露天礦雙能源卡車運輸技術現狀及發展趨勢

王忠鑫，趙丹丹，趙 明，王金金，曾祥玉

（1.中煤科工集團沈陽設計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110015；2.煤炭科學研究總院 沈陽露天采礦技術研究分院，遼寧 沈陽 110015；3.遼寧力康職業衛生與安全技術咨詢服務有限公司，遼寧 沈陽 110000）

在露天開采工藝系統穿孔、爆破、采裝、運輸、卸載等5 大環節中，礦巖運輸是最重要的環節之一，運輸成本一般占露天礦生產總成本的50%～60%[1]，部分露天礦的運輸成本在露天礦生產總成本中的比例甚至已經超過了60%[2-4]。因此，露天開采運輸技術的研究一直是國內外露天采礦領域的重點研究課題。露天礦常用的運輸方式有卡車運輸和帶式輸送機運輸2 種，還有水力運輸、爆破拋擲、倒堆等方式。由于卡車運輸具有機動靈活、工況適應性強、運輸系統建設周期短等特點，一直以來是我國露天礦運輸的主導方式，每年由卡車完成的礦巖運輸量約占全國露天礦采剝總量的85%以上。

雙能源卡車最早出現在美國的一家水泥公司，由于1956 年的蘇伊士運河危機，全球石油供應量突然減少了10%，導致美國石油價格暴漲，柴油價格也隨之上漲，為了應對高昂的柴油價格，降低運輸成本，該公司將載重30 t 的機械傳動自卸卡車改造為架線式運輸卡車，由此開創了雙能源卡車應用的先河[5]。20 世紀70—80 年代，美國、加拿大和南非等國的一些金屬礦和煤礦也相繼對傳統的燃油卡車進行改造，并將其應用于露天礦運輸，當時，由于技術和改造成本的限制，雙能源卡車并未實現大范圍的推廣應用。

1 技術研究現狀

1.1 架線輔助系統設計技術

1）David M.Lake 等[6]（1982）、R.Laing[7]（1983）、楊棣等[8]（1999）分析了柴油持續價格上漲和供應的不可靠性對露天礦生產的約束，提出了解決該問題的一個途徑是柴油電動輪卡車采用架線供電。架線輔助系統主要的設計技術要求：①卡車坡道的最大有效坡度為10%；②在重載運行期間最小的架線車速為10 km/h；③路面與架空導線之間的高度差為±0.5 m；④卡車允許偏離架線中心線的距離為1.0 m；⑤曲率半徑須在容許的偏離距離之內，允許最小車速為10 km/h；⑥不允許在急轉彎段設置架空線路。

2）周也寧[9]（1994）和文世蕓[5]（1996）先后研究了架線輔助系統的架空電源線路、車載集電器和輔助電氣系統等各構成要素的工作原理，凝練提出了架線輔助系統的適用條件：①物料需要從低處向高處運輸；②電力和燃油的單價處于合理比值；③主要適用于深凹露天礦開采；④架線斜坡道是露天礦卡車運輸的主要通道，并在較長的時期內不須移設。

3）架線輔助系統在設計過程中需遵循的基本原則：①架線輔助雙能源卡車和柴油單動力卡車因運行速度不同，不得同時在同一線路上運行，須為2 種車型單獨設置專用線路；②同一坡道運輸線路，從坑底到地面的坡度要保持一致；③運輸線路路面與架空線的距離變化不能超過±3%，以保證集電器正常工作，并達到預期使用壽命；④架空線路不得設計在其他采礦設備經過的線路上；⑤架空線路必須是半永久性的（相對固定）；⑥架空線路不可急轉彎，轉彎半徑必須大于100 m；⑦架空線路的出入口必須設置在水平段路段上；⑧架空線路不可靠近采場爆破區域。

4）王忠鑫等[10]（2020）在前人提出的設計原則和技術要求基礎上，提出了卡車重載上坡過程的力學關系模型，卡車重載上坡力學關系模型如圖1；研究揭示了雙能源卡車在架線坡道上的速度變化規律，卡車在架線坡道上的速度變化規律如圖2，研究結果顯示：雙能源卡車為上坡減速過程，傳統卡車為"上坡減速-平路加速-坡減速" 的循環過程。單個坡道內雙能源卡車上坡速度降低慢，上坡平均速度24.43 km/h，相比傳統卡車平均速度15.86 km/h，增加了54.04%，運輸效率遠高于傳統卡車；分別建立了凸形豎曲線、凹形豎曲線及平面曲線的道路曲線方程，提出了各類曲線道路參數的設計優化模型及計算方法。

圖1 卡車重載上坡力學關系模型

圖2 卡車在架線坡道上的速度變化規律

1.2 雙能源卡車適應性評價技術

S 弗利曼等[11]（1995）研究了澳大利亞某大型露天礦采用架線輔助運輸系統的可行性，確定了該礦山可以采用架線輔助運輸系統時的特定條件是柴油價格與電價比值大于6。還研究了油價、電價、投資額、折現率、卡車利用率以及資金回收率等因素對采用架線輔助運輸系統后工程凈現值的敏感性，研究結果表明：柴油的價格對工程凈現值的影響最明顯，其它因素不變，其價格每上漲10%，工程凈現值相應增加50%；其次，影響最大的因素是電價，其值每變化10%，工程凈現值就變化30%。王忠鑫等[12]（2019）針對油-電雙能源卡車在露天礦的適用性評價難題，分析了構成運輸成本的要素，建立了各要素成本的計算方法，構建了考慮環境成本的露天礦油-電雙能源卡車適用性通用評價模型。評價原理是根據其運行成本Cs與傳統卡車運行成本Ck的差值△C 來確定，當△C≤0 時，則表明雙能源卡車在該礦山是適用的，當△C＞0 時，則表明雙能源卡車在該礦山是不適用的。

以某露天礦為例進行了實證研究，結果表明，采用雙能源卡車高效運輸系統后總能源消耗費用降幅為58.5%，環境成本降幅為73.97%，總成本降幅達15.40%，經濟和環境效益均十分顯著，雙能源卡車在該露天礦是適用的。敏感性分析結果表明，雙能源卡車運輸成本對爬坡運距占比和油價較敏感。

1.3 應用研究及效果預測

B J 沃斯特[13]（1986）對南非錫興鐵礦應用架線輔助系統進行礦巖運輸的可行性進行研究，研究結果表明，該系統在技術上是可行的，在經濟上是合理的，預計錫興鐵礦在應用該系統后，現金流轉貼現收益超過50%，10 年內柴油消耗將減少1.2 億L。西羅特金等[14]（1992）研究了穆龍陶露天礦采用架線汽車運輸礦巖的方案，并預測了使用后的技術經濟指標。段家典[15]（1992）研究了載重100 t 級自卸卡車的牽引特性。

T Taylor 等[16]（1998）以美國內華達州Barrick 公司Goldstrike 礦運輸系統為研究對象，闡述了架線輔助運輸系統的工作狀態，分析了架線輔助運輸系統能夠給礦山帶來的經濟和社會效益，從運輸汽車的改造、架線安裝和架線直流變電站3 個方面研究了將原有的設備運輸系統改造成架線輔助運輸系統的技術路線。段文權等[17]（2008）對露天礦的幾種基本運輸方式進行介紹，并根據南非某礦的實際開采條件，初步確定了該礦采用單一汽車運輸方式；介紹了柴油-架線雙能源汽車運輸的特點，通過對普通電動輪卡車與柴油-架線雙能源汽車進行技術經濟比較，確定了在南非某礦使用雙能源汽車運輸的可行性與優越性。鐘志波等[18]（2008）對卡車架線輔助供電系統進行介紹，分析了優缺點，并對其在南非、北美等一些露天礦進行礦巖運輸時的情況進行分析，闡述了卡車架線輔助供電系統的建設條件，并對其在寶日希勒露天礦的應用情況和實施方案進行了詳細的分析，對寶日希勒露天礦應用卡車架線輔助供電系統的效益進行預測。丁新啟等[19]（2014）在分析安家嶺露天礦柴油-電動輪卡車在過背斜期間因卡車運距和提升高度的急劇增加導致運輸能力下降、運輸成本增加的基礎上，結合架線輔助雙動力卡車的運輸特點，論證了安家嶺露天礦在過背斜期間采用架線輔助雙動力卡車進行礦巖運輸的可能性，并得出結論：安家嶺露天礦在過背斜期間采用架線輔助雙動力卡車進行礦巖運輸，不僅可以顯著的提高卡車重載爬坡速度，提高了運輸能力，還實現了重載上坡段以電代油，降低燃油消耗，節約了運輸成本，顯著降低了年運營成本；同時根據架線輔助運輸系統布置要求，對端幫運輸系統進行了合理規劃。王君[20]（2016）以長山壕金礦為工程背景，從技術和經濟層面對架線式電動輪汽車在大型露天礦山的應用情況進行詳細分析，工程應用不僅可提高汽車運輸能力及設備使用壽命，還可顯著降低運輸成本，新增投資返本僅0.72 年，每年生產提高經濟利潤1.05 億元，經濟效益顯著。

2 技術發展趨勢

2.1 架線雙能源卡車運輸系統整體優化理論

從國內外關于雙能源卡車的研究現狀綜述可知，國外關于雙能源卡車的研究起步較早，但發展緩慢，研究成果大多集中在特定礦山的應用試驗或者可行性論證等層面。國內關于雙能源卡車的研究起步稍晚，研究成果大多是關于特定礦山應用情況的分析和前景預測。但雙能源卡車與傳統卡車的工作原理、適用條件和技術要求有著較大的區別，必須根據設備的特點和技術要求布置運輸系統，并與礦山的開采程序、開采工藝、設備配置以及排土規劃等主要露天礦設計要素相結合，進行整體優化。重點從系統角度研究雙能源卡車高效運輸系統的設計理論體系入手，進而解決雙能源卡車高效運輸系統與其它工藝系統的配合及綜合優化等問題，形成了離散、非線性現金流條件下的大型露天礦雙能源卡車高效運輸系統整體優化方法，使雙能源卡車的優勢得以充分發揮，實現“降本增效、低碳環?！钡哪繕?。

2.2 急傾斜露天礦架線卡車道路設計技術

我國新疆、青海、內蒙古烏海、云貴等地區分布有大量開采急傾斜煤層的中小型露天礦，受到開采條件和煤層賦存條件的限制，這些露天礦普遍采用沿著煤層露頭拉溝綜采的開采方式，首采分區無法實現內排，開拓運輸系統采用卡車固定直進式坑線布置方式。剝離和采煤工程卡車大部分時間均處于重車上坡的狀態。露天礦卡車固定爬坡坑線長度占卡車總運距的比例約為73%。上述場景符合架線雙能源卡車應用的基本條件，具有很大的推廣應用空間。應針對該類應用場景下卡車道路的設計方法、關鍵參數優化、道路延深、采區接續時的道路移設等關鍵技術問題，開展深入研究。

2.3 中小型架線礦用卡車裝備研發

目前，國內外試驗和應用的架線礦用卡車基本均為100 t 級載重以上的重型電動輪卡車，對其線控系統進行改造后加以應用。主要存在以下問題：①大噸位重型卡車在我國中小型露天礦應用較少，主要原因是中小型露天礦的采剝工程量規模、采場空間、開采條件等不能適應大型礦用卡車的運行技術要求，因此，該技術難以在國內推廣應用；②中小型露天礦廣泛采用載重30～70 t 的礦用寬體自卸卡車，設備造價低、性價比較高、初期投資小、機動靈活、對空間、開采條件、氣候、維修保障等的要求較低，但目前尚無該類礦用卡車的架線式產品。雖然已經有關于純電動礦用卡車的試制產品，但在電池續航能力、快速充電、設備重量等多方面技術難題尚未突破，難以形成可靠裝備用于露天礦的生產場景。因此，目前來看最具可操作性的途徑是根據礦山企業的實際需求，研發中小型架線礦用卡車，預期可在我國開采急傾斜煤層的中小型露天礦得到推廣應用。

3 結語

目前，我國正在設計和建設的10 Mt/a 以上規模的大型特大型露天煤礦有50 多座，平均開采深度130 m，卡車的坑內平均運輸距離2.2 km，加上地面運距，早已超過了卡車的經濟合理運距。且我國大多數大型冶金露天礦山已進入了中后期開采，現有的20 余座大型冶金露天礦山中，已有17 座露天礦山由山坡開采轉入凹陷開采，最大凹陷開采深度已經達到400 m。進入深部開采后，卡車運輸距離加長，重載上坡運距增加，運輸效率降低，運輸成本增加，導致生產成本急劇上升，經濟效益迅速下滑。架線雙能源卡車解決了傳統卡車重車上坡過程中速度低、爬坡能力小、安全性差、燃油消耗量大等系列問題，具有一定的技術和經濟優勢，特別是在開采急傾斜煤層的露天礦，其優勢更加明顯。