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文檔簡介
工作面帶式輸送機半連續(xù)工藝系統(tǒng)組合臺階優(yōu)化研究
露天礦開采的一般技術(shù)包括間歇法、連續(xù)技術(shù)、半連續(xù)法和綜合技術(shù)。其中,半連續(xù)法是近30年來快速發(fā)展的一種新技術(shù)。它具有中斷技術(shù)和連續(xù)性技術(shù)的優(yōu)點,在露天開采的生產(chǎn)實踐中顯示出較強的生命力。按照采、運環(huán)節(jié)使用的設(shè)備類型,半連續(xù)工藝系統(tǒng)分為2大類:連續(xù)作業(yè)的采掘設(shè)備配合間斷作業(yè)的運輸設(shè)備組成的半連續(xù)工藝系統(tǒng)、間斷作業(yè)的采掘設(shè)備配合連續(xù)作業(yè)的運輸設(shè)備組成的半連續(xù)工藝系統(tǒng).其中,第一類半連續(xù)工藝系統(tǒng)不利于充分發(fā)揮連續(xù)作業(yè)采掘設(shè)備(如輪斗挖掘機)的能力,一般只在特定條件下采用.得利于間斷式作業(yè)采掘設(shè)備較強的適應性和連續(xù)式作業(yè)運輸設(shè)備較高的運輸及克服高差能力,第二類半連續(xù)工藝系統(tǒng)在露天礦特別是深大露天礦得到了廣泛的應用(如無特別說明,下文所指為第二類半連續(xù)工藝系統(tǒng)).半連續(xù)工藝系統(tǒng)的典型組成形式為挖掘機-汽車-破碎機-帶式輸送機,礦巖從采掘工作面由汽車運至破碎機,經(jīng)破碎后由帶式輸送機運至排卸點.其中破碎環(huán)節(jié)多年來絕大多數(shù)露天礦采用的是固定式(半固定式)破碎站或它移式破碎機.一方面,挖掘機與破碎環(huán)節(jié)之間的汽車運輸使系統(tǒng)環(huán)節(jié)增加、可靠性降低;另一方面,隨著采掘工作面的推移,如果破碎機移設(shè)不及時,則汽車運距增加,一旦超過經(jīng)濟運距,則整個系統(tǒng)的運營成本將大幅增加.近年來,礦用破碎設(shè)備的設(shè)計和制造水平不斷提高,各種高新技術(shù)的引入使破碎設(shè)備的結(jié)構(gòu)日益完善,新型破碎設(shè)備的出現(xiàn)使露天采礦工藝的改進和完善成為可能.例如,國外一些露天礦將新面世的大型(全連續(xù))自移式破碎機用于露天礦半連續(xù)工藝,與其它一些傳統(tǒng)設(shè)備構(gòu)成了一種新的半連續(xù)工藝系統(tǒng)組成形式:挖掘機-(全連續(xù))自移式破碎機-帶式輸送機.取消了汽車運輸環(huán)節(jié),系統(tǒng)的可靠性大大提高,取而代之的帶式輸送機運輸使整個系統(tǒng)的運營成本降低.另外,挖掘機的生產(chǎn)能力也因可以實現(xiàn)連續(xù)裝載而大大提高.華能伊敏煤電有限責任公司2008年將上述工藝系統(tǒng)引入公司下屬的伊敏露天煤礦,用于該礦的原煤開采,填補了我國該工藝系統(tǒng)應用的空白.本文以伊敏露天煤礦為例,對帶自移式破碎機半連續(xù)工藝系統(tǒng)的工作面參數(shù)進行優(yōu)化研究,以期得出一些具有普遍意義的結(jié)論,為準備采用該工藝系統(tǒng)的類似礦山提供借鑒.伊敏礦區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾市鄂溫克旗伊敏鎮(zhèn)境內(nèi).伊敏露天煤礦一期建設(shè)規(guī)模為5.0Mt/a,于1992年10月開工建設(shè),2000年達到設(shè)計能力.二期擴建到11.0Mt/a,2008年達產(chǎn).主采煤層為15上煤層和16下煤層,其中15上煤層厚度5~8m;16下煤層平均厚度32m,局部達40m以上.伊敏露天煤礦開采工藝系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)如下:剝離:采用單斗挖掘機-卡車工藝,挖掘機斗容12m3,卡車載重108t.15上煤層以上的剝離物一部分經(jīng)西端幫運至內(nèi)排土場排棄,另一部分經(jīng)西部出入溝運往西外排土場;15上煤層與16下煤層之間的夾矸通過東、西端幫運至內(nèi)排土場排棄.采煤:采用綜合工藝,15上煤層厚度較薄,劃分為一個臺階,采用單斗挖掘機-卡車-半固定式破碎站-帶式輸送機半連續(xù)開采工藝.原煤從工作面由卡車運至2#破碎站,破碎后經(jīng)端幫帶式輸送機、出入溝提升帶式輸送機及地面輸煤系統(tǒng)運至儲煤場.挖掘機斗容12m3,卡車載重108t,帶式輸送機膠帶寬度1600mm.16下煤層下部厚度為21m部分以組合臺階的形式,采用單斗挖掘機-自移式破碎機-帶式輸送機半連續(xù)工藝進行開采.工作面的原煤直接由挖掘機裝入自移式破碎機,破碎后經(jīng)A型轉(zhuǎn)載機、工作面帶式輸送機、B型轉(zhuǎn)載機、端幫帶式輸送機、出入溝提升帶式輸送機及地面輸煤系統(tǒng)運至儲煤場.挖掘機斗容28.5m3,自移式破碎機能力3000t/h,帶式輸送機膠帶寬度1600mm.16下煤層上部剩余部分采用單斗挖掘機-卡車-半固定式破碎站-帶式輸送機半連續(xù)工藝進行開采,系統(tǒng)布置及設(shè)備規(guī)格與15上煤層類似.1臺階高度優(yōu)化伊敏露天煤礦單斗挖掘機-自移式破碎機-帶式輸送機半連續(xù)工藝系統(tǒng)用于16下煤層的開采作業(yè).該煤層全區(qū)發(fā)育,厚度較穩(wěn)定,一般為30~40m,平均厚度為32m.綜合考慮工藝系統(tǒng)布置特點,臺階高度優(yōu)化應遵循下列原則:1)為減少設(shè)備走行時間,在保證作業(yè)安全的前提下,盡可能加大臺階高度;2)在設(shè)備規(guī)格允許的情況下,可采用組合臺階開采以增大系統(tǒng)的生產(chǎn)能力;3)臺階高度的優(yōu)化和分臺階的布置必須滿足物料轉(zhuǎn)載的要求.1.1階梯總高度hs及hz+hx由于16下煤層平均厚度32m,所以半連續(xù)工藝系統(tǒng)組合臺階總高度h=hs+hz+hx≤32.0,(1)式中:hs為上分臺階高度,m;hz為主采臺階高度,m;hx為下分臺階高度,m.1.2任意分臺階高度半連續(xù)工藝系統(tǒng)采用太重的WK-20挖掘機,最大挖掘高度為14.4m,推壓軸高度為8.0m,則任意分臺階高度應滿足5.3≈23×8.0≤hi≤14.4,(2)式中hi為任意分臺階高度,m.1.3植生式著料機上傳參數(shù)根據(jù)半連續(xù)工藝系統(tǒng)設(shè)計,工作面的原煤由單斗挖掘機向自移式破碎機裝載,破碎后直接經(jīng)電纜料斗車向工作面帶式輸送機轉(zhuǎn)載或通過A型轉(zhuǎn)載機再經(jīng)電纜料斗車向工作面帶式輸送機轉(zhuǎn)載,上分臺階和下分臺階的高度及設(shè)置必須滿足原煤轉(zhuǎn)載的要求.自移式破碎機卸料臂的卸載高度范圍為4.5~10.0m,A型轉(zhuǎn)載機受料臂的受料高度范圍為-3.2~7.45m,其卸料臂的卸料高度范圍為2.0~13.1m,電纜料斗車料斗高度為3.6m.1a型不同且又存在明顯差異的上分臺階若A型轉(zhuǎn)載機站立于主采臺階下部平盤(圖1a),則主采臺階高度hz≤7.45-4.5+e=2.95+e,(3)式中e為破碎機卸料臂端與A型轉(zhuǎn)載機受料臂端之間的垂直安全距離,約為1m.若A型轉(zhuǎn)載機站立于主采臺階上部平盤(圖1b),則主采臺階高度hz≤3.6+f-2.0=1.6+f,(4)式中f為A型轉(zhuǎn)載機卸料臂端與電纜料斗車料斗之間的垂直安全距離,約為1m.分析式(3),(4)可以看出,在現(xiàn)有設(shè)備條件下布設(shè)上分臺階將導致主采臺階高度過小(小于4m),因此決定不設(shè)上分臺階,即hs=0.2主采臺階高度組合臺階中不設(shè)上分臺階時,主采臺階高度主要由設(shè)備挖掘條件和資源條件決定.從減少設(shè)備走行時間、提高其效率角度考慮,在資源條件允許的區(qū)域應按挖掘機的最大挖掘高度確定主采臺階高度.因此決定主采臺階高度取14m,即hz=14m.3下分臺階高度開采下分臺階時,破碎后的原煤可由破碎機卸料臂直接向電纜料斗車轉(zhuǎn)載(圖2a),此時下分臺階高度hx≤10-3.6-k=6.4-k,(5)式中k為破碎機卸料臂端與電纜料斗車料斗之間的垂直安全距離,約為1m.下分臺階采下并破碎后的原煤也可以經(jīng)A型轉(zhuǎn)載機向電纜料斗車轉(zhuǎn)載.當A型轉(zhuǎn)載機布置于下分臺階上部平盤時(圖2b),下分臺階高度hx≤10-(-3.2)-e=13.2-e.(6)當A型轉(zhuǎn)載機布置于下分臺階下部平盤時(圖2c),下分臺階高度hx≤13.1-3.6-f=9.5-f.(7)分析式(5)~(7)可以看出,若不使用A型轉(zhuǎn)載機,則下分臺階高度最大約為5.4m,接近于滿足挖掘設(shè)備效率發(fā)揮的最小臺階高度.若使用A型轉(zhuǎn)載機,由于半連續(xù)系統(tǒng)采用工作面帶式輸送機兩采一移,下分臺階兩個采掘帶的開采分別需要A型轉(zhuǎn)載機布置于下分臺階的上部平盤和下部平盤,下分臺階高度應滿足hx≤min{(13.2-e),(9.5-f)}≈8.5.(8)需要說明的是,如果下分臺階高度取8.5m,則A型轉(zhuǎn)載機卸料臂部分時間處于最大仰角下工作,設(shè)備對位困難.因此決定下分臺階取7m,即hx=7m.綜上所述,伊敏露天煤礦帶自移式破碎機半連續(xù)工藝系統(tǒng)采用由主采臺階和下分臺階構(gòu)成的組合臺階進行開采.組合臺階總高度21m,其中主采臺階高14m,下分臺階高7m.2單斗起重機作業(yè)平均循環(huán)時間和采出時間單斗挖掘機采掘原煤,不需爆破.挖掘機平行于工作面帶式輸送機沿直線走行,破碎機站立于工作面端頭一側(cè),與挖掘機同步走行(圖3).采掘帶寬度A=Rwp(sinα+sinβ),(9)式中:Rwp為挖掘機站立水平挖掘半徑,15.3m;α為挖掘機采裝的內(nèi)回轉(zhuǎn)角,(°);β為挖掘機采裝的外回轉(zhuǎn)角,(°).采掘帶寬度的優(yōu)化主要考慮兩方面因素的影響:一方面挖掘機采裝的回轉(zhuǎn)時間隨回轉(zhuǎn)角的增加而加大,單個采裝循環(huán)的作業(yè)時間加長;另一方面單位時間內(nèi)采掘設(shè)備的走行時間隨采掘帶寬度的增加而減少.采掘帶寬度優(yōu)化的目標是挖掘機單位時間內(nèi)的作業(yè)量最大或采掘單位工程量所用時間最短.挖掘機采裝的外回轉(zhuǎn)角應滿足自移式破碎機站位的需要,即Rwpsinβ≤Rxh-b2,(10)式中:Rxh為挖掘機最大卸載高度時的卸載半徑,18.4m;b為自移式破碎機的機體寬度,12.6m.解得β≤arcsinRxh-b/2Rwp=arcsin12.115.3≈52°.(11)參考單斗挖掘機-汽車工藝的應用經(jīng)驗,取β=45°.單斗挖掘機的使用經(jīng)驗表明,一定范圍內(nèi),設(shè)備回轉(zhuǎn)時間與回轉(zhuǎn)角度成正比.那么挖掘機作業(yè)平均循環(huán)時間可由式(12)計算t=t′+2(α-β2+90°)k=t′+180°+α-βk,(12)式中:t′為挖掘機作業(yè)循環(huán)時間中與回轉(zhuǎn)角度無關(guān)部分,包括挖掘時間,卸載時間等,s;k為挖掘機回轉(zhuǎn)速度,(°)/s.挖掘機走行及半連續(xù)工藝系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的對位占用一定的作業(yè)時間,以采出萬噸原煤所需時間最短作為采掘帶寬度優(yōu)化的標準.挖掘機采出萬噸原煤總時間ts=tc+tz+td,(13)原煤采出時間tc=10000tVγkh,(14)挖掘機走行時間tz=10000Ahγkhv,(15)系統(tǒng)對位時間td=10000t′dAhγkhd,(16)式中:V為挖掘機鏟斗容積,28.5m3;γ為原煤容重,1.12t/m3;h為臺階高度,主采臺階14m,下分臺階7m;kh為滿斗系數(shù),0.95;v為挖掘機走行速度,100m/h;t′d為半連續(xù)工藝系統(tǒng)一次對位時間,取12min;d為半連續(xù)工藝系統(tǒng)對位距離間隔,取10m.根據(jù)式(13)~(16)計算得出采出萬噸原煤所需時間與采掘帶寬度關(guān)系曲線如圖4所示.分析圖5可以看出,挖掘主采臺階時,采掘帶寬度21~25m范圍內(nèi)萬噸原煤采出時間較小且變化不大,相應挖掘機內(nèi)回轉(zhuǎn)角為40°~60°.挖掘下分臺階時,采掘帶寬度23~25m范圍內(nèi)采出萬噸原煤所需時間較短,對應內(nèi)回轉(zhuǎn)角為50°~60°.根據(jù)經(jīng)驗,合理采掘帶寬度為Rwp的1.0~1.7倍.據(jù)此伊敏半連續(xù)系統(tǒng)合理采掘帶寬度為A=(1.0~1.7)×Rwp=(1.0~1.7)×15.3=15.3~26.0m.(17)可以看出,上述優(yōu)化結(jié)果與經(jīng)驗公式計算結(jié)果相符.由計算數(shù)據(jù)可知,當α=50°時萬噸原煤采出時間最短,因此取挖掘機內(nèi)回轉(zhuǎn)角為50°.由此,采掘帶寬度A=Rwp(sinα+sinβ)=15.3×(sin50°+sin45°)=22.54m,(18)取合理采掘帶寬度為22.5m.3設(shè)備的最大歷史發(fā)布距離帶自移式破碎機半連續(xù)工藝系統(tǒng)工作平盤由采掘帶、自移式破碎機工作區(qū)、帶式輸送機工作區(qū)及安全寬度等要素組成.最小工作平盤寬度Bmin=An+C+D+F,(19)式中:n為工作面帶式輸送機一次移設(shè)服務(wù)的采掘帶數(shù)量;C為主采臺階坡底線至工作面帶式輸送機中心線的水平距離,應滿足設(shè)備移設(shè)期間設(shè)備布置和卡車運輸?shù)纫蛩氐囊?取18m;D為工作面帶式輸送機中心線至下分臺階坡頂線的水平距離,應滿足帶式輸送機安全運行的要求,取12m;F為斜坡道寬度,取采掘帶寬度.由式(19)可以看出,當其它參數(shù)一定時,最小工作平盤寬度取決于工作面帶式輸送機一次移設(shè)服務(wù)的采掘帶數(shù)量,而后者又取決于設(shè)備的最大轉(zhuǎn)載距離.理論上,設(shè)備的最大轉(zhuǎn)載距離由A型轉(zhuǎn)載機的轉(zhuǎn)載距離、自移式破碎機工作長度、挖掘機的挖掘半徑和卸載半徑組成,即Ιmax=ΙAS+ΙAX+ΙΖΡ+Rwp+Rxh,(20)式中:Imax為設(shè)備的最大轉(zhuǎn)載距離,m;IAS為A型轉(zhuǎn)載機的受料臂長度,34m;IAX為A型轉(zhuǎn)載機的卸料臂長度,32m;IZP為自移式破碎機工作長度,44.5m.計算得Ιmax=34+32+44.5+15.3+18.4=144.2m.為保證正常轉(zhuǎn)載和挖掘機效率發(fā)揮,一般不采用最大轉(zhuǎn)載距離.圖5所示情況下設(shè)備可利用的轉(zhuǎn)載距離為Ι=(34+32)×sin45°+44.5+18.4+15.3×sin50°=121.3m.對于主采臺階,工作面帶式輸送機一次移設(shè)服務(wù)的采掘帶數(shù)量nz=ent(Ι-CA)=ent(121.3-1822.5)=4.工作平盤寬度的確定亦應滿足下分臺階采出物料轉(zhuǎn)載的要求.對于下分臺階,設(shè)備的最大轉(zhuǎn)載距離為(圖6)Ι′max=ΙAS+ΙAX+Rpxsinφ+Rwpsin45°-Rxh-E,(21)式中:Rpx為自移式破碎機卸料臂長度,21.5m;φ為自移式破碎機卸料臂最大回擺角度,75°;E為下分臺階坡面水平投影寬度,E=hx×cot60°=7×3/3=4.04m.代入數(shù)據(jù)得與主采臺階開采時相同,為保證物料的順利轉(zhuǎn)載,A型轉(zhuǎn)載機不宜與工作面帶式輸送機垂直布置.取A型轉(zhuǎn)載機與帶式輸送機間夾角為60°,則設(shè)備可利用轉(zhuǎn)載距離為Ι′=(34+32)×sin60°+21.5×sin75°+15.3×sin45°-18.4-4.04=64.7m.則工作面帶式輸送機一次移設(shè)服務(wù)的下分臺階采掘帶數(shù)量為nx=ent(Ι′-DA)=ent(64.7-1222.5)=2.綜合考慮主采臺階和下分臺階物料轉(zhuǎn)載要求,確定工作面帶式輸送機一次移設(shè)服務(wù)2個采掘帶.據(jù)此,半連續(xù)工藝系統(tǒng)主采臺階最小工作平盤寬度為(圖7)4工作面參數(shù)、工作規(guī)格1)帶自移式破碎機半連續(xù)工藝系統(tǒng)取消了工作面汽車運輸環(huán)節(jié),與挖掘機直接配合作業(yè)的是自移式破碎機,碎后物料至工作面
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