，但需要跨越西韩城际铁路、西禹高速、108国道，沿线多为耕地，线路从西卓煤矿起与知堡乡、北知堡村、顶村、东马庄村、中马庄村、西马庄村、南张庄村庄相邻，不穿越村庄，不涉及村庄搬迁和拆迁，避开了合阳县城的规划，对山阳煤矿井田无压覆，减少了线路征地的困难。北侧线路走向如图2所示。

图2 北侧线路走向示意

3.3 运输线路的比选确定

对比南北2条运输线路，南侧线路较短，但是存在压覆周边煤矿井田与合阳县城规划相干涉等问题，北侧线路虽线路较长，但线路避开了合阳县城的规划，对山阳煤矿井田无压覆，减少了线路征地的困难。2条运输线路综合对比见表2。综合分析，本项目煤炭外运系统确定采用北侧线路运输。

表2 运输线路综合对比

4 带式输送机运输形式的确定

本项目运输系统主要承担将西卓煤矿产品煤运送至合阳北站集运站储煤场接口处，利用集运站的储煤、装车系统进行火车外运任务。带式输送机作为国内常用的连续输送设备，在大的分类结构上又分为普通带式输送机和管状带式输送机2种形式。

4.1 普通带式输送机

普通带式输送机是现阶段最为常见的连续运输设备，在煤炭、港口、石化等行业应用非常普遍，具有连续输送、输送效率高、投资和运营费用省、环保节能等优势，而且可对不可避免障碍物采取水平方向转弯进行规避。普通带式输送机在长距离露天场合运输时，一般有全封闭结构和半封闭结构2种形式。全封闭栈桥结构架空段采用钢结构栈桥，落地段采用门市钢架，封闭性较好但造价较高；半封闭维护仅在皮带上增加钢制皮带罩，防雨防尘。长距离输送机多采用半封闭简易维护。半封闭结构断面如图3所示，全封闭结构断面如图4所示。

图3 半封闭结构断面

图4 全封闭结构断面

4.2 管状带式输送机

我国于20世纪90年代引进管状带式输送机，多用于输送煤炭、粮食、水泥、纸浆及混凝土等块状与粉状物料，具有输送倾角大、曲率半径小、机身横截面积小、输送带不跑偏等优点，并且可进行三维空间弯曲输送，实际应用中便于输送线路布置、维护、管理。管状带式输送机由尾部过渡段、管状段、头部过渡段3部分组成，其断面结构如图5所示。

图5 管状带式输送机结构断面

4.3 运输形式的确定

对比管状带式输送机，普通带式输送机具有建设投资费用较低、运行功率小且费用低等优点，但考虑到本煤炭外运线路沿线基本为耕地，途径多个村庄和道路，周围自然条件对环境保护要求严格，因此从环境保护角度考虑，管状带式输送机优势明显。普通带式输送机和管状带式输送机综合对比见表3。综合分析，本煤炭外运系统确定采用管状带式输送机进行物料输送。

表3 普通带式输送机和管状带式输送机综合对比

5 管状带式输送机计算选型

煤炭外运输送线路总长度约12.3 km，根据现场实地探勘，输送系统线路主要布置于耕地上，采用2条管状带式输送机搭接方式完成整个煤炭运输过程，中间设转载点1座。

5.1 管状带式输送机基本参数的确定

2条管状带式输送机搭接完成12.3 km运输距离，其输送长度根据现场探勘情况可设置2条等长输送机，即每条输送机长度约6.2 km。按照西卓煤矿地面生产系统设计工作制度，即年工作330 d，每天2班生产，1班检修，日工作16 h。不均衡系数按1.3考虑，根据计算，管状带式输送机的输送量圆整为Q=800 t/h。输送系统输送的物料为产品煤，按照产品组成，输送的物料为混煤，最大粒度50 mm，综合考虑产品煤粒度、输送量，管径选择直径350 mm。按照确定的输送量和管径，根据输送机带速计算公式，计算可得带速约等于2.9 m/s，设计考虑到矸石粒度、装满系数、输送带强度等因素，取带式输送机速度V=3.15 m/s。

5.2 管状带式输送机功率计算及设备选型

根据《带式输送机工程技术标准》(GB 50431—2020)关于管状带式输送机计算方法，经计算单条管状带式输送机驱动电机功率为4×630 kW。为了保证管状带式输送机的启动平稳可靠，设计对输送机驱动装置采用软启动驱动系统，对类似驱动功率的驱动装置，当前主流形式主要有变频电机+减速器、电动机+CST和永磁同步电机直驱等，设计选型考虑到经济性、稳定性，选用变频电机+减速器作为首选驱动装置。

6 结语

煤炭运输方式的选择，对煤矿生产和运输企业生产运营、生产成本和经济效益有着巨大影响。结合项目所在地的地形、城市规划、临近井田压覆、村庄位置、交通线路等多种因素，对3种运输方式及确定带式输送机运输方式后的输送带形式进行了充分比选，最终选用最符合项目实际生产的设计方案，为类似条件的项目设计提供了参考。