黑岱溝露天煤礦吊斗鏟工藝開采參數(shù)及典型故障

王 鋒

（國家能源集團(tuán)準(zhǔn)格爾能源有限責(zé)任公司 設(shè)備維修中心，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300）

國家能源準(zhǔn)能集團(tuán)黑岱溝露天煤礦中部巖石層（平均厚度為50～70 m）采用拋擲爆破+吊斗鏟倒堆開采工藝。吊斗鏟作為主采工藝的最關(guān)鍵設(shè)備，由于準(zhǔn)格爾地區(qū)季節(jié)性氣候特別明顯，室內(nèi)外及設(shè)備溫度是影響設(shè)備能否正常運(yùn)行的一項(xiàng)重要因素。吊斗鏟日常的設(shè)備故障主要涵蓋機(jī)械故障和電氣故障，有針對性總結(jié)溫度可能引發(fā)的各類故障并研究科學(xué)的故障檢修標(biāo)準(zhǔn)，有助于快速處理吊斗鏟各類故障，提高設(shè)備的出動率，保障露天礦煤炭開展工藝的有序順利進(jìn)行，為企業(yè)創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益[1-2]。

吊斗鏟倒堆工藝包含巖層穿孔、拋擲爆破，推土機(jī)整平，剝離物倒排和煤層的爆破，采裝運(yùn)輸、運(yùn)輸?shù)缆返囊圃O(shè)等多種工序。各項(xiàng)工序之間相互銜接，在時間和空間上不僅具有周期性，而且存在嚴(yán)格的制約關(guān)系[3-4]。因此，如何提高吊斗鏟設(shè)備的有效作業(yè)時間和生產(chǎn)效率，是保障一個采幅內(nèi)各項(xiàng)工程時間與空間的組織進(jìn)度能否順利進(jìn)行關(guān)鍵因素。

1 吊斗鏟倒堆工藝開采參數(shù)

吊斗鏟的每個采幅都應(yīng)根據(jù)煤層厚度及寬度和年產(chǎn)量經(jīng)過科學(xué)計(jì)算和合理的組織安排才能充分發(fā)揮吊斗鏟倒堆工藝的科學(xué)性，將該工藝的經(jīng)濟(jì)效益最大化。因此，在吊斗鏟鏟開采前各項(xiàng)工藝參數(shù)都應(yīng)嚴(yán)格進(jìn)行推算。而吊斗鏟工作線長度取決于單斗電鏟-卡車采煤工作線長度、端幫安全距離和運(yùn)輸平臺的寬度[5]。

1.1 采煤工作線長度

倒堆臺階的工作線長度主要取決于采煤工作線的長度，而礦山產(chǎn)量規(guī)模、煤層厚度、煤的密度和工作線推進(jìn)強(qiáng)度等因素決定了采煤工作線的長度。黑岱溝露天煤礦目前設(shè)計(jì)產(chǎn)能為3 400 萬t/a，采煤工作線長度根據(jù)黑岱溝露天礦現(xiàn)有煤層結(jié)構(gòu)取2 200 m。黑岱溝露天煤礦采煤年推進(jìn)速度Vm為：

式中：Vm為采煤工作線年推進(jìn)速度，m/a；A 為原煤產(chǎn)量，Mt/a；Hm為煤層平均厚度，28.8 m；Lm為采煤工作線長度，m；Ym為6 煤平均密度，1.52 t/m3。

則由此可得Vm=353 m/a。

1.2 剝離倒堆工作線長度

吊斗鏟剝離倒堆工作線長度由采煤工作線長度和兩端幫留有的運(yùn)輸平盤寬度及安全距離共同構(gòu)成，因此，吊斗鏟剝離工作線長度為2 309 m，其中，由吊斗鏟單獨(dú)作業(yè)完成2 187 m，兩端幫各61 m 的運(yùn)輸?shù)缆芳鞍踩嚯x由輔助設(shè)配合吊斗鏟完成。

1）倒堆吊斗鏟生產(chǎn)能力計(jì)算。吊斗鏟完成的剝離年工程量Qn可根據(jù)式（2）計(jì)算Vy。

式中：L 為剝離工作線長度，2 187 m；Vy為倒堆臺階年推進(jìn)強(qiáng)度，m/a；Hy為倒堆臺階高度，45 m；K為拋擲爆破有效拋擲系數(shù)，0.25。

可得吊斗鏟年完成的工程量為2 605.54×104m3。

2）吊斗鏟空返時間的計(jì)算。黑岱溝露天礦的吊斗鏟是邁步式行走，行走速度為0.16～0.22 km/h，爬坡能力為0.8%，因此，吊斗鏟要行走2 200 m 的工作線長度，大約需要10～13.75 h。

1.3 吊斗鏟平均倒堆作業(yè)時間

吊斗鏟單次倒堆作業(yè)周期時間與鏟斗容積、巖石硬度、平均回轉(zhuǎn)角度有關(guān)。結(jié)合黑岱溝礦的巖石層屬于中等硬度，拋擲爆破倒堆臺階高度45 m，作業(yè)回轉(zhuǎn)角度平均在90°～150°之間，平均按120°計(jì)算。8750 邁步式吊斗鏟1 次挖掘周期時間為65 s。則吊斗鏟的小時生產(chǎn)能力Qh為：

式中：Qh為吊斗鏟小時作業(yè)能力，m3/h；Vk為吊斗鏟鏟斗容積，90 m3；Kh為滿斗系數(shù)，0.9；Kp為松散系數(shù)，1.3；T 為吊斗鏟工作循環(huán)時間，s。由此可得Qh＝3 617.9 m3/h。

吊斗鏟平均每天作業(yè)時間Td為19.7 h。根據(jù)以上推算結(jié)果，吊斗鏟在正常作業(yè)時間滿足每天20 h才能達(dá)到黑岱溝露天礦的正常生產(chǎn)要求。而實(shí)際生產(chǎn)中故障停機(jī)經(jīng)常出現(xiàn)，這就給維修人員提出很高的要求。必須在最短時間內(nèi)將吊斗鏟修好，吊斗鏟司機(jī)每天3 班倒，每班0.5 h 交接班時間；每天點(diǎn)檢時間1 h；周檢時間8 h；每周作業(yè)時間142.5 h（按30 d 計(jì)算），平均每天作業(yè)時間20.4 h。故障允許時間0.7 h。針對故障頻發(fā)的時間段采取有效的維修是維修人員迫切需要解決的問題。

2 吊斗鏟典型故障原因分析

吊斗鏟控制系統(tǒng)PLC 的工作溫度需控制在0～55 ℃范圍內(nèi)，PLC 設(shè)有高、低溫監(jiān)控傳感器，一旦工作環(huán)境的溫度不在0～55 ℃范圍內(nèi)，系統(tǒng)將無法啟機(jī)。因此需要做到夏天散熱，冬天保溫。而準(zhǔn)格爾地區(qū)屬于典型的溫帶大陸性氣候，四季分明，晝夜溫差大，年平均氣溫在5.3～8.7 ℃，最冷1 月平均氣溫在-10～-20 ℃，最熱月7 月平均氣溫在25～35 ℃。而設(shè)備內(nèi)的溫度會比室外溫度高出或低10～30 ℃，夏季吊斗鏟電器柜內(nèi)最高溫度度能達(dá)到60 ℃以上，冬季最低氣溫能達(dá)到-30 ℃。因此，在極端氣候條件下吊斗鏟電氣和機(jī)械故障明顯增多。加之設(shè)備服役年限的加長，設(shè)備部分零部件老化嚴(yán)重，很容易導(dǎo)致該設(shè)備集中性發(fā)生不可預(yù)測的故障。

吊斗鏟在實(shí)際工作中，由于其電氣設(shè)備功率較大，在大電流、電壓的作用下，不斷的產(chǎn)生電阻發(fā)熱損耗，鐵損發(fā)熱。在吊斗鏟滿負(fù)荷作業(yè)時，電氣設(shè)備發(fā)熱會極易產(chǎn)生運(yùn)行故障，因此，在所有吊斗鏟發(fā)生的故障中，電氣設(shè)備發(fā)熱導(dǎo)致的故障占有極大比例。而發(fā)熱往往會導(dǎo)致絕緣熱擊穿、導(dǎo)體連接部位的熱變形甚至熔焊，嚴(yán)重影響吊斗鏟的正常運(yùn)行[5-6]。

1）外部故障。吊斗鏟屬于露天作業(yè)，工作環(huán)境狀況較為復(fù)雜、惡劣，這就使得長期暴露的電氣設(shè)備線路接頭出現(xiàn)松動，接觸不良，觸點(diǎn)氧化腐蝕，沾有灰塵、壓接不良等問題，從而引起了諸多的電氣故障。電氣設(shè)備暴露在惡劣的運(yùn)行環(huán)境下，還好受到很大的沖擊負(fù)荷和機(jī)械振動等難以避免的特殊情況，就進(jìn)一步造成了電阻的增大從而造成電氣設(shè)備局部過熱，引發(fā)故障[7]。

2）內(nèi)部故障。主要是指那些被密封在金屬外殼內(nèi)部、絕緣層下或被油液浸泡未暴露在外部環(huán)境中的電氣回路故障和絕緣介質(zhì)劣化引起的各種故障，諸如絕緣老化、破損或脫落故障，主要是因?yàn)橥獠拷^緣層因長時間使用而老化、或受到?jīng)_擊而破損或因?yàn)橘|(zhì)量原因而脫落的故障，這些都有可能導(dǎo)致局部過熱而損壞電氣設(shè)備。吊斗鏟在酷熱極寒天氣發(fā)生AFE 和IGBT 有關(guān)故障的概率會明顯增加，結(jié)合黑岱溝露天礦的生產(chǎn)實(shí)際，吊斗鏟頻繁發(fā)生故障會給企業(yè)生產(chǎn)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

3 提高吊斗鏟效率降低故障率的措施

1）不斷提高吊斗鏟司機(jī)的操作水平，要求司機(jī)做到熟練掌握吊斗鏟各項(xiàng)操作規(guī)程，熟悉作業(yè)條件和采礦工藝，合理挖掘，鏟斗不宜裝的太滿。從離設(shè)備較遠(yuǎn)的地方開始挖掘，裝滿鏟斗；提升時，盡可能在接近天輪垂直下方開始。未滿時也應(yīng)正常進(jìn)行提升，同轉(zhuǎn)卸載；盡量減少同轉(zhuǎn)角度，使挖掘和排卸同轉(zhuǎn)距離最短；在每個挖掘排棄循環(huán)中，都要減少鋼絲繩得收放，這樣既節(jié)省了過多收放鋼絲繩時間，又可以減少鋼絲繩相關(guān)機(jī)構(gòu)的磨損，延長其壽命；不使用吊斗鏟做輔助工作，如整平邊幫、清理煤頂板和修整臺階等，避免不必要的浪費(fèi)[8]。

2）合理安排檢修，提高檢修質(zhì)量。嚴(yán)格控制到現(xiàn)場時間，沒有特殊情況，碰頭會控制在10 min 之內(nèi)，班前會控制在10 min 之內(nèi)；9 點(diǎn)前到達(dá)現(xiàn)場；對未按要求到達(dá)現(xiàn)場，車間按生產(chǎn)組織考核執(zhí)行處罰。

3）合理分配車輛、材料、配件、工具提前一天下午準(zhǔn)備，或指定指揮車領(lǐng)取，盡量避免延誤中巴出發(fā)時間；夜班的材料、配件、工具提前準(zhǔn)備。

4）加強(qiáng)點(diǎn)檢、保養(yǎng)質(zhì)量。每日點(diǎn)檢按點(diǎn)檢單的內(nèi)容進(jìn)行檢查，認(rèn)真檢查并填寫點(diǎn)檢單防止有漏項(xiàng)，點(diǎn)檢按誰點(diǎn)檢，誰負(fù)責(zé)的原則。白班點(diǎn)檢的項(xiàng)目必須保證晚上不能出現(xiàn)故障，如出現(xiàn)故障按車間機(jī)電考核制度執(zhí)行處罰。保養(yǎng)按保養(yǎng)單的內(nèi)容進(jìn)行保養(yǎng)，認(rèn)真檢查并填寫保養(yǎng)單防止有漏項(xiàng)，保養(yǎng)的項(xiàng)目必須保證一個保養(yǎng)周期內(nèi)不出現(xiàn)故障，如出現(xiàn)故障按車間機(jī)電考核制度執(zhí)行處罰。定期檢查電氣柜線路，對電氣柜進(jìn)行除塵，緊固線頭。

5）PLC 的日常維護(hù)及故障處理。PLC 的日常維護(hù)措施包括定期除塵，確保PLC 工作環(huán)境的整潔和衛(wèi)生；檢查PLC 的工作狀態(tài)包括自診斷指示信號、編程器的監(jiān)控信息及控制系統(tǒng)的運(yùn)行情況等，并作好相應(yīng)檢查記錄，發(fā)現(xiàn)問題及時處理；熟練掌握編程器的使用方法；定期對接線端子緊線，防止引線松動造成器件損壞或接觸不良。在作業(yè)過程中要特別關(guān)注溫度，PLC 的工作溫度需控制在0～55 ℃范圍內(nèi)，PLC 設(shè)有高、低溫監(jiān)控傳感器，一旦工作環(huán)境的溫暖不在0～55 ℃范圍內(nèi)，吊斗鏟將無法啟機(jī)。因此，夏天需要做好散熱，冬天需要做好保溫。

6）加強(qiáng)計(jì)劃檢修質(zhì)量，將各班組每天點(diǎn)檢單發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行匯總，制定每周周檢檢修計(jì)劃，將存在的故障進(jìn)行集中處理，這樣就縮短了檢修時間。計(jì)劃性檢修的項(xiàng)目，必須保證24 h 之內(nèi)不能出現(xiàn)故障，如出現(xiàn)故障按車間機(jī)電考核制度執(zhí)行處罰。

7）加強(qiáng)夜班工作檢修質(zhì)量。夜班接到調(diào)度電話后，必須30 min 之內(nèi)到達(dá)現(xiàn)場，領(lǐng)取配件等情況除外。夜班檢修人員少，對一些大一點(diǎn)的故障，夜班檢修負(fù)責(zé)人及時聯(lián)系班組長安排人員加班，縮短檢修時間。夜班發(fā)生電氣故障超過3 h 未處理好，應(yīng)及時聯(lián)系班組長安排人員加班，縮短檢修時間。

4 提高吊斗鏟運(yùn)行穩(wěn)定性創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)效益

根據(jù)每天的設(shè)備報(bào)表可得知吊斗鏟每月的可動率，即1 個月內(nèi)的實(shí)際作業(yè)時間的占比，選擇每年平均氣溫最高和最低的月份進(jìn)行研究。從2013—2019年吊斗鏟7 月份和12 月份的可動率統(tǒng)計(jì)表見表1。

表1 吊斗鏟可動率情況統(tǒng)計(jì)表

從2013 年開始，針對吊斗鏟在每年的7 月和12 月因極端天氣而導(dǎo)致設(shè)備故障頻發(fā)的原因進(jìn)行分析，采取了針對性的措施。從表1 中，可直觀地看到吊斗鏟在每年故障率最高的7 月和12 月，故障發(fā)生頻率在逐年減少，并趨于穩(wěn)定。根據(jù)表1 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可得出吊斗鏟每年7 月和12 月的實(shí)際作業(yè)時間，每月按30 d 計(jì)算，吊斗鏟實(shí)際作業(yè)時間統(tǒng)計(jì)表見表2，吊斗鏟系統(tǒng)與單斗卡車系統(tǒng)成本對比見表3。

表2 吊斗鏟實(shí)際作業(yè)時間統(tǒng)計(jì)表

表3 吊斗鏟系統(tǒng)與單斗卡車系統(tǒng)成本對比

吊斗鏟小時生產(chǎn)能力Qh為3 617.9 m3/h，同比每年7 月份和12 月份可多生產(chǎn)產(chǎn)量V0為：

式中：V0為生產(chǎn)產(chǎn)量，m3；Tx為時間，h。

若取Tx為表2 中2017 年7 月作業(yè)時間與2016年7 月作業(yè)時間差：Tx=634-605，2017 年7 月同比增加產(chǎn)量104 919.1 m3。

若取Tx為表2 中2017 年12 月作業(yè)時間與2016 年12 月作業(yè)時間差：Tx=634-605，2017 年12月同比增加產(chǎn)量：79 593.8 m3。

吊斗鏟增加產(chǎn)量，即為單斗卡車系統(tǒng)減少的產(chǎn)量，根據(jù)表3 可知吊斗鏟單位成本接近為單斗卡車單位成本的50%，2017 年7 月份和12 月份同比可節(jié)約成本可根據(jù)式5 計(jì)算得出：

式中：Y0為成本，萬元；A 為單斗卡車系統(tǒng)成本，元/ m3。

若A 取表3 中單斗卡車系統(tǒng)合計(jì)成本16.45元/ m3，則2017 年7 月份同比可以節(jié)約成本172.6萬元，2017 年12 月份同比可節(jié)約成本130.9 萬元。其它年份同比節(jié)約成本也可根據(jù)以上計(jì)算方式得知，同比節(jié)約成本統(tǒng)計(jì)表見表4。

表4 同比節(jié)約成本統(tǒng)計(jì)表

在采取針對性的檢修措施時，能有效縮短檢修時間，提高檢修質(zhì)量和效率，增加設(shè)備可動率。因此，吊斗鏟單臺設(shè)備每年7 月份和12 月份可同比節(jié)約成本達(dá)百萬之多。

5 結(jié)語

黑岱溝露天煤礦目前作為我國乃至亞洲首個成功應(yīng)用吊斗鏟倒堆剝離工藝的礦山，采用的先進(jìn)開采工藝和設(shè)備都將對煤炭行業(yè)開采有著引領(lǐng)和示范作用。對吊斗鏟受氣候溫度影響設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行進(jìn)行了分析研究，并給出了對策措施，給企業(yè)帶來直接的經(jīng)濟(jì)效益，同時，卡車的使用量大幅降低，揚(yáng)塵及汽車尾氣排放量顯著減少，使吊斗鏟節(jié)能減排的效果更加凸顯，為我國煤炭行業(yè)綠色開采提供了有效的開采方案，推動行業(yè)技術(shù)進(jìn)步。