拉鏟倒堆工藝采掘帶寬度優化研究

白潤才 孫 磊 吳東海 王 強

(遼寧工程技術大學礦業工程學院，遼寧 阜新 123000)

拉鏟倒堆工藝采掘帶寬度優化研究

白潤才 孫 磊 吳東海 王 強

(遼寧工程技術大學礦業工程學院，遼寧 阜新 123000)

拉鏟倒堆工藝是一種先進的露天開采工藝，它集采掘、運輸與排土3項作業于一體，如果地質和生產條件允許使用拉鏟，則拉鏟倒堆工藝優于其他挖掘和運輸系統。針對拉鏟倒堆剝離工藝，以拉鏟作業工作量最大化為原則，進行采掘帶寬度優化。采掘帶寬度主要與拉鏟的回轉角度有關，以此來建立采掘帶寬度與工作總時間的函數關系。通過對該函數的分析，確定合理的采掘帶寬度為40～60 m。同時，為了達到較好的拋擲爆破效果，并參考國內外的經驗，最終選取采掘帶寬度為40 m。

拉鏟倒堆工藝 采掘帶寬度 回轉角 工作總時間

露天礦采用拉鏟倒堆剝離是一種先進的開采工藝，如果地質和生產條件允許使用拉鏟，則拉鏟無運輸倒堆工藝優于其他挖掘和運輸系統[1]。其優點如下：直接排棄挖掘的物料，無需運輸設備和排土設備，減少了生產環節，有利于提高工藝系統的可靠性等。而拉鏟作為一種露天采掘設備，其生產能力是露天礦的重要技術經濟指標，影響著礦山的生產能力和經濟效益，為了使礦山達到較好的經濟效益，就必須對拉鏟的工作面參數進行確定，而采掘帶寬度是拉鏟生產工作面規格中必須首先確定的技術參數[2]。

拉鏟工作總時間包括拉鏟剝離循環作業時間和拉鏟的走行時間，拉鏟倒堆工藝的挖掘1次循環作業時間包括鏟斗在工作面的拉挖滿斗提升、鏟斗回轉、鏟斗卸載、卸載后的反轉和下放鏟斗對準工作面的下一拉挖位置等的全部時間[3]。在剝離物料量不變的前提下，拉鏟總工作時間的少許改善，將對拉鏟的總效能產生很大影響。通過理論分析，可以得出拉鏟剝離循環作業時間與挖掘機回轉角之間的函數關系，拉鏟回轉角計算采掘帶寬度的方法和采掘帶寬度與拉鏟走行時間之間的函數關系，由此可以建立拉鏟工作總時間與采掘帶之間的函數關系，通過函數分析，即可得出保證拉鏟生產能力最大發揮的采掘帶寬度[4]。

1 問題分析

拉鏟倒堆工藝如圖1所示。

拉鏟的采掘帶寬度的優化主要考慮兩方面因素的影響：一方面拉鏟采裝的回轉時間隨回轉角的增加而加大，單個采裝循環的作業時間加長；另一方面單位時間內采掘設備的走行時間隨采掘帶寬度的增加而減少。拉鏟的采掘帶寬度優化的目標是拉鏟單位時間內的作業量最大或采掘單位工程量所用時間最短[5]。

圖1 拉鏟倒堆工藝

拉鏟倒堆工藝工作面如圖2所示。

圖2 采掘帶寬度計算示意

采掘帶寬度A按下式計算[6]：

A=Rw(sinα+sinβ),

(1)

式中，α為懸臂中心線相對于拉鏟中心線向臺階內側的內回轉角度，(°)；β為懸臂中心線相對于拉鏟中心線向采空區一側的外回轉角度，(°)；Rw為拉鏟的最大挖掘半徑，m。

根據單斗挖掘機的使用經驗，拉鏟的回轉時間和回轉角度成正比，拉鏟的最大回轉角為α+90°，拉鏟最小回轉角為90°-β，所以拉鏟的平均回轉角度為(180°+α-β)/2，所以拉鏟作業的平均1次循環時間可由下式計算：

(2)

式中，tq為拉鏟作業循環時間中與回轉角度無關的部分，包括挖掘時間、卸載時間等，s；k為拉鏟的回轉速度，(°)/s。

拉鏟走行占用一定的作業時間，以剝離單位物料所需的時間最短作為采掘帶寬度優化的標準。

拉鏟工作總時間

ts=tc+tz.

(3)

拉鏟剝離循環作業時間

(4)

拉鏟走行時間

(5)

式中，Q為預計剝離的物料量，m3；V為拉鏟鏟斗容積，m3；h為臺階高度,m；kh為滿斗系數；v為拉鏟走行速度，m/s。

因此

(6)

拉鏟的外回轉角應滿足倒堆排土的要求，即

Rwsinβ≤Rx-d,

(7)

(8)

式中，Rx為拉鏟的最大卸載半徑，m；d為拉鏟中心到臺階坡頂線的安全距離，m。

由此可確定拉鏟的外回轉角的上限，通過單斗挖掘機—汽車工藝的經驗，可以選取一個確定的外回轉角度值。

結合式(1)可以得到

(9)

通過分析工作總時間與采掘帶寬度的函數關系，可以初步確定合理的采掘帶寬度的范圍。同時，資料證明，在確定的炸藥單耗、排除間隔時間的條件下,影響拋擲量的主要因素是炮孔深度與采寬之比。炮孔深度與采寬的比值與拋擲量成正比[7]。因此在一定的臺階高度條件下，采掘帶寬度與拋擲量成反比。因此為了達到較好的拋擲爆破效果，可以確定合理的采掘帶寬度。炮孔深度與采寬的比值與拋擲量的關系如圖3所示。

圖3 拋擲率與炮孔深度/采寬的關系

2 實例研究

某礦采用拉鏟倒堆剝離工藝進行剝離作業，優化所需的參數見表1和表2。

根據上述參數計算拉鏟作業平均循環時間，為了方便計算和表達，將所求時間單位統一換算為h，得

表1 拉鏟參數

表2 工藝參數

(10)

則當剝離物料量Q為10萬m3時，所需的時間計算如下。

(1)剝離時間

(11)

(2)拉鏟走行時間

(12)

(3)總時間

(13)

結合式(1)即

A=Rw(sinα+sinβ)=

110×(sinα+sin45°)，

可得

(14)

根據公式計算外回轉角的上限為

(15)

參考單斗電鏟—卡車工藝的經驗，取外回轉角為45°。由此得到一個ts=f(A)的函數，可以通過此函數得到圖4的關系曲線。

圖4 工作總時間與采掘帶寬度的函數關系

通過圖4可得當采掘帶寬度為40～60 m時，所用的總時間較小，拉鏟的效率最高。又因為在一定的臺階高度條件下，采掘帶寬度與拋擲量成反比，因此選擇采掘帶寬度40 m。參考國外經驗，實踐中h/A一般介于0.7～1.0之間，隨著倒堆剝離在厚剝離物中的應用，h/A值有增大趨勢，本研究中，h/A=45/40=1.125可以充分發揮拋擲爆破的作用[8]，同時使拉鏟的能力最大化，符合經驗要求。

3 結 論

(1)根據拉鏟的工作特點，以拉鏟作業能力最大化為目標,以拉鏟采裝回轉角度為自變量，進行采掘帶優化。

(2)通過優化研究，給出了采掘帶寬度與剝離總時間的函數關系，通過計算機作圖，分析該函數曲線，得出了最優采掘帶寬度。

(3)該模型的優化結果不但可以使拉鏟的能力最大化，還可以充分發揮拋擲爆破的作用，符合經驗要求。

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(責任編輯 石海林)

OptimizationoftheCutWidthinDraglineStrippingSystem

Bai Runcai Sun Lei Wu Donghai Wang Qiang

(CollegeofMiningEngineering,LiaoningTechnologyUniversity，Funxin123000，China)

Dragline stripping technology is an advanced open-pit mining method which integrates mining，transport and dumping.If the geological condition and the production status fit for the dragline，the dragline stripping system is better than other digging and transporting system.In view of the dragline stripping technology，and in the principle of aiming at the maximum production，the cut width is optimized.The width of a mining panel is closely related to the swing of the shovel during working.Based on this，the functional relationship between the cut width and the total working time is established.By the analysis of the function，the rational cut width is determined as the value from 40 to 60 m.At the same time，in order to obtain good effect of the throw blasting and with reference for domestic and abroad experience，the final cut width is selected as 40 m.

Dragline stripping system，Cut width，The swing of the shovel，The total working time

2014-09-20

白潤才(1961—)，男，教授，博士研究生導師。

TD824

A

1001-1250(2014)-12-049-04