用于露天矿的半连续工艺系统.pdf

第5 7 卷第4 期 2 0 05 年1 1 月 有色金属 N o n k r r o u 5M e t a l s v d5 7 ．N o4 N o v e m b e r2 0 0 5 用于露天矿的半连续工艺系统 李克民，张幼蒂，王斌，杨云浩 中国矿业大学能源与安全工程学院，江苏徐州2 2 1 0 0 8 摘要介绍露天矿山采用半连续工艺系统的现状及发展趋势，讨论露天矿半连续工艺的特点、系统组成及其关键拄术。分 析半连续工艺在胜利l 号露天矿的应用情况。 关键词采矿工程；芈连续工艺；综述；露天矿 中图分类号T D 8 2 4 ．5 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 5 0 4 0 0 9 0 0 4 1 半连续开采工艺概况 半连续开采工艺是在连续开采工艺和间断开采 工艺基础上发展起来的，兼具连续和间断工艺的优 势，能解决中、硬矿岩的开采，实现矿岩的连续运输， 扩大生产规模和降低生产成本，被采矿界公认为“最 有生命力”的露天开采工艺_ 1 1J 。 1 ．1 半连续开采工艺的发展 从上世纪7 0 年代起，各国露天采矿工程的突出 特点之一是扩大了胶带输送机在开采硬岩中的使用 范围。因石油及相关产品价格上涨，燃料、润滑油及 轮胎价格也随之上浮。这几项费用之和占汽车运输 总生产费用的5 0 ％以上。据统计，用胶带输送机替 代汽车运输矿、岩在水平区段可以降低运输费用 6 6 ％，在上行区段可以降低8 6 ％【3J 。 世界上第一个采用半连续工艺的是1 9 5 6 年原 西德汉诺威市诺德水泥公司的石灰石矿，采场破碎 系统为克虏伯公司研制的一台能力为2 5 0 t ／h 的移 动式破碎机。到目前为止，世界上采用半连续工艺 的矿山已有数百个，最大的半固定式破碎站生产能 力已达到2 0 0 0 0 t ／h ，移动式破碎机能力已达到 1 0 0 0 0 t ／h 。使用的胶带输送机的带宽为1 ．5 ～2 m 在某些矿山已达3 m ，带速达4 ～6 m ／s ，胶带输送 机的生产能力将达到3 0 0 0 0 m 3 ／h 。从发展远景看， 胶带输送机的生产能力将达到4 0 0 0 0 m 3 ／h ，带宽将 达到3 ．6 m ，带速为8 ～1 0 m ／s 。破碎系统的形式也 呈现出多样化，固定式、半固定式和移动式破碎系统 收稿日期2 0 0 4 0 81 6 作者简介李克民 1 9 5 7 一 ，男，吉林敦化市人，教授，博士，博士生 导师，主要从事露天开采、边坡工程、矿业系统工程、计 算机应用等方面的研究。 都得到了广泛应用L 3 J 。 1 ．2 半连续开采工艺系统及特点 半连续工艺的系统组成可分为三种基本类型 1 单斗挖掘机 一汽车 一破碎机 站 一胶带运输 类型； 2 连续挖掘机一汽车 或铁道运输 形式； 3 推土机 吊斗铲、铲运机 一破碎或筛分装置胶带 输送机类型。 目前国内外对半连续工艺的发展及研究主要是 单斗挖掘机 一汽车 一破碎机一胶带运输类型的工 艺，生产工艺流程如图1 和图2 所示。 删。一电铲；k 。。 2 ．⋯．k 一卡车 圈1 露天矿半连续生产工艺流程图 半固定或固定破碎站 F i g1T e c h n i c a lp r o c e s so fs “{ o 删n u 。u st e c h n o l o g y i no p e n - p i t w l t hl i x e do rt 目m i l yf i x e dc r u s h n rs t a t i o n 匦至卧一国画亟亟丑一巨虱 L 陌丽两卜一阵丽丽卜 图2 露天矿半连续生产工艺流程 移动式破碎机 b i g ．2T e c h n i c a l 口r o c e 5 sc { s E r n i - c o m i n u o u st e c h n o l o g y i no p e n - p i t 诚mm o b i l ec r u s h e rs t _ l d o n 半连续工艺兼具连续工艺和问断工艺的优势， 主要表现在以下几个方面。 1 对坚硬矿岩露天矿 可采用连续运输，从而提高挖掘机效率2 5 ％～ 3 0 ％。 2 由于采用大型单斗挖掘机匹配高速宽度 万方数据 第4 期李克民等用于露天矿的半连续工艺系统9 1 胶带输送机，可扩大开采规模，目前这类型露天矿年 矿岩开采量可达近亿m 3 ，深凹露天矿年下降速度可 达2 0 ～3 0 m 。 3 深露天矿应用胶带陡沟开拓可克 服大坡度，缩短运距、减少汽车需要量及燃油消耗。 在相同规模条件下，若汽车只限于工作面运输，则半 连续工艺方案汽车需要量较全汽车运输方案可减少 2 5 ％～4 0 ％，甚至更多。 4 在露天矿边帮铺设胶带 输送机可减少开拓工程量。 5 生产费用较间断式 汽车 运输为低，可降低运输成本1 5 ％～4 0 ％。 2 我国半连续开采工艺发展趋势 在深入研究和吸收国内外半连续开采工艺的设 计理论和应用实践的基础上，半连续开采工艺在我 国的露天矿山得到了较好的应用和发展，如元宝山、 霍林河等部分露天煤矿及部分黑色和有色金属露天 矿山，均在不同程度上采用了半连续开采工艺。通 过对半连续开采工艺的设计和应用情况进行分析和 归纳，有以下发展趋势。 1 应用的范围越来越广。1 9 8 0 年以前，我国 露天矿山使用半连续开采工艺基本处于空白。随着 露天开采技术和设备的发展，半连续开采工艺在在 我国露天矿山的使用迅速增加，到2 0 世纪9 0 年代 后期，约3 0 ％的露天矿山使用了半连续开采工艺， 并由最初仅应用在矿石的开采工艺，扩大到了岩石 的剥离1 4J 。 表1 部分露天煤矿半连续开采工艺系统 T a b l e1 S o m es e m i c o n t i n u o u ss y s t e m s i nC h i n e s ec o a lo p e n - p i t 2 应用形式多种多样。从近几年设计与生产 实际情况看，半连续开采工艺有各种各样的实现形 式。表l 为我国部分露天煤矿应用半连续开采工艺 情况。这种多样化的形式较好地适应了不同的矿山 开采运输条件。 3 设备大型化和国产化。规模大、开采能力强 是露天煤矿的显著特点之一。与之相对应的半连续 开采工艺设备也具有大型化的特点，目前矿山使用 的破碎机能力都在3 0 0 0 ～5 0 0 0 t ／h ，有的甚至达到 1 0 0 0 0 t ／h ，带式输送机的带宽也从1 0 0 0 r a m 提高到 1 8 0 0 m m 。在半连续开采工艺中，中小型单斗挖掘 机及自卸卡车基本达到了国产化，对大型破碎设备 的国产化进程也在加快。 3 半连续工艺的技术关键 作为新发展起来的半连续工艺系统，在应用中 尚有许多关键技术问题急需解决。如半固定破碎站 的初始位置与移设步距，运输系统的开拓布置方式、 设备选型等，都对半连续工艺的运用产生重大影响， 甚至决定其成败。因而对半连续工艺关键技术的研 究，具有着重要的理论和实践意义。从近年来半连 续工艺的使用实践看，半连续工艺的关键技术主要 包括以下几个方面。 1 半连续工艺系统优化选择。工艺系统的选 择是露天矿设计工作的核心，露天矿的其他决策均 应以选定的生产工艺系统为核心，因此半连续工艺 系统选择与优化是半连续工艺系统中首先要考虑的 问题。 2 半连续工艺系统环节配合与设备选型。由 于半连续工艺是一种组合式开采工艺，构成半连续 工艺系统的生产环节往往很多，环节之间的协调配 合是极为重要的。系统环节配合协调组织得好，会 提高半连续工艺系统效率，从而提高整个系统的总 产出能力。 3 露天矿半连续工艺开拓运输系统方式。坑 外固定或半固定破碎站形式下，主要由汽车完成坑 内运输。在采用移动式破碎机或坑内半固定破碎站 条件下，胶带输送机系统布置，将有多种多样的布置 方式，要根据具体实际情况优化选择。 4 矿岩块度组成及其优化控制。矿岩的块度 组成与矿岩性质、结构、爆破方法、破碎机类型及破 碎过程参数等因素有关。在半连续开采工艺的设计 与计算中，矿岩的块度组成将显著影响系统的技术 经济指标及破碎设备的选型和参数选择。对于采用 半连续开采工艺的矿山，应对其矿岩块度组成作出 万方数据 有色金属第5 7 卷 分析并在作业过程中实现优化控制。 5 破碎站的设置。破碎站是固定或半固定半 连续工艺系统的一个重要环节，合理确定破碎站的 型式、布置方式及其移设步距，是充分发挥系统综合 能力及降低开采成本的重要因素之一。破碎站的布 置方式及其移设步距与破碎站型式及汽车经济合理 运距有关，而破碎站型式又与破碎机类型有直接联 系。同时，一定矿山条件下破碎站布置方式和移设 步距方案也并非唯一，其合理评定标准各不相同，有 的按最小开采费用评定，有的按最短卡车运距评定， 但最终目标应是最大可能地发挥半连续工艺系统的 效率和提高矿山经济效益。 6 半连续开采工艺系统可靠性。我国生产矿 山已建成投产的半连续工艺系统中，因种种原因，部 分矿山未达到设计能力。从系统可靠性角度看，除 设备制造中存在的缺陷造成设备的固有可靠度较低 外，系统组成、生产条件、环境、操作、维修以及管理 水平较差等也是重要的影响因素。通过计算半连续 工艺系统的可靠度，可掌握影响系统可靠度的主要 因素，揭露系统的薄弱环节，寻求提高系统使用可靠 度的途径，为系统改进及设备改型提供依据，从而提 高半连续工艺系统的效率。 4 半连续工艺在胜利l 号露天矿的应用 4 ．1 开采条件 胜利1 号露天矿地形平坦，主要可采煤层有5 、 6 号煤层，煤层倾角小于5 。。5 号煤层平均厚度 1 8 ．1 6 m ．发育稳定，6 号煤层平均厚度3 6 ．6 4 m 左 右，发育最稳定，剥离物以软岩为主。5 号煤层底板 以上剥离物 岩石及表土 平均厚度4 5 ．9 m ，5 煤与6 煤之间剥离物平均厚约6 0 m 。 4 ．2 剥离工艺方案 根据胜利1 号露天矿的具体条件提出4 种备选 半连续工艺系统方案 I 单斗一卡车．固定式破碎 站扇形推进半连续工艺方案； f f 单斗．自移式破碎 机扇形推进半连续工艺方案； Ⅲ 单斗一卡车一半固 定式破碎站半连续 平行推进 拉斗铲倒堆综合工 艺方案； I V 单斗．自移式破碎机半连续 平行推进 拉斗铲倒堆综合工艺方案。 袭2 各方案经济指标} E 较表 T a b l e2C o m p a r i s o no fe c o n o m i ci n d e x e sa m o n gd i f f e r e n tm i n i n ga l t e r n a t i v e s 由表2 可以看出，方案Ⅱ和方案Ⅳ占优。结合 胜利露天矿的具体条件，扇形半连续工艺方案除在 胶带接长移设方面具有一定优势外．在生产剥采比 的可均衡性、资源回收率、采区衔接难易程度以及对 下部岩石采用倒堆工艺的适应性等诸多方面均不占 优势。而自移式破碎机平行推进方案，除胶带需频 繁移设外，在其他方面均占绝对优势。由此可见在 技术上“综合工艺方案”优势明显。通过上述分析， 方案Ⅳ为最优方案。 4 ．3 设备选型及数量 1 破碎机选型。破碎机选型涉及到许多影响 因素，露天矿生产就是由多个相互关联、相互影响的 部分组成的一个大系统，而设备选择就是一个涉及 到技术、经济和管理等诸多因素制约的子系统，为 此，可以采用系统工程学原理进行破碎机选型。层 次分析法是将与决策有关的元素分解成目标、准则、 方案等层次，在此基础上进行定性和定量分析的决 策方法。通过对胜利一号露天矿破碎机选型问题建 立层次模型，计算出破碎机评价指数，得出双齿辊破 碎机最适合该矿山。 2 设备数量计算方法优化。概率分析方法计 算设备效率及系统产量是一种更加符合现场实际和 较为准确方法。矿山设备出动台数服从二项分布的 事实已为众多的矿山生产的实践所证实。设某生产 环节上有N 台可用设备，平均出动率为P ，则实际 有台设备同时作业的概率服从二项分布。 P z C 。N P 。 1 一P N - x N P 4 1 一 P ”。／[ z N z ] 式中P z 一有z 台设备同时作业的概率；N 一在 册设备总数；z 一同时作业的设备数；P 一该设备作 业率平均值。 当胜利1 号露天矿采用单斗．卡车一固定式破碎 万方数据 第4 期李克民等用于露天矿的半连续工艺系统 站扇形推进半连续工艺方案时，按照传统的静态计 算方法计算需卡车2 1 台，采用概率分析法计算，需 卡车2 3 台才能满足系统剥离能力要求。 4 ．4 半连续系统可靠性分析 为提高半连续工艺系统的生产能力，就要求系 统有较高的可靠性，需要对系统可靠性进行分析，故 障树法是一种非常有效的可靠性分析法，用该方法 可以找到系统的薄弱环节，可以进行事故预测，有助 于减少故障次数及维护修理时间，提高系统可靠性。 胜利1 号璐天矿采用单斗一自移式破碎机半连 续一拉斗铲倒堆综合工艺方案，生产第一期，5 煤以 上与5 煤以下剥离物均主要采用单斗。自移式破碎 机一胶带机．排土机的半连续开采工艺，两套半连续 系统胶带在北端帮汇为一套胶带系统。通过建立故 障树，并对其进行定性和定量分析，可计算出系统作 业中断的可能性为2 7 ．6 ％，而端帮胶带是最薄弱环 节，破碎环节和排土环节相对也比较薄弱，应着重加 强对这几个环节的维护和管理。 参考文献 [ 1 ] 张达贤， [ 2 ] 彭世济， [ 3 ] 黄月军， [ 4 ] 王喜富 5 结语 随着现代科学技术的发展及大型设备制造业的 日新月异，以设备大型化、开采集中化、开采工艺连 续化、生产环节合并化、开采工艺的简化与开采工艺 的综合化为标志的现代露天采矿工艺技术迅速发 展。半连续开采工艺在我国露天矿山中的应用技术 日趋成熟。 通过半连续工艺系统应用实例可以看出，设备 选型及其数量确定不能拘泥于传统方法，应研究使 用更新、更合理的方法。对半连续工艺系统可靠性 应用故障树分析方法，可找出系统中容易发生故障 的薄弱环节，有助于减少故障次数及维护修理时间， 提高系统的可靠性。应用自移式破碎机的半连续系 统，减少或取消了卡车运输系统，大大降低了生产成 本，这对于今后大型露天矿的开发，特别是对那些开 采范围大、开采深度大、生产剥采比大、运距与运量 大的露天矿山的开发将起到积极的作用。 张幼蒂．露天开采新工艺[ M ] ．江苏徐州中国矿业大学出版社，1 9 9 2 4 2 5 8 ． 张达贤，习永峰．露天矿连续和半连续开采工艺[ M ] ．北京煤炭工业出版社，1 9 9 1 1 5 0 1 6 6 ． 常华敏，边树兴，等．半连续工艺在国内外的应用概况[ J ] ．露天采煤技术，2 0 0 5 6 7 ． 露天矿半连续开采工艺系统若干关键技术问题研究[ D ] ．江苏徐州中国矿业大学采矿工程系，2 0 0 0 6 2 1 0 2 S e m i - c o n t i n u o u sM i n i n gS y s t e mA p p l i c a b l ei nO p e n - p i t L IK e - m i n ，Z H A N GY o u - d i ，W A N Gb i n ，Y A N GY u n h a o C o l l e g eo f M i n i n ga n dS a f e t y E n g i n e e r i n g ，C h i n aU n i v e r s i t yo f M i n i n ga n d T e c h n o l o g y 。X u z h o u2 2 1 0 0 8 ，J i a n g s u ，C h i n a A b s t r a c t T h ea p p l i c a t i o ns i t u a t i o na n dd e v e l o p m e n tt r e n do ft h es e m i ．c o n t i n u o u sm i n i n gt e c h n o l o g yi no p e n ．p i ta l e i n t r o d u c e d ，a n dt h et e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c ，s y s t e ms t r u c t u r ea n dk e yt e c h n o l o g yared i s c u s s e d ．T h ep r a c t i c a lu t i l i z a t i o no fs e m i c o n t i n u o u sm i n i n gs y s t e mi n1 o p e n p i to fS h e n g l iM i n ei sa n a l y z e d ． K e y w o r d s m i n i n ge n g i n e e r i n g ；s e m i c o n t i n u o u sm i n i n g ；r e v i e w ；o p e n p i t 万方数据