某大型礦山地下電機車運輸系統設計

李照連

(廈門紫金工程設計有限公司)

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某大型礦山地下電機車運輸系統設計

李照連

(廈門紫金工程設計有限公司)

電機車運輸是地下礦山水平巷道的主要運輸方式之一，通過分析井下電機車、礦車的類型、優缺點及其適用范圍，遵循電機車和礦車的選型原則及要點,結合某礦山生產實際情況，確定電機車的型號、數量、牽引方式及車場布置，在此基礎上分析、計算礦車數量、列車數量等，最終確定合理的地下電機車運輸系統，為礦山運輸系統設計提供參考。

地下電機車 礦車 運輸系統 牽引方式

在世界許多礦山，電機車運輸占有相當大的比重，其具有運量大、用途廣、清潔節能、維修簡單等優點，在長距離運輸中有明顯的技術經濟優勢。因此，對地下電機車運輸系統進行系統地分析、設計、選型及優化，使其系統配置上更加經濟、合理，充分發揮自身優勢，有利于促進地下電機車運輸發展，對提高運輸效率，降低礦山生產成本，創建綠色、節能礦山，促進礦業發展都有重要意義。

1 國內外電機車發展概況

自1882年德國西門子公司制造出世界第一臺4.5 kW地下架線式電機車以來，地下電機車在國內外礦山得到廣泛的應用，迄今已有130多a的歷史。機車重量在不斷提高，美國地下電機車粘著質量已達到50～75 t。上世紀50年代，我國開始了地下電機車研發和生產，經過60多a的發展，已能生產具有電阻調速、斬波調速、變頻調速等功能1.5～50 t粘著質量的各種類型電機車，產品種類、規格齊備，可滿足國內礦山的需要，并少量出口。

隨著計算機技術和電子技術的發展，各國根據本國礦山條件，對地下電機車作了很多改進和升級換代，增大電機功率，推出新型電氣傳動方式，在滿足機車安全可靠運行的前提下，改善技術經濟指標，實現重型化、高速化和無維護化。國內外地下電機車發展現狀及趨勢：

(1)品種規格的系列化和機車結構的模塊化[1]。產品系列化可解決用戶多樣化的需求問題，產品模塊化可縮短生產周期，降低制造成本，在短期內裝配出大量不同品種規格的車型。例如，德國魯爾煤礦公司就有采用模塊化結構組成不同形式的電機車，可以組裝成2段帶司機室的15 t機車；可以組裝成2套動力裝置，每端有一個司機室的2×15 t機車；還有通過連接器組成的車型。因此，電機車結構的模塊化技術是地下電機車發展方向之一。

(2)電氣傳動設備的交流化[1]。目前，地下電機車的電氣傳動設備也朝著微機控制的交流傳動方向發展，國內外廠家均已研制出交流傳動的地下電機車。例如，德國西門子生產的交流傳動防爆礦用蓄電池機車，蘭州機車廠研制的交流傳動窄軌蓄電池機車等，這些產品的成功開發都意味著交流傳動已成為新一代地下電機車的發展主流。

(3)關鍵部件的免維護化[1]。電機車的牽引蓄電池、牽引電動機及其傳動裝置是決定機車是否正常運行的關鍵部件。由于地下電機車工作條件相當惡劣，因此，在礦井內進行維護是相當困難的，提高關鍵部件的可靠性，采用免維護或少維護技術，增加產品壽命，也成為新一代地下電機車開發的趨勢。

(4)遠程遙控和自動化采礦是現代礦業的發展趨勢，地下無人駕駛電機車運輸系統是其重要環節。國外一些礦山的電機車運輸系統自動化已達到相當高的水平，如瑞典KIRUNA鐵礦和美國的HENDERSON鉬礦用電子計算機自動控制整個運輸系統，實現無人駕駛自動運行、遙控裝載和自動卸載、自動配礦和定址、數據遙測和發送、電視監視等。中國恩菲工程技術有限公司研發的地下礦無人駕駛電機車已于2012年在冬瓜山銅礦投入正式生產運行，電機車在運行過程中實現遠程遙控裝礦，自動運行、卸礦，運行狀態通過無線通訊實時顯示于調度室內，必要時也可通過遠程實時調度操控，非常方便。該技術可以適用于多列機車同時運輸的需求，可有效減少人員數量，提高運輸效率，降低生產成本。

2 電機車和礦車選型原則

地下電機車的選擇主要是根據運輸量、運距、使用地點、裝卸方式、車輛型式等條件來確定。

地下電機車按電流類型分為直流和交流2種，直流電機車應用最廣。直流電機車又分為架線式和蓄電池式兩大類。另外，還有架線蓄電池式和架線電纜式雙能源電機車。

架線式電機車一般用于出礦階段運輸，其結構簡單，維護容易，用電效率高，運輸費用低，是目前應用最廣的一種機車，但在有爆炸性氣體的回風巷道中禁止使用。蓄電池電機車多用于開拓階段運輸或作為某些運輸環節上的短距離運輸，以及受條件限制不能使用架線式電機車的地方。

礦車形式的選擇主要根據運輸礦物種類、礦石性質(塊度、粉礦和泥水含量、黏結性等)、運輸量、運距、裝卸方式、料流落差、使用地點等條件來確定。

礦山目前常用的礦車主要有固定式、翻斗式、曲軌側卸式、底卸式及底側卸式等。各種礦車優缺點及適用范圍詳見表1[2]。

表1 各種礦車優缺點及適用范圍

地下電機車列車一般采用單機牽引。對于大中型礦山，運輸任務特別繁忙或有特殊要求時，通過技術經濟比較，可采用雙機或多機牽引。雙機(多機)牽引可分為首部、首中、首尾牽引3種，其特點、適用條件見表2[2]。

表2 機車牽引方式及適用條件

階段運量與電機車粘著質量、礦車容積、軌距、軌型的一般關系見表3[1]。

3 工程設計應用

3.1 礦山概況

國內某金銅礦床是我國20世紀80年代發現并探明的特大型黃金和大型銅共生礦床之一。金礦床產于600 m標高以上氧化帶中，為特大型低品位氧化金礦，可利用金屬儲量約達200 t；銅礦產于600 m標高以下的原生帶中，已控制礦化最低標高為-100 m，為次火山中低溫熱液大型礦床，礦體為大脈狀，硫化銅礦石。礦山經過多年開發建設、技術改造，實現了跨越式發展。金礦采用露天開采方式，礦石處理能力為11.36萬t/d，目前，金礦生產已進入尾聲。銅礦采用露天與井下聯合開采方式，148 m以上采用露天開采，148 m以下采用地下開采，采礦方法為大直徑深孔階段空場嗣后充填法。露采設計規模為7.5萬t/d，其中，浮選規模為3.5萬t/d，品位>0.28%；堆浸規模為4.5萬t/d，品位為0.15%～0.28%。地采規模為50 t/d。4.5萬t/d低品位堆浸礦石由銅選冶廠負責處理，本次設計的地下電機車運輸系統是為銅選冶廠供礦，階段運量達到1 485萬t/a，電機車運行車場不存在爆炸性氣體，綜合以上選型原則，經技術經濟比較，擬設計20 t架線式電機車雙機首尾牽引12 m3底側卸式礦車運輸。

表3 階段運量與電機車粘著質量的一般關系

3.2 運輸方式及線路

采用平硐—溜井—電機車開拓運輸方式，礦石通過露采廠內溜井下放到330 m水平相應的裝礦硐室，由重型振動給料機向礦車裝礦后，再由電機車通過330 m平硐牽引至地表選廠卸載站，進入選廠破碎系統。主要設計參數：運輸任務4.5萬t/d低品位礦石；工作制度330 d/a，3班/d；礦石密度2.76 t/m3，松散系數1.36；單中段平硐運輸，線路平均坡度4‰，平均運距6 460 m(往返)。車場布置見圖1。

圖1 電機車運輸系統車場布置

3.3 運輸能力計算

首先核算列車組中礦車的數量，再確定列車的數量。列車組中礦車的數量按電機車啟動和制動條件的牽引能力計算，二者結果取小值。因平硐口到作業地點所經平巷長度超過1 500 m，需設置專用人車運送人員[3]，速度不大于3 m/s。

3.3.1 礦車數量

(1)按電機車啟動條件計算牽引能力。考慮到地下運輸最困難的情況，按電機車牽引重車沿彎道上坡啟動核算牽引能力Qzh。

(1)

式中,Gjn為電機車黏著質量,20 t；ψ為啟動黏著系數,0.2；n為機車數量,2輛；η為多機牽引效率,0.9；ωzh為重車啟動時阻力系數,0.006；ip為運輸路線平均坡度，4‰；ωw為彎道阻力系數,0.000 8；a為起動加速度,m/s2；Gj為電機車質量,20 t。

計算得出Qzh=433 t。

(2)按制動條件計算牽引能力Qzh。14 t以上大型機車(或雙機)牽引運輸時制動距離≤80 m[3]，重車下坡，限速15 km/h。

(2)

按啟動條件計算牽引能力較小，故按此條件計算列車中礦車數，即

(3)

式中,Z為礦車數量，輛；G為每輛礦車有效裝載質量，21.9 t/輛；G0為礦車的質量,11.8 t。

計算得出Z=12.8輛，取12輛。

3.3.2 列車數量

列車往返一次的時間T為

(4)

式中，T1為總運行時間，28.33 min，T1=2L/(60vp)，2L為加權平均運距，6 460 m，vp為平均速度,3.8 m/s;t為調車時間,20 min。

計算得出T=48.33 min。

單列車每班可循環次數n1為

工程木協會(APA)成立于1933年，當時是花旗松膠合板協會(Douglas Fir Plywood Association)，代表太平洋西北沿岸的膠合板行業的利益。由于技術的發展，南方黃松等其他樹種也可生產結構膠合板，1964年該協會更名為美國膠合板協會(American Plywood Association)，以反映該組織不斷增長的業務。

(5)

式中,tb為每班工作時間,6.5 h；其他符號意義同前。

計算得出n1=8.1次。

完成每班運量需往返次數m為

(6)

式中，c為運輸不均衡系數，1.2；Ab為某階段平均出礦量，1.5萬t/班；其他符號意義同前。

計算得出m=68.4次。

需要的列車數N1為

(7)

式中，m1為每班運人員、材料、設備需往返次數，2次；其他符號意義同前。

計算得出N1=8.7列,取9列。

3.4 設備選型

列車在同一線路上運行，采用木軌枕雙軌運輸線路，軌距為900 mm，軌型為50 kg/m，6#道岔，線路平均坡度為4‰，重車下坡。選用9列電機車即可完成運輸任務，行車密度為5.4 min一列車。應對運輸線路、集中控制及信號設施進行調整改造，增設“信、集、閉”自動控制調度系統。所選設備及參數如下：

(1)ZK20-9/550-2C架線式地下礦用雙機牽引電機車，軌距為900 mm，軸距為2 500 mm，電壓為550 V，電動機功率為2×85 kW，共20臺，其中18臺工作，2臺備用。

(2)12 m3底卸式礦車，軌距為900 mm，軸距為900 mm，共135輛，其中108輛工作，27輛備用。

(3)PRC型平巷人車，軌距為900 mm，裝載量為18人/輛，共2輛，1輛工作，1輛備用。

4 結 語

通過對某大型礦山地下電機車運輸系統分析比較、計算選型，最終確定了較合理的電機車運輸系統，該系統投產多年，較好地完成了礦山既定的運輸任務。電機車運輸系統是一個相對復雜的系統工程，影響因素很多，應根據運輸礦物種類、礦石性質(塊度、粉礦和泥水含量、黏結性等)、運輸量、運距、裝卸方式、料流落差、使用地點等條件，結合相關選型原則，在滿足礦山采礦規劃的前提下，確定最佳運輸系統。通過不斷提高運輸系統的自動化控制水平，使其更加技術先進、經濟合理，充分發揮自身優勢，從而促進綠色、節能礦山的創建和發展。

[1] 張德明，李少磊，徐恩華，等.新編礦山采礦設計手冊：礦山機械卷[M].徐州：中國礦業大學出版社，2006.

[2] 王運敏.中國采礦設備手冊[M].北京：科學出版社，2007.

[3] 國家質量監督檢驗檢疫總局.GB 16423—2006金屬非金屬礦山安全規程[S].北京：中國標準出版社， 2006.

2016-08-15)

李照連(1981—)，男，工程師，361006 福建省廈門市。