露天礦單斗-卡車間斷工藝自卸卡車數量計算研究

陳 毓，張 洪

（1.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122；3.中煤科工集團沈陽設計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110015）

在露天礦設計與實踐中，單斗-卡車間斷工藝由于機動靈活，建設速度快，適應性強等優點，在國內外露天礦山得到廣泛應用[1-2]。而采裝設備和運輸設備的合理匹配及設備能效的發揮是確定工藝合理性的重要指標。就單斗-卡車工藝中自卸卡車（以下簡稱卡車）數量的計算方法、主要參數的確定和臺年能力進行研究。

1 挖掘機與卡車數量匹配及卡車生產能力

國內大型或特大型露天礦的生產規模與單斗卡車設備系列[3]情況見表1。

表1 礦山規模與單斗卡車設備系列

裝車勺數的合理范圍應為3～8 勺，當運距L<1.0 km 時為3 勺；L>4.0 km 時為8 勺；1.0 km

從表1 可知，隨著采剝總量增加，采裝設備斗容和運輸設備載重噸位呈上升趨勢，但是隨著綜合開采工藝在露天礦的應用，單斗-卡車工藝承擔不同比例的剝離量。

卡車生產能力確定一般分為類比法、作業條件法和模擬法，其中模擬法應用廣泛，主要按已確定的采裝和運輸2 個方面的設備類型條件，來確定運輸設備的生產能力。模擬的變量涉及露天礦煤礦剝離量、裝車和卸車點、裝車、卸載、運輸、等待時間、運輸縱斷面條件、運行速度、車鏟匹配等變量，涉及變量參數較多通常需要使用專業軟件完成。

2 卡車數量計算相關公式

我國在計算卡車數量時，一般卡車臺班運輸能力可按如下公式[5]計算。

式中：Ab為臺班運輸能力，萬t/班；G 為額定載重量，t；Tz 為周轉時間，min；K1為載重利用系數；K2為工時利用系數。

式中：Qx為有效載重量，t；Qe額定載重量，t；M為挖掘機裝載卡車斗數；ρ 為礦巖密度，t/m3；Kh為鏟斗滿斗系數；Kp為礦巖松散系數。

式中：Tz為周轉時間，min；tzc為裝車時間，min；txz為走行時間，min；txc為卸車時間，min；ttd為調車時間，min；ttc為臨時停車時間，min。

式中：tzc為挖掘機裝滿1 輛卡車時間，min；txh為挖掘機作業循環時間，min；M 為挖掘機裝載卡車斗數；trh為卡車入換時間，s。

式中：txh為挖掘機作業循環時間，min，回轉角度為120°；ρ 為礦巖密度，t/m3；E 為挖掘機鏟斗標準容積，m3。

式中：Txz為行走時間（往返），min；Vy為平均運行速度，km/h；L 為平均運輸距離，km。

式中：Vy為平均運行速度，km/h；V1為重車方向卡車平均速度，km/h；V2為空車方向卡車平均速度，km/h；β 為行程利用系數，一般0.3～0.5，當道路、卡車、管理條件較好時取0.3。

式中：An為卡車臺年能力，萬t/a；Ab為卡車臺班能力，萬t/班；η 為日工作班數；Nr為年工作日數，d;TN為年有效作業小時數，h。

式中：N 為數量，臺；Mz為露天礦年運輸總量，萬t/a；K3為運輸不均勻系數（煤炭系統不考慮此系數）；Anj為卡車臺年平均在籍運輸能力，萬t/a。

式中：Anb為卡車臺班運輸能力，萬t/班；G 為卡車額定載重量，t；Tz為每班作業時間，h；C 為每日工作班數；H 為工作小時數，h。

式中：Vx為卡車車箱有效容積，m3；Vp為卡車車箱平裝容積，m3；Vg為卡車車箱前后及側面形成的死角容積，m3；Vd為卡車平裝容積擴除死角容積后的頂面以上形成堆尖容積，m3。

4 卡車數量計算依據

1）載重利用系數。卡車載重利用系數一個十分重要的指標，是指卡車有效載重量與卡車額定載重量之比，與道路工況、礦巖密度、卡車車箱容積和挖掘機鏟斗容積等因素有關。為了充分發揮自卸卡車的運輸能力，減少卡車臺數，應盡量提高卡車的載重利用系數，礦、巖運輸設備載重利用系數一般不小于0.90、0.95，在困難條件下可取0.80，堅硬巖石取上限，松軟巖石及土層具中，煤取下限。國內現有大型露天煤礦在物料密度為2.0 t/m3，松散系數為1.25情況下，大型卡車（108 t、154 t、177 t、220 t）載重利用系數均能達到90%以上[6-7]。

2）裝車時間。裝車時間是指挖掘機裝滿卡車箱斗物料時間，其主要與挖掘機作業循環時間、卡車規格（裝載勺數）、礦巖性質、爆破質量及卡車配合作業方式等因素有關。一般挖掘機1 勺循環時間為28～40 s，其與車鏟配合裝車方式關聯密切，如挖掘機裝車回轉角度均在120 °以內，將能有效縮地短裝車循環時間。

3）卸載時間。卡車卸載時間與卡車車型及卸載礦巖性質有關，在一般正常情況下，卸車時間取1 min，但當物料黏車嚴重時或排土場路面松軟時，卸車時間可酌情增加。

4）卡車在卸載點調頭和等待及停留時間。①卡車在1 個運行周期內，在裝載點等待時間、在卸載點調頭時間與挖掘機工作面和卸載工作平臺的布置形式、尺寸大小有關，等待時間包括在裝、卸地點和卡車在沿途耽擱時間；②停留時間包括待裝、卸載及運行中的耽擱時間，隨汽車類型和運距而變化。因影響因素較多，應根據礦山具體情況確定，一般調頭及等待時間取2～3 min。但對卡車車型較大時，道路交叉干擾多和運距較遠的礦山取3～4 min。

5）平均運行車速。露天礦卡車平均車速是指卡車往返于裝載地點至卸載地點所需要的時間（不含停歇時間）除以往返所行使的距離。影響因素主要有卡車動力特性、制動條件、道路條件、路面的種類以及移動或固定線長度比例等，一般情況下，上坡運行速度是受卡車動力特性的限制，下坡運行速度受安全運行條件限制。卡車計算平均行車速度應根據路況、運距及卡車牽引力特性確定[6]，卡車計算平均行車速度見表2。

表2 卡車計算平均行車速度

6）卡車箱斗容積和卡車比容量。卡車箱斗容積分為平裝和堆裝2 種，卡車車箱理論容積計算標準如圖1。卡車比容量是指卡車額定載重量與車箱平裝容積之比，反應卡車載重和容積的利用情況與裝載物料重量的關系，一般情況下，卡車比容量與礦巖松散體容重相適應，如比容量偏大，即卡車容積偏小，限制了卡車有效載重，反之則卡車箱斗容積不能充分利用并容易超載。

圖1 卡車車箱理論容積計算標準

7）年有效作業時間。卡車年有效作業時間可根據礦山地質條件、氣候、檢修制度和機修設施、運輸系統條件等確定。正常條件下，剝離和煤運輸卡車的年有效作業時間分別不宜低于4 600 h 和4 400 h。國內外露天礦卡車運輸有效作業時間計算方法主要有框圖法和推算法。①框圖法是將日歷時間分為計劃外影響和計劃內總時間，計劃內時間可劃分為停機延誤、生產延誤和有效運轉時間；②推算法是全年日歷日時間減去各項影響時間得出有效運行時間，然后乘以時間利用系數得出有效作業時間。卡車年有效作業時間流程如圖2。

圖2 卡車年有效作業時間流程

5 實例分析

巴基斯坦塔爾煤田一區塊露天煤礦建設規模為7.80 Mt/a，剝離采用單斗-卡車開采工藝，采煤采用單斗-卡車-可移動式破碎站半連續開采工藝，露天礦為坑口電廠的“燃料車間”，是真正意義上的“煤電一體化”企業。剝離采裝設備為7 m3液壓單斗挖掘機（以下簡稱反鏟），運輸設備為載重60 t 的卡車。

依據上述卡車生產能力公式、主要計算相關參數，結合一區塊露天礦具體位置煤巖賦存特性，對載重60 t 卡車生產能力中的主要計算參數進行優化確定。

1）卡車載重利用系數。根據已知一區塊露天礦的第四系沙土賦存情況、密度以及設計推薦的7 m3反鏟裝載60 t 卡車，通過連續試算，7 m3反鏟5.4 勺裝滿60 t 卡車，為充分發揮反鏟的臺年能力（取5.4勺也是6 次循環時間），設計取值為5 勺，對應卡車載重利用系數為0.92。最終確定采購反鏟斗容為7.5 m3，計算5.04 勺，取值為5 勺，對應卡車載重利用系數為0.99。

2）裝車時間。設計考慮通過提升現場管理，完善優化反鏟裝車程序，將反鏟裝車回轉角度控制在120 °以內，裝車時間確定為34 s。經相鄰區塊露天礦實際生產情況調研，反鏟循環時間為30～35 s，如加強現場管理，將反鏟裝車回轉角度控制在90 °以內，則循環時間為30～32 s。

3）卡車卸載時間及等待時間。由于第四系沙土層松軟，確定卸載時間為1.5 min。根據本區塊露天礦工況，確定調頭、等待時間均為1.5 min。

4）平均行車速度。可研中考慮第四系山沙土影響卡車通行條件，并設計采用主要剝離干道進行碎石換填，將露天礦設計規范中3.5 km 運距下的卡車運輸降低為22 km/h。經調研相鄰區塊開車行車速度情況，在采用采場下部硬巖換填的基礎上，實測重車上坡車速10～11 km/h，空車下坡速度最快為35～40 km/h，進一步驗證了露天礦內最高限行車速度應根據系統中最不利的運輸條件和車輛牽引特性確定，得出運距在3.0 km 前提下，加權運速為18～19 km/h。因此，后續設計中將3.5 km 運距條件下的卡車運速再次因地制宜地降低為18～19 km/h。平均行車速度對計算的卡車數量影響較大，設計中的及時調整，將降低礦建工程運輸設備不足的風險[7]。

5）卡車箱斗容積。卡車箱斗容積一般由設備廠家給出，設計時根據具體裝載物料容重進行核實計算，本項目確定2∶1 堆裝體積為34 m3。

6）卡車年有效作業時間。卡車年有效作業時間為4 558 h，設計取值為4 500 h，其中未考慮用餐時間，主要是通過現場管理，用餐后交接班，以減少交接班時間。另外法定假日，考慮本項目為“煤電一體化”項目，煤礦為電廠的燃料車間，現場實際管理可能是工人輪休，設備不停；單斗-卡車開采工藝受大風、高溫影響相對較小；本項目設備有專業維保隊伍，在備品備件供應及時條件下，能提高維修保養水平；提高礦山管理水平等因素，露天礦卡車作業的年有效工作小時數可提升至5 000 h。結合一區塊露天礦煤巖賦存情況，卡車數量計算主要參數對比見表3。

表3 卡車數量計算主要參數對比

7）卡車數量計算。根據表4 中已確定的主要技術參數數值，以礦建第1 年卡車數量計算為例，剝離總量9 010 萬m3，運距為3.2 km，反鏟斗容為7 m3（招標后確定斗容為7.5 m3），物料實方密度2.09 t/m3，卡車載重為60 t，2：1 堆裝體積為34 m3。計算設計和優化參數后的卡車臺年能力分別為26 萬m3/a和31.30 萬m3/a。

6 結語

露天煤礦設計中，設備能力計算的準確性是關鍵一環。介紹了自卸卡車生產能力確定的方法、相關計算公式以及卡車數量計算中主要計算參數的確定，以塔爾煤田一區塊露天煤礦卡車數量計算為例，因地制宜的優化年有效作業時間、卡車載重利用系數、平均運行車速等主要計算參數，達到提升卡車臺年能力、降低采購設備數量的目的。