露天矿山联合排土应用研究

贺茂坤, 张 伟, 徐利辉

(1.中国恩菲工程技术有限公司， 北京 100038； 2.江铜集团银山矿业有限责任公司， 江西 上饶 334200)

1 前言

露天矿山是一个以采掘为中心，以运输为纽带的大型生产系统。根据我国冶金露天矿的调查，露天矿山排土运输成本约占矿山总成本的40%，且废石排土场具有占用土地多，体积大，对地表破坏性大的特点[1]。

根据大量的露天矿开拓运输系统的生产运营经验，国外大多数金属露天矿的汽车运输距离为1.0～5.5km，平均为2.5～3.0km，经济合理运距一般为5～7km。超过经济合理运距以后卡车的油耗、磨损、作业循环时间增加，当汽车运输距离增加至到一定程度，采用单一汽车运输方案已不经济，需对运输工艺进行改造，达到降低运输费用的目的。发展胶带—排土机排土工艺，不仅可提高露天矿山的排土效率，节省排土费用，提高矿山的综合经济效益，而且可使露天矿上排土向高空发展，节约矿山排土占地。

2 露天矿排土技术应用及发展

2.1 排土工艺

随着露天矿的不断发展，为了解决不同规模、不同采掘条件下的露天矿山开采及废石排弃问题，矿山技术人员针对不同的排土工况条件、排土工艺将废石运输、排弃方式以及使用设备的不同分为以下3类。

1)汽车运输—推土机排土

利用汽车将废石直接运输到排土场进行排弃，并由推土机推排残留废石及整理排卸平台。具有工艺简单、灵活的优点，一般适用于中小规模，运距不大的露天矿。

2)机车运输—推土犁(挖掘机)排土

利用机车将废石运输到排土场，并利用排土设备进行排弃，一般适用于山坡露天等特殊地形条件的露天矿山。

3)带式输送机运输—排土机排土

利用带式输送机将露天采场内破碎后的废石经露天坑运到排土场进行排弃。带式输送机是一种连续运输物料的传送机械，具有运输量大，运输成本低，自动化程度高，安全条件好等一系列优点。带式输送机属于连续运输设备，通常与排土机配合使用，从而形成高效的带式输送机—排土机排土工艺。

2.2 联合排土工艺应用

汽车和带式输送机、排土机组合成的联合排土工艺，具有运输量大、成本低的优点，也兼具了汽车灵活运输的优点，因此，近年来联合排土工艺得到了快速发展，特别是在大规模、深凹露天矿得到了广泛应用。

某露天矿山二期生产，年最大废石运输量为1 035万t/a,运距3.5～10km,为了研究现行全汽车的运输方式是否合理，将全汽车运输方式和联合运输方式进行了经济比较，比较结果见表1。

表1 排土方案综合经济比较表

根据经济比较结果，全汽车运输方案虽然初期投资较少，但后期汽车更新的费用较高，随着运输距离增加，年运营费用逐年增加，导致单位废石运输成本逐年增加，正常年份年均废石运输成本较高，计算期内费用现值和较高。采用联合运输方案虽然初期投资较高，但单位废石运输成本较低，计算期内费用现值和明显低于全汽车方案。综合其技术经济优势，该矿的排土运输方式推荐采用汽车—带式输送机—排土机联合排土工艺。

2.3 排土技术发展

随着我国矿山事业的发展和采矿技术的进步，露天矿排土技术与排土场的发展趋势表现在以下3个方面。

(1)采用高效率的排土工艺，提高排土强度。

排土运输工艺与采矿场的运输系统密切联系，大型露天矿大多采用大型高效率运输机械，实行科学化管理，排土运输系统向设备大型化和自动化方向发展。这不仅有利于大型露天矿或深凹露天矿，而且有利于高阶段排土场的堆置。

(2)提高排土场单位面积的排土容量，减少排土场占地面积。

根据我国露天矿排土场技术调查资料，一般汽车排土段高一般为40～60m，小的20m左右。较小的排弃段高不经济，也不利于高效利用排土场容量。通过排土场稳定性分析和安全验算，在加强排土场现场管理的基础上，可以适当提高排土段高。

(3)推进矿山排土场复垦，建设绿色矿山。

随着绿色发展理念的深入，排土场的复垦是建设绿色矿山、生态化矿山的基础。

3 联合排土技术

3.1 联合排土研究内容

为了研究排土方案的优劣，对可能的联合排土方案进行技术经济比较研究，排土方案研究主要有以下内容：

(1)根据各台阶废石分布情况采用加权平均法统计各年废石的运输距离、废石直接排到排土场的距离，分析可能的排土方案。

(2)根据排土工作平台研究配套排土方法。

(3)分析各年运输系统的运营费用，包括设备更新、材料消耗、能源消耗等。

(4)确定联合排土运输系统合理投入时间。

(5)各方案技术经济评价，推荐最终排土方案。

3.2 排土工作平台

合理的排土平台规划既要考虑矿山的生产现状，也要满足后续联合排土工艺要求，同时要兼顾节省成本，最大化利用现有条件和后续的联合排土设备。

图1至图3所示为某矿各标高台阶平面图，120m和160m台阶由于标高低，平台面积较小，且受地形影响，平台形状不规整，不利于排土机作业，而220m平台已具备排土机作业的条件。因此，建议120m和160m低标高平台采用汽车运输排土，发挥汽车排土的灵活性，从220m台阶开始采用排土机排土。为了最大化节省运输成本，考虑联合排土项目决策、设计、建设等周期因素，要合理利用衔接时间的汽车排土量，为后期排土机作业创造有利条件，同时尽量减少这段时间的汽车排土成本。从标高来看，在120m和160m标高排土是可以有效减少汽车运输能耗的。

图1 120m标高排土台阶平面图

图2 160m标高排土台阶平面图

图3 220m标高排土台阶平面图

3.3 排土方法

带式输送机—排土机排土作业方式是联合排土工艺研究的重点，工艺方案和设备的选择是否合理，不但决定了排土费用的高低，而且也影响排土效率及生产安全。

根据排土移动带式输送机、排土机在排土场内推进的形式，和最后排土场形成的几何形状，带式输送机—排土机联合排土方法可分为矩形排土方法、扇形排土方法、混合形排土方法(即矩形+扇形、扇形+矩形排土方法)[2]。不同的排土场的地形、地质、排土场结构尺寸对排土工艺方案都会影响最后的排法方法选择。

3.4 排土机的布置原则

排土机在预定的场所将剥离物排放到最终位置，在宽度和高度方面要服从于排土机的几何尺寸，特别是要服从于它的卸料臂长度和排土场的力学条件。沿着排土工作面的运输机纵向排弃长度受到排土场总长度的控制[3]，排土机主要布置原则：

(1)合理选择排土机投入使用的时间，前期汽车排土尽量为排土机创造有利条件，尽量增加排土机排土量，发挥排土机的优势，使效益最大化。

(2)排土机投入使用时间需要考虑项目研究、设计、建设及试运行等时间。

(3)排土机初始平台利用现状排土场已形成的平台，便于排土机布设，减少前期成本，节省工期。

(4)结合排土场整体堆置标高范围，合理规划各阶段排土机排土段高，兼顾安全。

高段排土需要对排土场稳定性进行验算。排土场边坡为土质和岩质散体边坡，验算通常采用国内岩土工程界广泛应用的专业边坡问题分析软件对岩土边坡稳定性进行计算和分析。

3.5 排土机应用及发展

在露天矿连续排土工艺中，一般采用排土机和带式输送机配合使用，排土机生产能力特别大，自动化程度高，作为移动式连续作业的排料设备，把移动带式输送机运输的物料排弃到排土场。排土机的受料臂安装一条受料带式输送机，卸料臂上安装一条卸料带式输送机。目前排土机的排料臂最大长度达190～250m，用于金属矿山时一般不超过100m，最大机重达7 400t，生产能力达22 400t/h[4]。

随着联合排土工艺在露天矿的广泛应用，各类大型化、复杂化、留有远程控制接口的排土机开始应用。通过对行走系统、排料系统等运行状态的远程监控、远程操控，最终实现作业现场的无人化智能管理。

3.6 初始排土路堤

随着排土机的生产能力、行走方式、外形尺寸等方面不断的发展和排土机性能的变化，均对其排土时初始路堤的修筑方法和步骤等都提出了要求。

修筑排土机的初始路堤可以采用汽车修筑，也可以采用联合带式输送机和排土机，推土机等方式修筑，也可以采用这几种工艺联合修筑。采用汽车筑堤，需配置一定数量的汽车，修筑相对灵活，但成本相对较高。汽车筑堤一般在排土机投入使用前使用，或辅助排土机使用，采用带式输送机运输—排土机排土的矿山，在条件允许的情况下，利用带式输送机和排土机修筑路堤，这种施工与生产相统一的方法既可以充分利用排土机，筑堤效率高，也能节省修筑成本。

利用连续排土设备修筑路堤效率高，但是也存在沉降时间不够的问题。考虑到有时不能完全依靠排土机自筑路堤，就需要采用汽车、带式输送机和排土机联合修筑路堤的方式。废石由带式输送机—排土系统从露天坑转运至排土场后，由排土场内汽车完成路堤的修筑。在场地安排上，带式输送机的倾角能够满足车辆行驶要求，汽车爬坡车道与废石运输胶带布置在同一通道，车辆沿此通道爬坡至上层平台修筑路堤，此通道既作为后期皮带及排土机的检修通道，也作为排土机事故检修时汽车排土的备用通道。

3.7 排土场作业方式

根据移动带式输送机和排土机的相对位置，排土机排土的作业方式分为3种。

向上排土方式：排土机位于移动带式输送机的内侧，排土机向上排土。

向下排土方式：排土机位于移动带式输送机的外侧，排土机排料臂朝外侧向下排土。

混合排土方式：排土机位于移动带式输送机机外侧先向下排土，完成向下排土条带排满后，排土机越过移动带式输送机再进行上排作业，待向上排土条带排满后，完成一个作业循环，排土机再越过移动带式输送机，进入下一个排土作业循环。

4 结语

对于深凹露天坑，随着开采水平的降低和排土段高的增加，采用传统的汽车运输时，汽车重载上坡运行，运输效率降低，矿山生产成本增加，本文根据露天矿特点，通过某露天矿排土方案实例进行技术经济比较，建议采用联合排土工艺，提高排土效率，节省排土费用。

围绕联合排土技术，针对排土方法的选择、排土机的作业平台、排土场作业方式以及作业过程的排土机布置、初始路堤修筑等应用进行了相关应用研究，为类似露天矿山排土工艺的设计和运营提供了参考。