采場爆破塊度分布對鏟裝運輸工藝能耗影響

王鳳林　陳　超　李洪寶　李　鵬

(1.華北理工大學礦業工程學院；2.河北省礦業開發與安全技術實驗室；3.河北鋼鐵集團礦業有限公司)

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采場爆破塊度分布對鏟裝運輸工藝能耗影響

王鳳林1,2,3陳超1,2李洪寶1,2李鵬1,2

(1.華北理工大學礦業工程學院；2.河北省礦業開發與安全技術實驗室；3.河北鋼鐵集團礦業有限公司)

摘要在資源開采的過程中，由于開采的主體工序能耗分配不合理、設備的能量利用率較低等原因導致礦山企業能耗過高。為此，以司家營礦山露天坑爆破塊度為研究對象，進行二維矢量化分析處理，統計并分析采場爆破塊度分布的規律，研究爆堆巖體的塊度分布對于鏟裝、運輸作業中能耗分布規律的影響。統計分析表明，爆堆塊度對露天機械能耗的影響近似符合線性規律，塊度越大，鏟裝和運輸能耗越高，鏟裝和運輸工作條件對工序能耗分布差異有較大影響。

關鍵詞爆破塊度大塊率鏟運能耗

司家營鐵礦位于河北省灤縣東南，是冀東地區特大型露天鐵礦之一，設計年產鐵礦石1 500萬t。其露天采場面積大、地質條件復雜，礦石品位和物理特性變化較大，采礦工序技術管理工作量大，尤其是鏟裝和運輸功耗的波動較大[1]。鏟裝運輸系統是露天礦山生產的動脈，設備投資比例往往超過50%，能耗占比甚至超過60%。鏟裝運輸系統的改進是礦山節能優化的重點，尤其是對于深凹陷露天礦山，鏟裝運輸成本是控制采礦成本的重要環節。根據不同礦山的礦石賦存條件和開采技術條件，合理優化開采工藝，降低采礦工序能耗，可為礦山節約20%～30%的能源消耗，顯著降低礦山開采成本。分析統計表明，采場爆破塊度是影響露天采場鏟裝運輸過程能耗的主要因素，合理控制、優化采場爆破塊度，是提高鏟裝運輸效率、降低鏟裝運輸能耗的重要手段。針對國內冶金礦山采礦工序能耗分配不合理、設備能量利用率較低而導致的能耗過高的現狀，從采礦工序節能的角度，研究司家營鐵礦爆破塊度對后續生產工藝能耗分布規律的影響，構建鏟裝運輸能耗與爆破粒度分布的關系模型，分析爆破塊度分布對鏟裝、運輸工藝能耗的影響。

1爆堆塊度圖像分析

應用MAPGIS對爆堆巖體塊度的圖片進行矢量化處理，進而得到爆堆塊度分布。為確保樣本的可靠性，照片面積不小于完整爆堆面積的15%，并采用平面傾斜照相法(圖1)，將照片導入MAPGIS進行矢量化處理(圖2)，通過標尺的刻度換算實際比例，對圖像進行配準。配準公式為

(1)

式中，x為矯正后實地水平長度，mm；y為矯正后實地垂直長度，mm;A為照片水平長度,mm；B為照片垂直長度,mm；C為標尺圖上單位長度,mm。

圖1 現場爆塊 圖2 矢量化處理的爆塊照片

將配準照片的數值(即目標點的數值)進行修正，替換成標準比例的數據，保持原點數據不變，得到配準后的標準比例照片。將配準后的圖像數據導出，根據巖體體積經驗公式處理數據。

(2)

式中，S為巖塊面積,m2；P為巖塊周長，m；D為巖塊的篩網尺寸，m；a為最佳橢圓的最大半徑,m；b為最佳橢圓的最小半徑，m；V為巖塊體積,m3。

爆破塊度統計結果見表1。

表1　爆破塊度統計數據

2爆堆大塊率預測模型

2.1影響爆破塊度的因素

2.1.1孔網設計

試驗表明，增加炮孔密集系數m，爆破后塊度分布效果好，其平均塊度明顯減小，同時大塊率降低。一般情況下，m應該在1～2。

2.1.2裝藥結構和堵塞

裝藥越均勻，爆堆塊度越均勻，但常規生產爆破中其對爆破塊度影響不大;堵塞炮孔的爆破效果較好。

2.1.3炮孔直徑及炸藥單耗

研究表明，炮孔直徑與臺階高度之間有著緊密的聯系，在一定合理的范圍內，增加孔徑可以獲得良好的爆破巖體塊度分布，如果孔徑超過一定范圍，會增加大塊率。炸藥單耗對爆破塊度的影響主要體現在平均塊度方面，影響較大的是爆破巖石中塊度為中小粒的顆粒，單純地增減單耗不能減少大塊率。

2.2預測模型建立

將巖體塊度大于ymax的視作大塊，采用KUZ-RAM模型分析爆破參數與爆堆塊度分布的函數關系[2-3]。

(1)大塊率：

(3)

式中,YD為大塊率，%；ymax為大塊巖體尺寸，m；x0為特征粒徑值，m；n為塊度均勻性指數。

(2)平均塊度：

(4)

式中，X為平均塊度,m；A為巖石硬度系數，受巖體節理裂隙發育程度影響；Q為單孔裝藥量，kg；V為單孔爆破的巖石體積，m3；E為炸藥相對威力。

(3)塊度均勻性指數：

(5)

式中，n為均勻性指數；w為最小抵抗線，m；d為炮孔直徑，mm；δ為炮孔孔位標準差，一般為0.3～1.0；m為炮孔密集系數；L為裝藥長度，m；H為臺階高度，m。

根據礦山的實際情況，確定巖體塊度大于0.6 m 的巖體為大塊。實驗礦山原巖屬于節理裂隙不發育的硬巖，故取A=14。則爆堆巖體平均塊度X=63.708 mm，塊度均勻性指數n=1.11，爆堆的大塊率為4.37%。

3露天采場鏟運工藝能耗分析

3.1鏟裝能耗分析

采用錄像統計分析研究鏟裝效率和能耗，選擇鏟裝工作開始、中期、末期3個節點，統計結果見表2。

表2　鏟裝裝載時間統計

在鏟裝初期，電鏟裝滿一車所用的次數、總時間和平均時間較小;鏟裝中期裝滿一車所需要的次數明顯增大，總時間提高，工作周期的平均時間相對于初期有顯著增大；末期裝滿一車所用次數再次降低，裝載機工作一周期的平均時間會增大，使得裝滿一車總時間增大。

影響一次采裝循環時間的因素主要是回轉角度和大塊率。當工作面離卸料口距離較遠，使得回轉角度較大，增加了采掘工作時間；大塊率高，剔除大塊額外消耗時間，降低了工作效率。在鏟裝初期，大塊少、回轉角度小，裝滿一車所用的次數、總時間和平均時間都較小。在鏟裝末期，回轉角度逐漸增大，同時大塊增多，導致裝載平均時間增大。

3.2運輸能耗分析

爆破塊度對運輸油耗的影響隨運距有明顯變化,見圖3?？梢钥闯?汽車單位運距油耗總體上在15～20 L/km波動。采場內爆堆塊度越小，裝載效率越高，裝滿一車所用的時間越少，在一個班的時間內，汽車運輸次數越多，運距也越長，單位運距油耗越低。運距短，待裝時間油耗相對占比較大，單位距離油耗波動較大；運距長，待裝時間油耗相對占比較小，單位距離油耗反而較為穩定。

圖3　不同爆破塊度條件下單位運距油耗變化

運輸工況條件對運輸能耗的影響較大，見表3。紅礦因單位體積礦石質量大，油耗略微增加。汽車白班、中班和夜班的單位運距油耗，依次遞減，幅度較大。在中班和夜班，尤其夜班，汽車在采場的運輸干擾小，運輸能耗低。

表3　不同工況條件單位距離油耗平均值的變化

4結論

以司家營鐵礦露天開采為工程實例，通過統計露天爆堆的塊度分布規律，并對其大塊率進行建模預測，與實際爆堆塊度分布較接近。在不同爆堆條件下采用錄像統計分析研究鏟裝效率和能耗關系，分析了汽車運輸距離工況條件與能耗的關系，得出相關結論：

(1)由KUZ-RAM模型求得爆堆巖體平均塊度X=63.708 mm,塊度均勻性指數n=1.11,爆堆實際大塊率為4.37%。

(2)影響一次采裝循環時間的因素主要是回轉角度和大塊率。當工作面離卸料口距離較遠，使得回轉角度較大，鏟斗作業時回轉速度一定，回轉時間增加，增加采掘工作時間；大塊率高，電鏟鏟裝效率降低，能耗增加。

(3)汽車單位運距油耗在15～20 L/km波動，運距越短，爆破塊度對單位油耗的影響越大;爆破塊度小，單位運輸能耗減少；運輸工況對能耗影響也較大。

參考文獻

[1]李欣.司家營鐵礦北區礦體地質與深部找礦的探討[J].金屬礦山,2009(6):113-116.

[2]張云鵬.露天臺階爆破巖石破碎與拋擲的計算機模擬[D].北京：北京科技大學，1994.

[3]李長洪.爆破碎塊分布的分形模型研究及爆破模型優選[J].爆破，1997(2)：9-12.

(收稿日期2016-01-18)

王鳳林(1983—)，男，主任，工程師，063799 河北省唐山市。