露天采礦機復合切割軌跡對比研究*

孫 寬 李 鑫 韓 流 周 偉 鄧有燃

（中煤平朔集團有限公司安家嶺露天礦）

·機電與自動化·

露天采礦機復合切割軌跡對比研究*

孫 寬 李 鑫 韓 流 周 偉 鄧有燃

（中煤平朔集團有限公司安家嶺露天礦）

為了研究露天采礦機的實際切割軌跡，總結了露天采礦機的基本作業方式，分析了切割軌跡的影響因素，綜合x、y方向的分速度進行積分得到了順時針和逆時針2種切割方式的軌跡計算模型，確立了切割軌跡長度L與水平方向速度v、開采深度h、滾筒半徑R、轉速ω之間的函數關系，并對T1255露天采礦機進行研究，得到了2種切割軌跡的長度、差值與h、R及ω的關系。研究結果表明：順時針比逆時針切割軌跡長，單位切割次數功耗最大相差達到6.83 kN·m；固定轉速時，2種切割軌跡隨h增加而增加，變動轉速時，順時針切割軌跡隨采深增加先增大后減小，在h＝0.5 m時達到最大，逆時針切割軌跡隨著采深變化持續增加，在最大采深處達到最大。

露天采礦機 切割軌跡 切割方式 選采深度

隨著技術和裝備的不斷發展和完善，露天開采在世界各地不同類型礦山上的應用越來越廣泛［1］。我國中西部地區埋藏著豐富的礦產資源，而且多數礦產埋藏較淺、礦體較厚且賦存條件良好，非常適合采用露天開采。經過近幾十年的發展，露天礦的生產規模發展了巨大的變化，從早期年產幾百萬t到現在年產2 000～3 000萬t［2］，如此驚人的產量邁進都歸功于科技的進步和機械設備的不斷發展。先進的開采工藝和管理系統可以讓礦山生產作業更加高效連續，大型、特大型設備的應用［3］讓露天礦的生產能力不斷提升，這些是保障露天礦生產規模不斷增加的基礎動力。

1 露天采礦機應用現狀

露天開采除了生產高效化、設備大型化等特點之外，還具備細節處理準確化等優勢。對于層數較多，賦存較薄的煤層群［4］，無法采用主流的開采工藝進行高效開采，更無法保證煤炭資源的回收率而且極易造成采出煤炭的混矸。對于薄煤層的開采，現在多采用露天采礦機，這是從道路機械和井下綜采機組移植開發的一種新型露天采礦設備。根據作業方式及原理的不同，露天采礦機可以分為很多種類。按照滾筒旋轉方向的不同可以分為逆時針切割作業和順時針切割作業；按照滾筒在機體上的位置不同可以分為前置式、中置式和后置式［5］；按機體結構可分為有膠帶和無膠帶2種。自1981年在一些國家露天礦開始使用以來，在開采薄礦層及復合層狀礦床的選采方面日益顯示其優越性［6］。為了進一步剖析露天采礦機的作業原理并為其選采效果的理論分析奠定基礎，有必要對露天采礦機的切割軌跡進行綜合分析，建立露天采礦機在正常開采走形時，滾筒上切齒的運行軌跡。該研究對于露天采礦機的切割阻力、選采效率以及選采塊度的分析有積極效果。

2 切割軌跡的影響因素

露天采礦機在進行開采作業時，依靠滾筒快速轉動帶動其上安裝的切齒將完整的煤層刨碎，然后將煤塊推集到后方。對于帶有膠帶的露天采礦機，采出的煤炭資源直接被推集到膠帶上，通過膠帶的運轉實現煤炭的轉移和裝車［7］；對于無膠帶的采礦機，采出的煤炭直接松散的堆放在已采條區中。除了滾筒的轉動，還有機體向前運動，這種復合形式的運動實現了對于煤層的有效開采［8］。因此，影響采礦機切割軌跡的兩個主要因素是機體走行和滾筒轉動。

（1）機體走行。露天采礦機為了實現開采作業的有效推進，要保持采礦機以一定的速度向前運行。當采礦機達到最佳切割深度且運行穩定時，整機功率的分配達到最佳狀態，即滾筒部分的功率與機體走行部分的功率達到了最佳匹配效果。滾筒以固定的轉速ω連續切割煤層，采礦機以某一速度v勻速向前行駛。此時，機體走形對于滾筒切齒的切割軌跡產生沿走行方向的影響，在時間t內的積累最終變為vt的位移量。

（2）滾筒轉動。采礦機是通過其切削轉子，高度選擇性的開采有用礦藏。對于滾筒式的露天采礦機，滾筒轉動是采礦機切割軌跡的主要組成部分，當采礦機沿著煤矸分界線開采時，切削轉子沿此分界線不斷切削，形成連續的切割弧線［9］，由于滾筒自身做圓周運動切割軌跡的方向時刻發生變化，與機體走行產生的軌跡相疊加形成一個復雜的復合曲線。研究采礦機復合切割軌跡將會對采礦機的高效使用形成科學的指導，并準確地確定切割中線的位置，降低選采時的混矸率［10］。

3 不同切割方式采礦機的切割軌跡分析

露天采礦機的切割軌跡是水平方向的速度v和滾筒的圓周軌跡疊加形成的復合曲線，將2個速度累加在一起，并對時間積分，便可得到該采礦機的真實切割軌跡。下面結合不同滾筒旋轉方向的采礦機來進行分別的研究。

3.1 順時針切割

由于滾筒旋轉方式有順時針與逆時針之分，不同的旋轉切割效果不同。對于滾筒順時針旋轉的露天采礦機，則切齒從最低點切割到煤層頂面所需的時間t為

式中，R為滾筒半徑，cm；h為切割深度，m；ω為滾筒切割轉速，rad／s。

滾筒順時針旋轉的切割軌跡（見圖1）為一條不規則的緩和曲線，該曲線的長度是滾筒旋轉和機體勻速向前運行共同作用的結果。

圖1 順時針切齒切割軌跡

則疊加的速度為

曲線AB范圍內的任意一點的速度可以分解為

對于該曲線的長度，可以由積分的方式求得

積分后得到

則切齒從滾筒最低點A運轉到煤層頂面B點這段時間內，所有切齒切割煤層的總距離為

3.2 逆時針切割

滾筒按照逆時針方向旋轉切割煤層的露天采礦機，滾筒的切割軌跡（見圖2）為一條壓縮的緩和曲線。對該方式的速度進行分解，得到瞬時分速度為

圖2 逆時針切齒切割軌跡

逆時針旋轉滾筒的疊加速度為

其長度仍通過積分的方式求得：

切齒從滾筒煤層頂面A運轉到最低點B點這段時間內，所有切齒切割煤層的總距離為

對于2種不同切割方向的露天采礦機，其真實的切割軌跡也存在一定的區別，從切割總距離來看，逆時針切割方式的切割距離更短，對應的體切割阻力也會較小，能耗相對較低；當滾筒的轉速相同時，順時針切割方式的開采效率更高，生產能力更大［11］。

4 實例驗證

4.1 切割軌跡對比

為了測試露天采礦機的實際開采軌跡和效果，選定了Vermeer公司的T1255露天采礦機進行測試，該設備的具體參數如表1所示。

表1 T1255型露天采礦機參數

根據表1中的數據結合式（6）和式（11）計算T1255采礦機順時針和逆時針切割時的理論切割軌跡長度。得到二者隨切割深度變化的曲線見圖3。

圖3 2種切割方式不同深度時的軌跡長度

從圖3中可以看出，隨著切割深度h的不斷增加，滾筒切割軌跡長度也不斷增加，二者存在明顯的正相關性；正常選采作業時（h≠0），順時針切割方式比逆時針的切割軌跡長度要大，h從0～0.4 m，二者切割軌跡的差值逐漸增大，h從0.4～0.7 m，差值又逐漸減小。

為了研究2種不同切割方式的切割軌跡差異，計算不同滾筒半徑R時2種切割軌跡的數值，見圖4。

圖4 不同半徑下2種切割軌跡差值曲線1—R＝0.7 m；2—R＝0.8 m；3—R＝0.9 m；4—R＝1.0 m；5—R＝1.1 m；6—R＝1.2 m

統計發現，在不同的滾筒半徑下，順時針和逆時針2種切割方式的最大差值出現在滾筒半徑一半以上的位置，即h＞R／2，對每個滾筒半徑級別下，兩種切割軌跡的最大差值LΔ及切割深度h進行回歸分析，見圖5，得到滾筒半徑R與最大差值LΔ的函數關系為

滾筒半徑R與出現最大差值LΔ時的切割深度h之間的函數關系為

圖5 滾筒半徑R與最大差值LΔ和切割深度h的關系曲線

4.2 切割功耗對比

均勻煤層可看作各向同性的均質軟巖，采礦機在煤層中進行切割時，在任意方向上的阻力f均相同，不同的切割軌跡長度，必然會造成能耗的不同，基于以上對于順時針和逆時針2種切割方式切割軌跡的對比研究，下面對于2種方式作業時的能耗進行比較，以從能量的角度進一步衡量二者的優劣性。根據做功的基本計算原理，開采過程中的功耗核算為f·L，其中L為滾筒的切割軌跡長度。褐煤的線切割阻力為51 kN／m［12］，對于T1255，在不同的切割深度下，順、逆時針2種切割方式進行選采作業，所做有效功的差異見表2。

表2 不同切割深度下2種切割方式的功耗

從表2中可以看出，在切割深度h為0.4 m時，單位切割次數時，順時針切割方式比逆時針切割方式增加能耗為6.83 kN·m，由此可見，切割軌跡延長會引發整體切割能耗的加大。

4.3 轉速與切割軌跡的關系

T1255露天采礦機和其他采礦設備類似，驅動電機轉速都存在一個波動范圍，在現場應用時，當設備空轉時，可以達到最大轉速50 r／min，當設備按照最大采深作業時，則降低至最小轉速25 r／min。當采礦機按照某一轉速ω切割煤層時，對應2種不同切割方式的軌跡的變化曲線見圖6。

圖6 固定轉速下切割軌跡和切割深度的關系曲線

從圖6可以看出，在某一固定轉速ω下，順時針和逆時針2種切割方式的切割軌跡長度隨著切割深度的增大而不斷增大；順時針切割軌跡的增長速率隨切割深度h的變化表現的較為平緩、均勻，逆時針切割軌跡增長速率隨著h的增大而不斷提高；2種切割方式的最大差值LΔ仍然出現在h＝R／2附近。

露天采礦機固定轉速ω進行選采作業時，必然會造成一定程度的能力浪費，因為不同的選采深度對應著不同的切割轉速ω，當選采深度小于與ω對應的切割深度時，采礦機的能力便無法得到充分的發揮。因此，在保持采礦機以額定功率運轉時，該設備的轉速ω隨開采深度h呈線性變化，即按照這一公式修正2種切割方式時的轉速參數，計算得到修正后順時針、逆時針2種切割軌跡的修正曲線，見圖7。

圖7 修正轉速下的切割軌跡曲線

通過對轉速ω進行修正，計算得到順時針、逆時針2種切割方式的軌跡曲線與固定轉速時（圖3）的曲線存在明顯的區別：

（1）隨著切割深度h的不斷增加，切割軌跡逐漸增長，并在0～0.2 m之間呈現加速增長趨勢，在0.2～0.6 m之間呈現減速增長的趨勢。

（2）順時針切割方式，切割軌跡長度與h存在密切關系，從0～0.5 m，切割軌跡長度不斷增加，在h＝0.5 m時達到最大值，從0.5 m至最大采深，切割軌跡長度出現下降趨勢，在最大采深時，切割軌跡長度為0.803 m。

（3）逆時針切割方式，在整個采深h的變化范圍內，逆時針切割軌跡長度不斷增加，并在最大切割深度時達到最大值，為0.743 m。

（4）將T1255應用于神華集團哈爾烏素露天煤礦，該礦包含多個可采煤層，其中5＃煤層平均厚度為1.9 m，屬局部可采煤層，適合于使用露天采礦機進行開采。通過在該礦對T1255進行切割軌跡測試，采深0.5 m時，測量得到現場的切割軌跡線長度為0.693 m，與理論計算得到的0.700 m非常接近。

5 結 論

（1）通過總結露天采礦機的作業方式，分析露天采礦機的作業原理及過程，分別建立了順時針和逆時針2種切割方式時的分解速度表達式，并積分得到了2種切割方式對應的軌跡長度計算模型，確立了L與v、h、R、ω之間的函數關系。

（2）根據計算公式，選定T1255露天采礦機，計算并對比2種作業方式的切割軌跡，在固定轉速ω下，2種切割軌跡隨h增加而增加，且順時針比逆時針切割軌跡長，二者的差值在h＝R／2附近達到最大。

（3）采礦機切割過程中，功耗隨著切割軌跡增加呈線性增加，2種方式在軌跡最大差值時，單位切割次數功耗相差最大，達到6.83 kN·m。

（4）根據T1255采礦機作業過程中轉速的變化規律，按照切割深度h與轉速ω的函數關系，對切割軌跡中的轉速ω進行修正，得到了修正后的切割軌跡曲線，順時針切割軌跡隨采深增加先增大后減小，在h＝0.5 m時達到最大，逆時針切割軌跡隨著采深變化持續增加，在最大采深處達到最大。

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Comparative Research on Com posite Cutting Trajectory of Surface M iners

Sun Kuan Li Xin Han Liu Zhou Wei Deng Youran
（Anjialing Surface Mine，China Coal Pingshuo Group Co.，Ltd.）

In order to study the actual cutting trajectory of surfaceminer，the basic operating type of surfaceminerwas summarized，and the influence factors of the cutting trajectory were analyzed.By integrating the component of velocity on x and y direction，the trajectory calculationmodelwas obtained in both clockwise and counterclockwise cuttingmode，and the functional relationship between the cutting trajectory length L and horizontal velocity v，mining depth h，roll radius R and rotational speedωwas established.By studying the surferminer of T1255，the relationship between length and difference of the two kinds of cutting trajectory and h，R andω.The results show that the cutting trajectory of clockwise type is longer than counterclockwise，and the largest difference of power consumption is 6.83 kN·m.The two kinds of cutting trajectory increase with h increasing when rotational speed is fixed.While rotational speed is variable，cutting trajectory of clockwise increases firstly with themining depth increasing，and reachesmaximum when h＝0.5 m，then decreases with themining depth increase.The counterclockwise cutting trajectory changes along with the mining depth increasing，and reaches the maximum at the largestmining depth.

Surfaceminer，Cutting trajectory，Cutting ways，Selected mining depth

2013-08-05）

*國家高技術研究發展計劃（863計劃）項目（編號：2012AA062004），國家自然科學基金重點項目（編號：51034005），高等學校博士學科點專項科研基金項目（編號：20100095110019）。

孫 寬（1968—），男，副礦長，高級工程師，036800山西省朔州市。