单斗破碎机站带式输送机工艺选型配套.docx
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单斗破碎机站带式输送机工艺选型配套
单斗—破碎机(站)—带式输送机工艺选型配套
露天矿开采工艺系统的选择决定了其经济性。
“单斗挖掘机—卡车”典型间断工艺中的卡车虽具有机动灵活和强适应性特点,但其自重大、能耗高、轮胎消耗量大,维护费用高,单位运输成本大;“轮斗—带式输送机”(下节分析)连续工艺中的带式输送机,输送能力大、单位运输成本低、可靠性高。
但系统投资大,灵活机动性差。
“单斗—破碎站—带式输送机”半连续工艺兼顾了单斗和带式输送机的优点,通过破碎站将单斗和输送机联系起来,在国内外得到迅速发展。
1.1.1.1破碎站选择影响因素
影响破碎站选择的因素很多,包括技术、经济、社会等众多方面,研究根据半连续工艺应用需要,对影响露天矿破碎站选择的因素进行全面分析。
(1)生产系统要求
露天矿半连续工艺系统对破碎站选择的影响主要表现为如下几个方面。
①生产能力要求。
首先,破碎站的生产能力应满足露天矿生产系统要求;其次,破碎站的通过能力应与后续带式输送机运输系统能力匹配,即破碎站的理论能力应等于或略小于输送机的理论能力;最后,破碎站受料仓容积应与运输卡车能力匹配,满足物料缓冲要求。
②排料粒度。
带式输送机对所运输物料的粒度有严格的要求,破碎机的排料粒度应小于输送机带宽的1/4。
③入料粒度。
破碎站的最大入料粒度和破碎比应满足大块物料破碎要求,其中大块的最长边尺寸主要依据挖掘机的铲斗容积和卡车车厢容积确定,可按下式计算:
式中:
b—入料的最大长边尺寸,m;
E—挖掘机铲斗容积,m3;
V—车厢容积,m3。
④移设灵活性。
露天矿采用半连续工艺的主要目的是缩短卡车运距,降低运输成本,而破碎站移设的灵活性是决定半连续工艺卡车运距的重要因素。
(2)物料条件
①物料硬度。
不同原理的破碎机及破碎机构材质可以适应的待破碎物料硬度不同,因此物料硬度是影响破碎设备选择的最主要因素之一。
②物料含水率。
这一因素长期以来为人们所忽略,其主要原因是已有半连续工艺系统多设计为采矿系统,而矿石的含水率一般较低;随着剥离半连续工艺的推广应用和高含水率褐煤资源的开发,含水率也逐渐成为破碎设备选择的一个影响因素。
因为锤式破碎机等一些类型的破碎机不能适应高含水率物料的破碎要求。
③物料粘性。
随着露天采矿成本的提高,粘土、粘土岩、泥岩等具有一定粘性的物料也逐渐成为矿山半连续工艺开采的对象,而传统按脆性物料破碎要求设计的破碎机将难以满足该类物料的破碎要求。
④物料的均一性。
破碎机是按照主要待破碎物料设计的,但由于地质条件限制,待破碎物料中不可避免的含有一定量的岩性迥异的物料,如煤层中的夹矸等,这就要求所选择的破碎设备必须能够适应一定的物料条件变化。
(3)设备条件
①可靠性。
一方面,指破碎设备对物料条件的适应性;另一方面,指设备的维修和保障水平,尤其是对于进口设备而言,其国内备件库的位置会对设备维修时间造成重要影响。
②制造水平。
在进行破碎设备选择时应考虑国内装备制造水平的限制,现阶段生产能力大于2000t/h的破碎机仍主要依赖进口。
③投资。
在满足生产要求的前提下,应尽量选择投资低的设备。
④生产成本。
由于破碎原理不同,破碎机的单位能耗和材料消耗等生产成本也不尽相同。
(4)社会因素
①操作人员水平。
在引进新的工艺设备时,应考虑操作人员水平对其效率发挥的影响。
②安全因素。
应尽量选择对于操作人员和上下游生产环节相对安全的设备。
③社会认同度。
包括生产企业和设计研究单位对产品的认知度,已使用单位对产品的满意度等。
1.1.1.2破碎机要求
移动式破碎站一般布置于露天矿采场内的端帮或工作帮,随采剥工程的推进而逐步移设,因此移动式破碎站配套使用的破碎机除满足物料硬度、生产能力等常规要求外,还应具备如下特点。
(1)破碎原理合理。
破碎过程中的内在不平衡应力较小,以避免对大规模地基的需要。
(2)高可靠性。
破碎机必须适应复杂的露天矿物料条件和恶劣的工作环境,保证半连续工艺系统生产稳定。
(3)维修方便。
破碎机应能够适应露天矿生产现场简单的维修条件。
(4)对地比压小。
为避免设置庞大的破碎站基础,适应松软的露天矿工作面环境,提高破碎站布置的灵活性,应保证破碎站的对地比压较小。
一方面,应采用工作质量较小的破碎机;另一方面,在保证移设方便的前提下,应尽量增大破碎站的接地面积。
(5)结构布局合理。
应尽量降低破碎站受料仓的高度,以缩短卡车转运距离,这方面水平给料破碎机较垂直给料破碎机具有明显优势。
如图2.13所示。
图2.1破碎站结构对比
(6)破碎后粒度满足后续工艺要求。
1.1.1.3破碎原理
破碎机的工作原理和应用范围见表2.19。
表2.1破碎机对比分析
1.1.1.4破碎机选择
由于锤式、反击式、旋回式和颚式破碎机主要通过撞击或挤压破碎物料,破碎湿粘物料时只能使其变形或粘结在破碎腔壁上,无法达到破碎物料的目的。
以下对露天煤矿普遍使用的双齿辊式破碎机、喂给式破碎机和轮式软岩破碎机进行详细分析。
(1)双齿辊式破碎机
双齿辊式破碎机通过剪切、弯曲、挤压综合作用破碎物料,原理合理;而且可通过长辊齿交叉布置起到相互梳理的作用,因此可破碎粘性物料。
但该破碎机为垂直给料,物料受到破碎辊的阻挡而出现缓存现象,通过性差。
对于粘性大的物料,易造成物料对侧壁的粘结及拥堵,使破碎机空转;另一方面,由于破碎辊对物料的挤压、物料的堆积等作用,在破碎腔、破碎辊等部位容易形成粘结,造成料仓容积不足或堵死等,影响生产能力发挥。
(2)喂给式破碎机
喂给式破碎机是近年来应用较广泛的一种破碎机,由于结构紧凑,适用于煤矿移动式和半固定式破碎站,但对物料的适应性不如双齿辊式。
与锤式破碎机相比,喂给式破碎机的入料粒度较大,速度低,物料的过粉碎少、粉尘小、耗电量低;一般为水平给料,破碎机的高度较小,物料的转运高度和破碎站卸车平台的构筑工程量均较小。
传统的喂给式破碎机靠剪切力和撞击力破碎物料,因此仅适用于破碎中硬以下的脆性物料。
图2.2锤式滚轴破碎机工作原理图
(3)轮式软岩破碎机
轮式软岩破碎机靠剪切力、拉力和撞击力破碎物料,其工作原理如图2.15所示。
图2.3轮式软岩破碎机工作原理
该机的主要特点是破碎轮布置在板式给料机的上部,物料的破碎过程不在破碎腔内进行,破碎轮对物料不存在挤压作用,因此不存在堵料、棚料和物料粘结等问题;而且破碎机的结构简单,高度和整机重量较小,能耗低。
轮式软岩破碎机破碎物料的作用机理随切削轮安装高度的不同而不同。
切削轮安装高度低,则“切”的功能强,可以有效破碎硬度较大的物料;安装高度大时,切削轮“扒”的功能强,主要起到均匀物料流的作用,适用于破碎硬度较小的物料。
首台轮式软岩破碎机在元宝山露天煤矿得到应用。
试验机整机重量54.7t,总装机功率98kW,料仓距地面高度4.3m,实测生产能力达480m3/h(864t/h)。
由以上破碎机原理分析可知,可行的露天矿湿粘物料破碎机类型为锤式滚轴破碎机和轮式软岩破碎机。
对于具体矿山而言,其破碎设备选择可根据前述综合评价模型确定。
1.1.1.5破碎站布置方式
破碎站布置方式包括破碎站坐落位置、站场尺寸、卡车调车方式以及卡车向破碎系统转载形式等。
破碎站位置选择及其布置方式与破碎系统的形式、矿床埋藏条件、开采程序、开拓系统一级矿岩性质有关。
(1)固定式破碎站
固定式破碎站服务于矿山整个服务时间。
对于采用半连续工艺系统的新建矿山,固定式破碎站的位置视具体条件常选择地表采场附近或距采场一定距离的地方。
其他技术决策,如站场尺寸及调车方式的确定较易,而对于拟采用半连续工艺系统的改扩建矿山,则视矿床埋藏条件的不同,固定式破碎站可设于不同的地点。
当开采近水平矿床时,多数情况下可实现剥离物的内排,故固定式破碎站一般设于地表尽量靠近采场的地段,站场尺寸的选择同样有较大的余地。
当开采倾斜特别是急倾斜矿床时,内排可能性不大,固定式破碎站可设于地表。
当条件允许时,为减少卡车运距,也可设于采场固定帮的某一水平上。
此时,破碎站设置一定尺寸站场的代价是,破碎站所在水平以上附加剥离量的采出或固定帮下部分矿石量被压而无法采出,不同方案的优劣要通过技术经济对比来决定。
(2)半固定破碎系统
对于服务时间较长的半固定式破碎系统,系统初始建立及定期移设时,破碎站位置的选择原则与采用固定破碎系统是类似,不同的只是这种选择不是一次。
对于以上两种破碎站布置方式,一般情况下,碎矿山工程的发展和卡车运距逐渐增加,半连续工艺系统的优势将逐渐降低。
对于倾斜矿床,如果矿山工程地质及水文地质条件允许,可以采用溜井—平硐(斜井)系统,在采场下部某一水平设置固定或半固定式破碎硐室,作为溜井和凭硐内带式运输机的中间环节。
此时破碎站的站场(受料场)实际已移至溜井口附近地段。
这样,随着矿山工程的延伸,卡车运距的增减幅度不大,开采效益较佳。
不过,由于具体矿山条件的不同,并不是所有类似矿山都能采用这种破碎系统。
(3)移动式破碎站系统
对于移动式破碎站系统,其破碎站的“轮廓”并不十分明显。
破碎站系统直接设于采掘工作面上,碎采掘工作面的推进而移动。
取消了卡车运输环节,采装设备直接将物料卸入破碎站。
因此,破碎站的站场尺寸此时取决于采装设备及其在工作面的工作方式。
采装设备与破碎站系统直接联系,使得半连续工艺系统的可靠性下降,破碎系统一旦发生故障,破碎站场无法起到“缓冲仓”的作用,采装设备势必要停产一段时间,直到破碎系统重新正常运转。
另外,碎破碎系统的移动,有时需要接长或缩短端帮或工作面带式输送机。
矿石开采采用半连续工艺系统时,其系统布置主要是运矿带式运输机的设置位置,可选范围较大:
(1)带式运输机设于某一边帮上或边帮下平硐(斜井)内,相应地破碎站设于此边帮的某一水平或矿场坑底。
(2)带式运输机设于底板下运矿坑内,通过溜井与采场连接,视溜井位置不同,破碎站可设置于某一边帮的某一水平或采场坑底。
(3)带式运输机设于排土场下掩埋巷道内,破碎站设于矿场坑底。
可以看出,在以上三种情况,破碎站的可能布置方式有两种:
布置与边帮上和采场坑底。
由于采场非工作帮平盘尺寸过小,不足以设置半固定式破碎站,因此破碎站设于边帮一般是指设于工作帮或端帮的某个采矿水平上。
在这种布置方式下,卡车矿石运距较小,可以利用采矿台阶作为卸载平台,稳定性较好,但被破碎站压住的矿体只能在将其移设后才能采出;并且在破碎站移设前,需加速新破碎站地段矿石的开采,使得采矿台阶的推进度难以保持一致。
在采场坑底设置半固定式破碎站,可以利用最下部采矿台阶作卸载平台,破碎站可以设于工作帮或端帮底部,此时,卡车矿石运距略大,其他特点与在边帮上布置破碎站时类似。
另一种情况是半固定式破碎站设于坑底某一空地上,此时,需专门构筑卸载平台,平台尺寸的选择余地较大,而且不存在压矿以致影响采矿工程推进的问题,但会出现另一问题,即随排土工作帮的推进,平台附近的区段无法进行内排,一直到新的破碎站建成运行。
特别需要指出的是,当矿山条件允许时,如内排剥离物透水性较好,有现成矿石运输通路等,除上述两种方案外,半固定式破碎站还可布置于内排土场上的某一水平上,并随排土工作帮的推进进行移设。
此方式的突出优点在于,不存在压矿问题,排土工作帮上任一水平都能为破碎站的布置提供足够的平面空间,不仅为选择最优调车方式,而且为必要时在破碎站设矿石缓冲堆提供了条件。
这一突出优点在一定条件下可以弥补由于卡车矿石运距增加而导致的开采费用提高。
近年来逐渐得以广泛应用的受料仓下卧的埋头式可移破碎站,使得破碎站受料口和卡车卸载点几乎可以处于同一水平,因此可以大幅度减少半固定式破碎站设于边帮时预设和保留卸载平台以及破碎站设于坑底或内排土场时构筑卸载平台所需进行的附加工程量和对矿山工程的影响。
分析表明,采矿半连续工艺系统布置对剥离工艺系统的影响程度和带式输送机的位运输费用是决定破碎站合理布置深度的主要因素。
1.1.1.6卡车配套
⏹半连续工艺配套卡车特点
合理的车铲选型和铲车数量匹配是露天矿采用单斗—卡车间断工艺需要研究的主要问题,其中采装电铲铲斗容积和卡车车厢容积(载重量)的匹配,即勺容比是影响设备选型的关键。
因此,国内外关于车铲匹配优化与露天矿卡车选型的研究众多。
但与单斗—卡车间断工艺不同,他移式破碎站半连续工艺下卡车运输具有如下特点:
1卡车运距短,平均运距一般可控制在1km左右,因此合理的勺容比较小;
2卡车选型不仅影响挖掘机效率,而且影响破碎站生产成本,主要体现在如下两个方面:
一是挖掘机效率随车型增大而提高,二是破碎站生产费用随车型增大而增加;
3掘机采装工作面位置对卡车运距影响大(工作面卡车运距变化范围从数十米到数千米),因此匹配车队规模必须及时调整。
⏹影响因素
(1)卡车运行周期
对于特定车铲匹配而言,其勺容比为:
式中n—勺容比;
V—卡车车厢容积,m3;
E—挖掘机铲斗容积,m3;
km—挖掘机装载的满斗系数;
γ—物料容重;
Ge—卡车额定载重,t。
根据露天矿卡车运输特点,研究将卡车作业循环时间分为如下六部分:
txh=tzy+tdx+txz+tky+tdz+tzz
其中:
式中:
txh—卡车运输的循环时间,min;
tzy—卡车重载运输时间,min;
tdx—卡车待卸时间,min;
txz—卡车卸载时间,min;
tky—卡车的空车运输时间,min;
tdz—卡车待装时间,min;
tzz—卡车装载时间(计算中指挖掘机实际装载时间与卡车入换时间之和),min;
tz—挖掘机装载一斗的时间,s;
th—卡车在采装工作面的入换时间,s。
(2)车铲匹配
参照单斗—卡车间断工艺经验,露天矿采用大型电铲时合理勺容比为3~5;进一步考虑到卡车运距较短,合理勺容比较小的特点,确定勺容比上限为5;为防止电铲装车时造成卡车冲击破坏,根据露天矿单斗—卡车间断工艺经验,确定勺容比下限为2。
即:
n∈[2,5]
(3)破碎站影响
另一方面,为适应挖掘机采装位置变化对卡车运距的影响,便于半连续工艺服务范围内车队规模灵活调整,半连续工艺至少应服务两台挖掘机作业(可通过挖掘机的灵活布置使总车队规模基本保持不变)。
设半连续工艺系统服务的挖掘机数量为mw(mw≥2),则根据系统生产能力开放性原则:
式中:
q*—破碎站生产能力,m3/h;
mw—半连续工艺系统服务的挖掘机数量。
对于特定车型而言,对破碎站的给料能力可根据下式计算:
式中:
Qg—给料模块生产能力,m3/h(实方);
Vc—卡车装载量,m3/车(松方);
m—可供同时卸载的卸车台位;
ω—不同卸车台位的同时作业率;
txz—卡车占用卸车台位的时间,包括调车时间和卸载时间,s;
ks—待破碎物料在卡车车厢内的松散系数。
其中,
Vc=n·E·km
因此卡车额定载重应满足:
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