露天礦挖掘機能力計算方法

張 洪

（中煤科工集團沈陽設(shè)計研究院有限公司，遼寧沈陽 110015）

目前，我國在建及正在生產(chǎn)的露天礦剝離多采用單斗挖掘機-卡車間斷工藝，采煤多用單斗挖掘機-卡車-半固定破碎站-帶式輸送機半連續(xù)工藝，單斗挖掘機在國內(nèi)外露天礦的應(yīng)用十分廣泛[1-2]，其中挖掘機的合理匹配及設(shè)備能效的發(fā)揮是工藝合理性的重要指標。

挖掘機最初為機械式挖掘機，隨著液壓技術(shù)的發(fā)展，目前液壓挖掘機在露天煤礦得以廣泛應(yīng)用[3]，可靠性有了顯著地提高。隨著現(xiàn)代露天礦的大型化，設(shè)備也朝著自動化、大型化的方向發(fā)展，因此單臺設(shè)備的價格相對比較昂貴。合理確定設(shè)備的匹配及設(shè)備能力是露天礦較好運用資金、降低運營成本的重要環(huán)節(jié)，直接影響礦山的經(jīng)濟效益[4]，因此研究單斗-卡車工藝中挖掘機能力的計算方法、主要參數(shù)的確定及臺年生產(chǎn)能力進行優(yōu)化，對提高挖掘機生產(chǎn)能力來說有著重要的借鑒作用。

1 挖掘機生產(chǎn)能力確定的方法

1）類比法。參照國內(nèi)類似條件露天礦的挖掘機實際生產(chǎn)能力選取，其指標選取一般采用國內(nèi)有關(guān)露天礦的先進生產(chǎn)能力，但由于管理、運營、生產(chǎn)方式及設(shè)備維修千差萬別，因此用類比法確定挖掘機能力的方法在選取某些參數(shù)時會經(jīng)常使用，但在設(shè)計實踐中應(yīng)用較少。

2）作業(yè)條件法。按挖掘機作業(yè)條件對挖掘機的實際能力進行理論計算，該方法在露天煤礦設(shè)計實踐中經(jīng)常使用，有些參數(shù)（如利用率等）不易選取，因此，計算的生產(chǎn)能力有一定的誤差。

3）模擬法。在挖掘和運輸2 個方面的設(shè)備型式及數(shù)量已確定的條件下，確定挖掘機和運輸設(shè)備的生產(chǎn)能力。根據(jù)計算目的和要求的精度，模擬方法大致可分為3 種：①模擬生產(chǎn)全過程，首先給定露天礦的剝離量和礦量，挖掘機臺數(shù)，裝車點和卸車點位置，運輸設(shè)備運行縱斷面等條件，首先確定挖掘機每斗裝載所需時間，按運輸縱斷面確定運輸設(shè)備的運行速度，并進行鏟車分配，計算挖掘機裝車時間和等待時間，以及運輸設(shè)備的運行、等待和卸載時間，最終計算挖掘機和運輸設(shè)備的生產(chǎn)能力[5]；②以1 個挖掘機為單位模擬1 條運輸線路，進行計算；③按全礦各年作業(yè)的平均條件所需的鏟、車數(shù)量及其生產(chǎn)能力計算。

4）綜合法。按上述幾種方法初步確定生產(chǎn)能力后，再加以模擬法綜合分析比較，最終確定生產(chǎn)能力，本文主要討論該方法在設(shè)計中應(yīng)用的一些問題。

2 挖掘機能力計算的主要公式

挖掘機單位斗容在籍年能力[6]根據(jù)巖性不同而異，在表土（或不需爆破巖層）、中硬巖石和堅硬巖石挖掘機每年、單位斗容在籍年生產(chǎn)能力分別為20～27 萬m3，對于寒冷或高寒地區(qū)可根據(jù)具體條件適當?shù)慕档汀?/p>

1）小時生產(chǎn)能力計算。挖掘機小時生產(chǎn)能力計算公式為：

式中：QS為小時生產(chǎn)能力，m3/h；Vp為鏟斗容積，m3；tw為挖掘機鏟斗循環(huán)周期時間，s；Km為滿斗系數(shù)；Ks為物料在鏟斗中的松散系數(shù)，其取值同滿斗系數(shù)是根據(jù)巖性不同而進行不同的參數(shù)選取。

標通中推薦的各參數(shù)取值見表1。

表1 標通中推薦的各參數(shù)取值

2）臺班能力計算。挖掘機臺班能力計算公式為：

式中：QB為挖掘機臺班能力，m3/班；QS為小時生產(chǎn)能力，m3/h；Tb為每班工作小時數(shù)，h；ε 為挖掘機每班工作時間利用系數(shù)，取0.43～0.71。

3）臺年能力計算。挖掘機臺年生產(chǎn)能力可按按臺班能力或臺時能力計算公式為：

式中：QMe為挖掘機在籍年能力，萬m3/a；QB為挖掘機臺班能力，m3/班；η 為日工作班數(shù)，班/d；Nr為年工作日數(shù)，d；TN為挖掘機工作小時數(shù)，h。

筆者根據(jù)翻轉(zhuǎn)課堂的理念，設(shè)計了適合我校的提升學(xué)生核心素養(yǎng)的翻轉(zhuǎn)課堂模式：“兩案兩段八環(huán)節(jié)一量表”.“兩案”是：一份側(cè)重于學(xué)生自學(xué)“課前自學(xué)案”，一份側(cè)重于課堂重點難點突破的“課堂學(xué)習(xí)案”；“兩段”是指基于“翻轉(zhuǎn)課堂的”的兩個學(xué)習(xí)階段，第一段通過“課前學(xué)習(xí)案”落實，包括“學(xué)習(xí)目標”“教材自學(xué)”“微課助學(xué)”“課前練習(xí)”等四個環(huán)節(jié)，第二段包括“重難點突破”“課堂練習(xí)”“習(xí)題研討”“反思提升”等四個環(huán)節(jié)；一量表是“數(shù)學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展量表”，在課堂教學(xué)中，依據(jù)量表對學(xué)生的素養(yǎng)發(fā)展水平進行量化評價.

3 影響挖掘機實際生產(chǎn)能力的各種因素

某露天礦挖掘機作業(yè)條件計算小時生產(chǎn)能力為593.4～711 m3/h；班生產(chǎn)能力1 898.9～2 332.1 m3/班，應(yīng)用臺班能力計算的臺年生產(chǎn)能力為168.4～206.8萬m3/a。相應(yīng)每年單位斗容能力16.84～20.68 萬m3，比國內(nèi)典型礦山實際生產(chǎn)統(tǒng)計單位斗容能力25～30萬m3偏低。影響挖掘機實際生產(chǎn)能力的因素有以下幾種：

1）循環(huán)時間。挖掘機循環(huán)時間一般為39～47 s，隨著設(shè)備制造技術(shù)發(fā)展，采礦技術(shù)（裝載位置）和現(xiàn)場管理水平的提升，特別是液壓技術(shù)發(fā)展，其循環(huán)時間明顯降低，經(jīng)與設(shè)備廠家技術(shù)交流，液壓挖掘機在90°回轉(zhuǎn)周期裝車時間最快為25 s。

2）滿斗系數(shù)和松散系數(shù)。滿斗系數(shù)和松散系數(shù)根據(jù)巖性不同而不同，設(shè)計采用勘探報告與現(xiàn)場實測巖體力學(xué)性質(zhì)指標可能有差距，這也是設(shè)計計算值和現(xiàn)場實測臺年能力值存在偏差的原因。

3）臺班時間利用系數(shù)。按我國露天礦實際生產(chǎn)統(tǒng)計ε 取值為0.43～0.71，與設(shè)備型號、現(xiàn)場管理、輔助設(shè)備、作業(yè)方式等多種因素相關(guān)，設(shè)計應(yīng)因地制宜的進行參數(shù)修正。

4）年工作日。GB 50197—2015 煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計規(guī)范第2.3.7 條規(guī)定：露天煤礦設(shè)計年工作天數(shù)宜按330 d 計算，但與氣候影響（大風、多雨、嚴寒地區(qū)，可季節(jié)性作業(yè)）、設(shè)備檢修、工藝系統(tǒng)停運、設(shè)備故障等停產(chǎn)時間相關(guān)。每日工作班數(shù)一般為2 班，特殊情況下，采煤工作可以采用2 班制度。爆破工作必須1 班作業(yè)。但有能源保障性要求的露天礦是365 d 生產(chǎn)，即人員輪休，設(shè)備連續(xù)作業(yè)。挖掘機年工作日數(shù)應(yīng)等于露天礦年工作日數(shù)減去法定假日、設(shè)備計劃檢修以及因氣候影響而停止作業(yè)的日數(shù)。因此，無論是挖掘機工作日數(shù)還是年工作日數(shù)的選取均需因礦制宜的確定。

5）臺年生產(chǎn)能力計算。影響挖掘機臺年生產(chǎn)能力的因素主要有：①計算方法：按臺班能力和臺時能力2 個公式計算的本質(zhì)是相同的，臺班能力計算主要取決于班小時利用系數(shù)，臺班班小時利用系數(shù)過低，最終反應(yīng)的結(jié)果是挖掘機年工作小時數(shù)低，在條件相同、挖掘機規(guī)格相同時，采用臺時能力計算挖掘機能力與國內(nèi)露天礦生產(chǎn)實際更接近；②設(shè)備檢修能力及備件供應(yīng)情況、運輸設(shè)備類型、采掘工作面地質(zhì)條件、操作司機技術(shù)水平、組織管理水平等[7]：選取參數(shù)不同，計算所得生產(chǎn)能力相差很大，但為了新建露天礦設(shè)備的選用，參照生產(chǎn)礦山的實際資料和設(shè)計經(jīng)驗，露天礦設(shè)計規(guī)范第3.2.6 條中關(guān)于挖掘機每立方米斗容在籍生產(chǎn)能力的參考規(guī)定與目前礦山實際生產(chǎn)能力值有一定偏差，小型液壓挖掘機每立方米斗容臺年生產(chǎn)能力根據(jù)巖性的不同可高達40～70 萬m3/a；③影響挖掘機生產(chǎn)能力的其它因素：隨著礦山綜合管理和人員培訓(xùn)手段提升，礦建時期挖掘機投入的第1 年生產(chǎn)能力基本不降低。因開段溝內(nèi)場地狹小，卡車停在挖掘機后方，挖掘機回轉(zhuǎn)時間略有增加，卡車運輸能力降低10%～15%；煤層選采時遇到煤層頂、底板及半煤巖時需要選擇開采，致使裝車時間增長，能力降低20%～30%；挖掘機向上1臺階裝車時，因司機瞭望條件差，鏟和車的對中時間長影響效率，挖掘機能力降低20%～30%。

4 優(yōu)化實例

結(jié)合巴基斯坦塔爾煤田一區(qū)塊露天煤礦煤巖賦存情況，對斗容7 m3液壓挖掘機的能力計算進行優(yōu)化設(shè)計。

1）年有效作業(yè)時間。液壓反鏟有效作業(yè)時間可根據(jù)法定假日、礦山地質(zhì)條件、氣候、工序停工時間和故障/保養(yǎng)時間等條件確定，液壓反鏟年有效作業(yè)時間流程如圖1，液壓反鏟年有效作業(yè)時間計算參數(shù)見表2。由表2 可知：卡車年有效作業(yè)時間為5 494 h，設(shè)計取值為5 400 h，其中未考慮用餐時間，主要是通過現(xiàn)場管理，用餐后交接上下班，以減少交接班時間，另外，考慮法定假日，但本項目為“煤電一體化”項目，煤礦為電廠的燃料車間，現(xiàn)場實際管理是工人輪休，設(shè)備不停（可增加312 h）；單斗-卡車開采工藝受大風、高溫影響相對較小（可增加240 h）。設(shè)備有專業(yè)維保隊伍，考慮備品備件供應(yīng)及時，維修保養(yǎng)水平，礦山管理水平等因素，本露天礦液壓反鏟作業(yè)的年有效工作小時數(shù)可提升至6 000 h。

圖1 液壓反鏟年有效作業(yè)時間流程

表2 液壓反鏟年有效作業(yè)時間計算參數(shù)

2）循環(huán)時間。液壓反鏟單勺循環(huán)時間為30～32 s。經(jīng)對相鄰區(qū)塊露天礦實際生產(chǎn)情況調(diào)研，液壓反鏟單勺循環(huán)時間為30～35 s，因此，計算中考慮裝車時間確定為34 s，如將液壓反鏟裝車回轉(zhuǎn)角度控制在90°以內(nèi)，卡車在工作面的各種裝載位置如圖2。

3）每斗滿斗率。設(shè)計采用每斗滿斗率為0.95，經(jīng)相鄰區(qū)塊露天礦實際生產(chǎn)調(diào)研，將每斗滿斗率降低到0.90。

圖2 卡車在工作面的各種裝載位置

4）松散系數(shù)。松散系數(shù)需要現(xiàn)場做相關(guān)實踐后取得，設(shè)計取值1.25。

招標后確定標準斗容為7.5 m3，采用上述優(yōu)化的循環(huán)時間、有效工作時間等主要參數(shù)，液壓反鏟能力計算結(jié)果見表3。

表3 液壓反鏟能力計算結(jié)果

5 結(jié)語

1）優(yōu)化挖掘機的開采程序和開拓運輸系統(tǒng)，合理的挖掘機作業(yè)循環(huán)、采裝方式及行走路線，完善優(yōu)化反鏟裝車程序，將反鏟裝車回轉(zhuǎn)角度控制在90°以內(nèi)，采用雙向裝車，減少卡車的進車時間，降低反鏟的等待時間，減少回轉(zhuǎn)角度，降低反鏟的回轉(zhuǎn)時間，降低反鏟的移動時間，反鏟循環(huán)時間可降低至為30～32 s。

2）保證鏟斗和運輸設(shè)備的容積的比值，一般為1:4～1:5。鏟斗的挖掘量與卡車載重量之比在具體設(shè)計時可以通過多方案比較，并選取總經(jīng)營費用最低的方案。

3）車鏟比也是車鏟匹配的一個因素，合理的車鏟比，能同時最大限度地發(fā)揮挖掘機和卡車的效率，保證一定鏟車比，這是提高挖掘機生產(chǎn)能力的最重要的因素。

4）在優(yōu)化開采工藝參數(shù)、提高液壓反鏟維修保養(yǎng)水平、提高反鏟司機操作水平，液壓反鏟年有效作業(yè)時間可提升至6 000 h。

5）以礦建第1 年為例，其臺年生產(chǎn)能力可提升至約286 萬m3，如采用確定的斗容7.5 m3，其臺年生產(chǎn)能力可提升至約300 萬m3。