露天煤矿开采工艺与设备国产化.pdf

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1、露天论坛露天煤矿开采工艺与设备国产化内蒙古煤矿设计研究院总工程师赵唱尧摘要开采工艺是露天采矿的核心,应根据矿山的具体条件和国家的设备制造和供应水平,经过精心的技术经济比选来确定。回顾了我国露天矿发展简史和我国单斗铁道工艺与设备经历的国外援助及自主建设两个阶段,分别介绍了单斗汽车工艺、轮斗胶带工艺、半连续开采工艺、吊斗倒堆工艺的特点与所采用的设备,对我国露天开采设备的研制提出了建议。关键词露天采煤工艺设备大型露天煤矿的投资,就吨煤而言远远低于矿井,但因规模较大,一座露天煤矿的总投资往往达十几亿以至数十亿元之巨,而其中工艺设备的投资大体占50%60%,这个比例又远远高于矿井。因此,开采工艺的决策显

2、得更加重要。有些露天煤矿的开采工艺争论达810年之久,盖源于此。根据国情分析研究我国露天煤矿开采工艺的选型,探讨露采设备国产化的方向与重点,对于我国露天煤矿的发展,显然是十分必要的。1我国主要露天煤矿发展简况我国主要露天煤矿发展情况详见下页表。2单斗铁道工艺与设备从新中国成立到1980年,新建了一批露天煤矿,基本采用单斗铁道工艺,或称“单斗-铁道”时期。其发展可分为两个阶段。211国外援建阶段(19501957年)在前苏联援建的156项工程中,包括了阜新海州、抚顺西露天和新邱三座露天煤矿。几处均采用单斗铁道工艺。工程建设顺利,如期达产,效益很好,在国民经济中发挥了重要作用。主要装备是45m3斗

3、容的单斗电铲、80t电机车和60t(23m3)自翻车、50kg?m钢轨。相当于前苏联40年代初的设备,可称为第一铁道系列。由于这套设备与我国的机械制造水平相当,因而很快实现了国产化。212自主建设阶段(19581980年)在这一时期自主兴建了平庄西、扎赉诺尔灵泉、义马北、哈密三岭、鹤岗岭北、海勃湾公乌素等6座采用单斗铁道工艺的露天煤矿,同时还兴建了石炭井大峰、云南可保和小龙潭等3座采用单斗汽车工艺的中小型露天煤矿。这一时期的单斗铁道工艺设备是810m3斗容的单斗电铲、150t电机车、100t自翻车和60kg?m重轨。由于中苏交恶,设备全靠国内制造,已达到苏联60年代初的水平,可称之为第二铁道系

4、列。这批设备中,除100t自翻车质量不过关外,其余均实现了国产化,第二铁道系列设备陆续用在阜新海州露天和抚顺西露天等矿;而自立兴建的一批露天矿则以第一铁道系列设备为主,大多数矿还用蒸汽机车牵引。中小型露天矿单斗汽车采用的是4m3斗容单斗电铲,10t、12t、27t自卸汽车也基本实现国产化。01中国煤炭第24卷第12期1998年12月我国主要露天煤矿发展简况序号露天矿名称煤种煤层倾角规模?万ta-1投产年建矿时期其阶中段开采工艺装备水平建矿初现在建矿初现在1抚顺西长焰气28360(1914)19532阜新海州长焰1022300420(500)19533阜新新邱长焰76080(53)19534哈密

5、三道岭弱粘616150180(123)19625扎赉诺尔灵泉褐5960180(130)19656鹤岗岭北焦5156019647平庄西褐101815019658义马北长焰815120(80)19679海勃湾公乌素 肥焦1015120(60)198010石炭井大峰无烟63290(45)197311云南小龙潭小龙潭褐820150(1953)1964布召坝褐820240480196412云南可保褐815601962单斗铁道时期接受外援典型发展完全自立大批发展单斗铁道单斗铁道十深部半连续4m3铲,80t、150t电 机车,60t自翻车4m3铲、10m3铲,80t、150t电机车,60t自翻车十深部10m

6、3铲,108t汽车内排,煤:单汽破碎胶带单斗铁道单斗铁道深部改造4m3铲,80t、150t电机车,60t自翻车同左,面临深部改造单斗铁道单斗铁道4m3铲,80t蒸 汽 机车、60t自翻车4m3铲,150t电机车、60t自翻车单斗铁道单斗铁道4m3铲,80t蒸 汽 机车、60t自翻车同左单斗铁道单斗铁道4m3铲,80t蒸 汽 机车、60t自翻车同左单斗铁道单斗铁道4m3铲,80t、150t蒸汽机车、60t自翻车同左单斗铁道单斗铁道4m3铲,80t蒸 汽 机车、60t自翻车4m3,100t电机车、60t自翻车单斗铁道单斗铁道4m3铲,80t蒸 汽 机车、60t自翻车4m3,150t蒸汽机车,60t

7、自翻车单斗铁道单斗铁道4m3铲,80t蒸 汽 机车、60t自翻车同左单斗汽车单斗汽车4m3铲,27t汽车同左窄轨改单汽单汽+连(改半连)1m3铲-12t汽车+3套超小型连续(1986年)1m3、4m3铲-12t汽车+连续(超小),连续改半连续窄轨改单汽+连单汽+连1m3铲-12t汽车+15002000m3?h轮斗机4台2000(3100)m3?h轮斗机+4m3单斗-32t汽车窄轨改单汽+连单斗汽车1m3铲,10t汽车同左13平朔安太堡1号气 1015001987已达产14霍林河南褐51310001984未达产15伊敏一号褐351005001984未达产16平庄元宝山褐385001996部分交1

8、7准格尔黑岱沟长焰 101200199618东胜马家塔不粘13601989已达产19东胜武家塔不粘13601996未达产20大兴安岭古莲河长焰3560未交21新疆铁厂沟长焰45150未交单斗汽车和多工艺时期单斗汽车+煤坑边半连续25m3P&.H2800铲,12m3液压铲,154t汽车同左单斗汽车+煤坑内半连续4m3、10m3电 铲,RH75液压铲(811m3),68t,108t汽车同左单斗汽车+煤坑边半连续4m3、10m3电铲,27t、68t、77t、108t汽车同左上部,连续,下部:单汽,煤坑边半连续3600m3?h轮斗-114胶带-5000m3?h排土机,10m3铲,-1215铲,68t汽

9、车上部:连续,下部:单汽,煤坑边半连续4台3100m3?h轮斗,2台6000m3?h排土机,25m3铲(395B,2800)-154t车+12m3铲-108t车单斗汽车4m3铲,20t汽车单斗汽车4m3铲,20t汽车单斗汽车4m3铲,20t汽车单斗汽车4m3铲,27t汽车(贝拉斯)11露天煤矿开采工艺与设备国产化从工艺选型角度来看,这批露天矿应该说是正确的。首先适应了我国的机械制造水平,国产化保证了设备和零部件的供应;其次是满足了这批露天矿(60150万t?a)的运量要求;再有就是这批露天煤矿基本上都是缓倾斜煤层,本来就难以实现内部排土。然而,正确的工艺选型并没有带来良好的经济效益。由于经历了

10、大跃进和十年浩劫,采取边勘探边设计边施工和简易投产的方针,使这批露天煤矿中多数长期未能达产,效益普遍不佳。很多人曾想把单斗铁道工艺设备进一步提高,仿效前苏联6080年代形成的第三铁道系列,采用121516m3斗容单斗电铲、360t牵引机组(240t电机车牵引两台62t联动自翻车)、150180t自翻车、75kg?m重轨,将铁道限制坡度从25提高到60,以继续保持单斗铁道工艺在我国露天煤矿的优势,但终未成功。3单斗汽车工艺311特点改革开放以来兴建的大型露天煤矿,大多采用了单斗汽车工艺或综合工艺,主要是引进了美国的技术和设备。在实践中认识到单斗汽车工艺具有如下特点:汽车灵活、机动,爬坡能力强,拉

11、沟长度小,基建工程量小;具有“小矿坑,大规模”的优点,即以较短的工作线求得较大的生产能力,无论是水平推进速度,还是垂直延伸速度,均远远高于单斗铁道工艺;设备投资和总投资均低于其它工艺,这对资金相对紧缺的我国有相当大的诱惑力;生产经营成本,主要是运输成本又高于其它工艺。因此,“尽力缩短运距,及早实现内排”显得尤为重要;用人少,劳动生产率高,这是单斗铁道工艺不可比拟的。正是由于以上这些特点,80年代以来我国新建的大中型露天煤矿基本上都采用了单斗汽车工艺,或采用单斗汽车工艺为主的综合工艺(详见上表)。从开采工艺选择来看,基本上是正确的。反映在充分发挥了单斗汽车工艺投资省、建矿快的优势。平朔安太堡露天

12、煤矿设计规模1500万t?a,26个月移交生产,一年后即达产,其建矿速度之快令世人瞩目。该矿的延伸速度达60m?a,工作线年推进度达520m,创国内之冠,显示了单斗汽车工艺高效的优势。该矿达产一年后就实现了内部排土,这也是单斗汽车工艺的突出特点。但在生产过程中,单斗汽车工艺的弱点也逐渐显现出来,主要是汽修跟不上,导致汽车实动率低和运输费用过高。我国的汽车制造业起步较晚,露天矿用的超重型自卸汽车基本是靠从国外引进,零部件供应不及时且价格昂贵,维修水平不高。由于运输初期沿袭了“修车不修路”的旧习,矿山道路质量很差,以致汽车损坏严重,也影响了汽车的实动率。虽然在设计和生产中采取了就近排土、设置境界内

13、的“临时”排土场、尽量提前内排等措施以缩短运距,但汽车的运输费用仍然偏高。因此,在霍林河南露天矿采用了半连续工艺运煤,在准格尔黑岱沟和平庄元宝山露天矿则采用了连续工艺剥离,从而形成以单斗汽车工艺为主的综合开采工艺。312设备单斗汽车工艺的设备大体可分为三个档次。(1)中小型:46m3斗容单斗电铲,32t(或27t)载重的自卸汽车,适用于150万t?a的露天矿,年采剥总量约1500万t左右。这套设备已全部国产化,质量基本满足生产需要。(2)大型:1014m3斗容单斗电铲、68108t载重的自卸汽车,适用于1 000万t?a以下的露天矿,年采剥总量约8 000万t左右。这套设备也已国产化,但汽车质

14、量尚待提高。(3)特大型:2332m3斗容的单斗电铲、154218t载重的自卸汽车,适用于1 200万t?a以上的露天矿,年采剥总量约112115亿t左右。这套设备正处于国产化的初始阶段,目前还主要依靠从国外引进。由于进口大型设备价格昂贵,对露天矿投资举足轻重,解决这套设备的国产化已迫在眉睫。对于单斗汽车工艺而言,因其应用范围很广,国内的机械制造部门应加快研制步伐,以尽快实现国产化。在开始阶段应以零部件制造(尤其是易损件)起步,提高零部件的质量和供应能力,然后走向合作制造整机,最后实现全部国产化。汽车工业是一门综合性很强的工业,我国的汽车工业还很年轻,要达到发达国家的水平,还有很长的路要走。但

15、是,先零件后整机,先合制后自制,可以在一定程度上缩短这段路程。对于汽车耗油问题,颇多非议。我国石油资源不多,产量也小,而用油量在激增,因此节约用油是正21中国煤炭第24卷第12期1998年12月确的方针。然而,以“汽车耗油大”作为露天矿采用单斗汽车工艺的主要缺点,的确有失偏颇。因为汽车耗油成本高已体现在效益上,不宜重复考虑。按汽车一般耗油水平,每产200300t煤耗油1t左右。目前已建的几座采用汽车运输的露天矿达产后将年产5000万t左右,年耗油约20万t,占我国产油量的0115%左右,实在是太少了。如果这千分之一二的油都觉得不应该用,甚至认为以油换煤是一种浪费,那么,我国的汽车工业以至汽车运

16、输业应不应该大力发展呢?回答是肯定的。我们必须节约用油,但绝不能因噎废食。其实,露天煤矿的设计师们不仅在千方百计地缩短汽车运输距离,而且在努力实现半连续运输。至于双能源汽车,虽然在国外已有不少矿山应用,也取得了节油的经济效益,却并不适于我国的矿山。其主要原因是,我国已建成和拟建的露天煤矿以开采近水平和缓倾条件煤层为主,水平推进速度较快,开拓坑线很难固定,也就难以应用双能源汽车。4轮斗胶带工艺411特点80年代以来,我国在平庄元宝山、准格尔黑岱沟的上部松软层和云南小龙潭的剥离中先后采用了轮斗胶带连续工艺,在胜利一号露天矿的可研报告中,也准备采用这种工艺。但除云南小龙潭已运转了几年外,其余尚在安装

17、、试运转或准备阶段。从我国露天煤田的岩性和气候条件来看,适于轮斗胶带工艺者不多,初步认识这种工艺的特点是:效率高,能力大,适于采剥总量较大的矿山;受切割力限制,适于开采线切割力在200kN?m以下的软质煤岩;价格昂贵、投资较大;要求较高的管理水平。正是这些特点,在很大程度上限制了连续工艺的应用范围。上述几座露天矿所采用的连续工艺仅限于松软层,与其它工艺组成综合开采工艺。这种工艺选择是否正确,尚有待实践的检验。412设备平庄元宝山露天矿采用3 600m3?h轮斗、114m胶 带 和5000m3?h轮 斗、114118m胶 带 和6000m3?h排土机。这两套连续工艺设备属中型,全部从国外引进,比

18、较昂贵。元宝山1994年底调概数为:轮斗1103亿元?台,排土机5 300万元?台。黑岱沟4台轮斗与2台排土机合计约8 700万美元,折合人民币713亿元。胜利一号露天矿采用5 000m3?h轮斗、118m胶带和5 500m3?h排土机,也属中型。按该矿的可研报告,动态总投资2817亿元,折合吨煤286199元?t,其中设备静态投资11167亿元,折合吨煤116175元,占总投资的60118%。从我国的资源条件看,完全适合轮斗胶带工艺的较少,局部适合的有几座。因此,轮斗电铲的国产化可以适当推迟,但胶带和排土机因适于半连续工艺,应大力提高能力与质量。至于跨坑排土机(CPS),应用范围更小,国内研

19、制近期尚无必要。5半连续开采工艺511特点半连续开采工艺有多种组合形式,我国应用较多的是单斗破碎胶带排土机(或受煤仓),而且首先在采煤系统中应用。如安太堡、霍林河南、伊敏一号、黑岱沟和元宝山都采用了单斗汽车配合坑边破碎和胶带运煤,剥离半连续系统仅在元宝山下部剥离台阶应用。由于这种半连续系统显著缩短了汽车运距,降低了运输成本,引起了人们的重视。但目前生产效率偏低,亟待提高。另一种是连续采煤机汽车转载机胶带系统,拟在霍林河南应用。连续采煤机是集穿煤、采装和破碎于一身的开采设备,它既适于选采以提高煤质,又可省去破碎环节,简化工艺系统,有良好的发展前景。半连续工艺的主要特点是间断与连续组合,以发挥各自

20、的优势,因此,二者的配合与衔接至关重要。512设备破碎机。这是半连续工艺的中心环节,目前基本依靠从国外引进,国产品限于2 000t?h以下的小型破碎机,质量尚不过关,即使国外设备,生产中也时有故障。要逐步扩大半连续工艺的应用范围,应大力加强破碎机的研制和提高。胶带机。国产设备只限于短的中小型胶带,长的大型胶带尚依赖进口。受管理水平的限制,胶带机故障较多,防冻防粘问题尚未解决,以致普遍达不到设31露天煤矿开采工艺与设备国产化计能力,运输成本偏高。要克服目前的重设计计算轻制造工艺和生产管理的倾向,推动半连续和连续工艺的发展。连续采煤机。这是有发展前途的选采设备,对提高煤质有重要作用,尤其是省去破碎

21、 环节,有利于简化工艺系统。我国应积极引进吸收和研制。6吊斗倒堆工艺611特点吊斗倒堆工艺是一种集采装、运输、翻卸于一体的剥离费用最低的开采工艺。这种工艺已有70余年历史,国外半个世纪前即已广泛应用,它所具有的能耗低、故障率低、用人少、效率高等特点已为世界所公认。我国迄今还没有应用此工艺的露天煤矿,由于煤层较厚、剥离层也厚,采用倒堆受到设备线性尺寸和运煤通路的限制;更主要的原因还是对倒堆工艺不熟悉,设备又全靠进口。前苏联应用倒堆工艺已日趋广泛,适用的煤层倾角已扩展到12,倒堆厚度已增大到100m以上,倒堆次数一般为35次,个别达7次以上,但相应的倒堆系数(总倒堆次数的相应倒堆累计与初始倒堆量之

22、比)一般不超过3。在库兹巴斯矿区,倒堆系系数为3时,其成本相当于单斗汽车工艺(运距215km)的75%,相当于单斗铁道工艺(运距大于10km)的60%。吊斗倒堆工艺的低成本已引起了我国露天界的重视。在东胜武家塔240万t?a可研、胜利一号1000万t?a投标中,均提出了吊斗倒堆工艺与其他工艺的综合工艺。612设备我国从未生产过吊斗铲,因此,上述几座首批使用吊斗倒堆工艺的露天煤矿,其设备只能进口。前苏联乌拉尔重机厂和克拉玛多尔工厂已能生产斗容15100m3,臂长85130m的吊斗铲。用于倒堆的 -35?65型单斗电铲也已完型。美国是应用吊斗铲最多的国家,吊斗铲规格已发展到斗容近170m3,臂长约

23、110m。我国的太原重型机械厂等厂家曾生产过20台4m3?40m吊斗铲供水利工程用,现已看好吊斗铲的前景,正着手与国外合作制造的工作。7前景与方向我国的露天煤田主要分布在内蒙、山西、陕西、新疆、云南等边远省区,这些地区工业基础差、人烟稀少,煤层多属近水平赋存。从可持续发展的方针来看,应大力提高煤质,发展选采,并应努力保护环境,改善边远地区的脆弱生态系统。因此,我国的露天开采工艺必须适应资源条件和环境要求,避免单一化,以发展综合工艺为主,即矿山条件适合什么工艺就用什么工艺。总的说来,应以应用范围最广的单斗倒堆和少量连续工艺为宜。单斗铁道工艺效率低、用人多、运量小、占地多,特别不适于边远地区。作为

24、一个产煤大国,露天开采设备原则上应该实现国产化,但从我国的机械制造水平来看,短时期内达不到全面国产化的要求。因此,从国情出发,应慎重确定露天开采设备的研制方针。具体建议如下:(1)从工艺类型看,应分轻重缓急,首先应大力研制应用最广的单斗汽车工艺设备,包括2532m3斗容的单斗电铲和154218t载重的自卸汽车。其次,应着重研制适应选采要求的连续采煤机和半连续工艺中的破碎机。第三,应着力提高钢芯胶带的质量和档次,增加胶带运行的可靠性,尤其是要解决防冻和防粘问题。至于连续工艺的轮斗和倒堆工艺的吊斗,因应用范围小,使用数量少,近期不妨仍以引进为主。应该指出,有些应用很广的辅助设备,如310马力以上的推土机,不仅可用于露天煤矿,也可用于大型土石方工程,也应积极研制。(2)从设备型号看,应从小到大,逐步发展,想一蹴而就,反而欲速不达。(3)对于技术复杂的设备,不妨从零部件起步,一方面可以改善维修所需零部件的供应,另一方面也有利于逐步掌握先进技术。(4)急需制订国产化的鼓励政策。当前,机械制造厂家忙于适应市场,不愿承担研制新设备的风险,而作为设备用户的矿山总是抱怨国产设备质次价高,有的宁愿从国外引进。这种现状对发展国产设备极为不利。国外近年兴起的由中间商承包设备使用的形式,可以解除制造厂家和设备用户双方的后顾之忧,我国也可以借鉴。41中国煤炭第24卷第12期1998年12月