露天采礦機(jī)生產(chǎn)能力預(yù)測

陳寶心 何存芳

(武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院)

露天采礦機(jī)生產(chǎn)能力的預(yù)測是露天采礦方法確定、機(jī)械選型、制定生產(chǎn)計(jì)劃及露天采礦機(jī)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析的基礎(chǔ)。影響露天采礦機(jī)生產(chǎn)能力因素很多，進(jìn)行生產(chǎn)能力預(yù)測是復(fù)雜的。國內(nèi)外學(xué)者通過理論及試驗(yàn)研究，建立了許多露天采礦機(jī)的生產(chǎn)能力預(yù)測公式，但各種預(yù)測公式和方法都有一定的局限性，預(yù)測方法和系統(tǒng)還很不完善。本研究從眾多預(yù)測公式中選擇具有代表性的6種公式，結(jié)合具體的7個(gè)實(shí)例對6種預(yù)測公式進(jìn)行比較和分析討論。

1 生產(chǎn)能力預(yù)測公式

為預(yù)測露天采礦機(jī)生產(chǎn)能力已發(fā)展了許多計(jì)算公式，它們使用了各種研究方法，歸納起來有如下幾種類型:

(1)經(jīng)驗(yàn)方法。該方法主要是基于大量生產(chǎn)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及對歷史記錄進(jìn)行統(tǒng)計(jì)而得到經(jīng)驗(yàn)公式。通常是把現(xiàn)場的實(shí)際生產(chǎn)能力與實(shí)測的巖石物理性質(zhì)、地質(zhì)條件及實(shí)際的露天采礦機(jī)規(guī)格聯(lián)系起來，建立露天采礦機(jī)生產(chǎn)能力經(jīng)驗(yàn)公式。

(2)半經(jīng)驗(yàn)半理論方法。該方法是根據(jù)全尺寸巖樣綜合物理特性的測試和切割試驗(yàn)結(jié)果而建立的生產(chǎn)能力預(yù)測公式。最常用的切割試驗(yàn)是在線性切割機(jī)上，通過測量在不同切割條件下的切割力，切割比能等參數(shù)，為現(xiàn)場巖石切割過程提供最可靠的模擬數(shù)據(jù)，而后根據(jù)巖層條件和采礦機(jī)性能修正測定結(jié)果，建立露天采礦機(jī)生產(chǎn)能力半經(jīng)驗(yàn)半理論預(yù)測公式。

(3)理論方法。該方法是用一些假設(shè)和基本定理計(jì)算單個(gè)截齒上所受的力，然后求出整機(jī)所需的切割力、扭矩和功率，估計(jì)在已知巖石類型和選定機(jī)型的情況下，截齒可達(dá)到的切深和采礦機(jī)行駛速度，從而計(jì)算出生產(chǎn)能力。

1.1 技術(shù)生產(chǎn)能力公式

露天采礦機(jī)的小時(shí)生產(chǎn)能力按下式計(jì)算［1-2］:

式中，Qh為采礦機(jī)小時(shí)生產(chǎn)能力，m3/h;B為采礦機(jī)一次采寬，m;h為采礦機(jī)一次切削深度，m;V為采礦機(jī)工作行走速度，m/min;K為作業(yè)時(shí)間利用率，與露天采礦機(jī)礦巖切割、調(diào)頭、空車行走、截齒更換、保養(yǎng)等時(shí)間有關(guān)，時(shí)間利用率在0.5～1之間，實(shí)際中多為0.5～0.7。

對于給定露天采礦機(jī)機(jī)型，切削寬度B是確定的，切削深度h和行駛速度V是巖石強(qiáng)度、脆性和磨蝕性、巖體結(jié)構(gòu)等的函數(shù)。從切削試驗(yàn)中可直接測得切深值h和速度V。表1是文獻(xiàn)［2］給出的露天采礦機(jī)行駛速度與巖石抗壓強(qiáng)度的關(guān)系。

表1 露天采礦機(jī)行駛速度與巖石抗壓強(qiáng)度

1.2 通用破碎比能公式

根據(jù)能量守恒原則，即挖掘機(jī)械所產(chǎn)生的有效能等于破碎巖石所需的能量，可得到預(yù)測各種挖掘機(jī)械生產(chǎn)能力的通用公式［3-4］，即

式中，N為采礦機(jī)切削滾筒的功率，kW;SE為巖石的切割破碎比能，kW·h/m3;η為露天采礦機(jī)能量轉(zhuǎn)化效率。

切割破碎比能SE可由切削試驗(yàn)實(shí)測得到，或根據(jù)切削下來的巖塊粒度估計(jì)，也可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式估計(jì)，例如，對于各種沉積巖，Roxborough［5］提出了巖石單軸抗壓強(qiáng)度σc與切割比能SE的關(guān)系:

1.3 經(jīng)驗(yàn)公式

1.3.1 Gehring經(jīng)驗(yàn)公式

Gehring［6］建立了露天采礦機(jī)生產(chǎn)能力預(yù)測經(jīng)驗(yàn)公式:

式中，K1、K2分別為巖石的脆性影響系數(shù)和巖體結(jié)構(gòu)面影響系數(shù)，見表2;K3為切割條件影響系數(shù)，是切割深度、切割滾筒震動(dòng)、截齒形狀和布置方式的函數(shù)。

表2 Gehring經(jīng)驗(yàn)公式系數(shù)表

1.3.2 Dey＆ Ghose經(jīng)驗(yàn)公式

Dey＆ Ghose［7］引入5個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，即巖石點(diǎn)荷載強(qiáng)度、磨蝕性，巖體體積節(jié)理系數(shù)、結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀與切削方向的關(guān)系，露天采礦機(jī)功率等級，建立可切削評價(jià)表(表3)，并引入可切削指數(shù)C1，用于露天采礦機(jī)適用性綜合評價(jià)和生產(chǎn)能力預(yù)測。

表3 巖體可挖性指標(biāo)分級的評分表

對于給定的巖體和露天采礦機(jī)，參照表3，可得這一特定條件下各指標(biāo)評分值，然后把各指標(biāo)評分值加起來，得到可切削指數(shù)CI，即

可切削指數(shù)CI和露天采礦機(jī)生產(chǎn)能力存在如下關(guān)系:

式中，QR為額定生產(chǎn)效率，即指以最大切割深度，行使速度為8 m/min時(shí)的生產(chǎn)效率，m3/h。

1.4 適用于懸臂式掘進(jìn)機(jī)經(jīng)驗(yàn)公式

懸臂式掘進(jìn)機(jī)工作原理與露天采礦機(jī)類似，因此，將用于預(yù)測懸臂式掘進(jìn)機(jī)生產(chǎn)能力公式進(jìn)行修正，有可能用于預(yù)測露天采礦機(jī)生產(chǎn)能力。

1.4.1 Bilgin經(jīng)驗(yàn)公式

土耳其伊斯坦布爾工程技術(shù)學(xué)院Bilgin［8］建立了預(yù)測懸臂式平巷掘進(jìn)機(jī)生產(chǎn)能力公式，該公式利用巖石的抗壓強(qiáng)度、巖體質(zhì)量指數(shù)RQD計(jì)算可切割指數(shù)RM，并認(rèn)為生產(chǎn)能力和設(shè)備功率成正比，得到如下公式:

式中，RM為巖石可切割指數(shù)。

1.4.2 Copur經(jīng)驗(yàn)公式

Copur［9］等人收集了懸臂式掘進(jìn)機(jī)在整體性較好的沉積巖中掘進(jìn)數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)回歸得出如下公式:

式中，RP為掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)指數(shù);W為機(jī)器重量，t。

2 實(shí)例驗(yàn)證和分析

2.1 實(shí)例數(shù)據(jù)和說明

文獻(xiàn)［10］給出了7個(gè)礦的巖石/巖體特性指標(biāo)，以及露天采礦機(jī)的性能參數(shù)和實(shí)際的生產(chǎn)能力Qs等數(shù)據(jù)(表4)。

表4中礦1，2，3是指印度Lakhanpur露天礦的Mahanadi煤田，其中礦1為煤層，礦2為灰色頁巖，礦3為泥質(zhì)煤。礦4，5是指印度水泥有限公司的Adanakuruchi石灰石礦山，礦6、礦7是Madras水泥有限公司某石灰石礦山。由于文獻(xiàn)［10］沒有給出巖石單軸抗壓強(qiáng)度σc、巖體質(zhì)量指數(shù)RQD和切削滾筒的功率N，本研究按σc=22Is50換算;RQD≈115－3.3Jv換算;切削滾筒的功率N取露天采礦機(jī)總功率Nc的80%。

表4 礦山巖石/巖體物理力學(xué)指標(biāo)及機(jī)械性能參數(shù)

2.2 計(jì)算結(jié)果和分析

用表4中的數(shù)據(jù)和上述所介紹的6個(gè)生產(chǎn)能力預(yù)測公式分別計(jì)算各礦山生產(chǎn)能力，計(jì)算結(jié)果見表5。

在計(jì)算中，破碎比能公式中的能量轉(zhuǎn)化效率η取0.95;Dey＆Ghose公式中，結(jié)構(gòu)面與切削方向的關(guān)系評分值Js均為3分;相對誤差的絕對值為

相對誤差絕對值的平均值［11］為

相對誤差絕對值的標(biāo)準(zhǔn)差為

由表4和表5計(jì)算結(jié)果可以看到:

(1)按技術(shù)生產(chǎn)能力公式計(jì)算的相對誤差平均值珋δ和標(biāo)準(zhǔn)差S|δ|分別為19.4%、17.9%。珋δ在6個(gè)預(yù)測公式中為最小，但誤差離散較大。由于缺乏切削深度h與巖石和巖體性質(zhì)之間關(guān)系可靠的數(shù)據(jù)，切削深度選取有一定的主觀性。計(jì)算時(shí)，行走速度V按表1數(shù)據(jù)通過線性回歸得到公式 V=0.309 3σc+32.103來取值，切削深度按所選的露天采礦機(jī)最大切削深度的30%選取。

(2)破碎比能公式所得預(yù)測值全部比實(shí)際值低，相對誤差平均值珋δ=41.1%和標(biāo)準(zhǔn)差S|δ|=18.9%都較大。這是因?yàn)樵谟?jì)算時(shí)，破碎比能是從巖石抗壓強(qiáng)度換算得到的，實(shí)際上只考慮巖石性質(zhì)，而忽略巖體性質(zhì)，即沒有考慮巖體結(jié)構(gòu)面對生產(chǎn)能力的影響。如果破碎比能是從全尺寸切割試驗(yàn)得到，結(jié)果將得到明顯改善。破碎比能公式為單指標(biāo)公式，且破碎比能指標(biāo)可從試驗(yàn)室全尺寸切割試驗(yàn)得到，使用方便，可以認(rèn)為是比較合理的計(jì)算方法。

表5 6個(gè)預(yù)測公式預(yù)測值和實(shí)際值對比

(3)按Gehring公式計(jì)算的相對誤差平均值珋δ和標(biāo)準(zhǔn)差S|δ|分別為39.3%、34.9%。主要原因是沒有可靠試驗(yàn)數(shù)據(jù)，K1、K2、K3系數(shù)的選取有一定的主觀性。Gehring沒有具體給出K3的取值，表5中取K3=1.4是根據(jù)誤差較小得到的。

(4)按Dey＆Ghose公式計(jì)算的相對誤差平均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為21.6%和13.7%，S|δ|在6個(gè)預(yù)測公式中最小，說明相對誤差的波動(dòng)小，計(jì)算結(jié)果可靠。Dey＆Ghose公式是基于巖體分級的指標(biāo)得到的生產(chǎn)能力預(yù)測公式，考慮因素比較多，預(yù)測結(jié)果較接近實(shí)際值。

(5)Bilgin公式和Copur公式都是根據(jù)懸臂式掘進(jìn)機(jī)生產(chǎn)數(shù)據(jù)得到的。懸臂式掘進(jìn)機(jī)切削滾筒的剛性、機(jī)器穩(wěn)定性比露天采礦機(jī)差，工作模式和操作者水平對生產(chǎn)能力影響也有較大的差別。因此，Bilgin公式和Copur公式用于預(yù)測露天采礦機(jī)生產(chǎn)能力，需要對它們進(jìn)行修正。設(shè)修正系數(shù)為β，即露天采礦機(jī)理論生產(chǎn)能力為懸臂式掘進(jìn)機(jī)理論生產(chǎn)能力的β倍。當(dāng)β=1.5時(shí)，按Bilgin公式計(jì)算的相對誤差平均值珋δ和標(biāo)準(zhǔn)差S|δ|分別為46.5%，19.5%;Copur公式的珋δ和S|δ|分別為31.9%，16.5%。當(dāng)β=2.5 時(shí)，Bilgin 公 式 的 珋δ和 S|δ|分 別 為 24.5%，22.2%;Copur 公 式 的 珋δ和 S|δ|分 別 為 84.3%，60.7%，這兩個(gè)公式預(yù)測結(jié)果誤差都較大。但當(dāng)β=2.5，Bilgin公式的相對誤差平均值珋δ和標(biāo)準(zhǔn)差S|δ|與Dey＆Ghose公式的比較接近，而且Bilgin公式考慮了巖石的抗壓強(qiáng)度、巖體質(zhì)量指數(shù)RQD和機(jī)器的性能參數(shù)，而Copur公式只考慮了巖石的抗壓強(qiáng)度以及露天采礦機(jī)機(jī)身重量，并未考慮巖體性質(zhì)參數(shù)，故Bilgin公式優(yōu)于Copur公式。

3 結(jié)論

(1)計(jì)算結(jié)果表明，6個(gè)生產(chǎn)能力預(yù)測公式的預(yù)測結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)能力都有較大誤差。

(2)技術(shù)生產(chǎn)能力公式在6個(gè)生產(chǎn)能力預(yù)測公式中相對誤差平均值最小，誤差的波動(dòng)也較小。通過回歸得到行走速度和巖石強(qiáng)度之間的關(guān)系是可行的，切削深度和巖石強(qiáng)度之間的具體關(guān)系還有待進(jìn)一步的研究。

(3)Dey＆Ghose公式考慮因素比較多，在6個(gè)生產(chǎn)能力預(yù)測公式中，相對誤差平均值較小，誤差的波動(dòng)最小，該公式較可靠。

(4)破碎比能公式中破碎比能指標(biāo)可從試驗(yàn)室全尺寸切割試驗(yàn)中獲得，可認(rèn)為是比較合理的計(jì)算方法。破碎比能公式為半經(jīng)驗(yàn)半理論公式，可用于驗(yàn)證其他預(yù)測公式的準(zhǔn)確性。

(5)對預(yù)測懸臂式掘進(jìn)機(jī)生產(chǎn)能力的公式進(jìn)行修正，可用于預(yù)測露天采礦機(jī)生產(chǎn)能力。

(6)綜合考慮巖石、巖體、機(jī)械等參數(shù)得出的生產(chǎn)能力預(yù)測公式更為準(zhǔn)確。

(7)目前，盡管預(yù)測露天采礦機(jī)生產(chǎn)能力方法較多，但預(yù)測方法和系統(tǒng)還很不完善，每種方法都有其優(yōu)缺點(diǎn)。因此，宜采取多種方法進(jìn)行計(jì)算，結(jié)合實(shí)際比較分析，綜合選取最優(yōu)的方法，以降低風(fēng)險(xiǎn)。

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