黑岱溝露天煤礦吊斗鏟工藝開采參數及典型故障

王 鋒

（國家能源集團準格爾能源有限責任公司 設備維修中心，內蒙古 鄂爾多斯 010300）

國家能源準能集團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鍵設備，由于準格爾地區季節性氣候特別明顯，室內外及設備溫度是影響設備能否正常運行的一項重要因素。吊斗鏟日常的設備故障主要涵蓋機械故障和電氣故障，有針對性總結溫度可能引發的各類故障并研究科學的故障檢修標準，有助于快速處理吊斗鏟各類故障，提高設備的出動率，保障露天礦煤炭開展工藝的有序順利進行，為企業創造更大的經濟效益[1-2]。

吊斗鏟倒堆工藝包含巖層穿孔、拋擲爆破，推土機整平，剝離物倒排和煤層的爆破，采裝運輸、運輸道路的移設等多種工序。各項工序之間相互銜接，在時間和空間上不僅具有周期性，而且存在嚴格的制約關系[3-4]。因此，如何提高吊斗鏟設備的有效作業時間和生產效率，是保障一個采幅內各項工程時間與空間的組織進度能否順利進行關鍵因素。

1 吊斗鏟倒堆工藝開采參數

吊斗鏟的每個采幅都應根據煤層厚度及寬度和年產量經過科學計算和合理的組織安排才能充分發揮吊斗鏟倒堆工藝的科學性，將該工藝的經濟效益最大化。因此，在吊斗鏟鏟開采前各項工藝參數都應嚴格進行推算。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，而礦山產量規模、煤層厚度、煤的密度和工作線推進強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計產能為3 400 萬t/a，采煤工作線長度根據黑岱溝露天礦現有煤層結構取2 200 m。黑岱溝露天煤礦采煤年推進速度Vm為：

式中：Vm為采煤工作線年推進速度，m/a；A 為原煤產量，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輸平盤寬度及安全距離共同構成，因此，吊斗鏟剝離工作線長度為2 309 m，其中，由吊斗鏟單獨作業完成2 187 m，兩端幫各61 m 的運輸道路及安全距離由輔助設配合吊斗鏟完成。

1）倒堆吊斗鏟生產能力計算。吊斗鏟完成的剝離年工程量Qn可根據式（2）計算Vy。

式中：L 為剝離工作線長度，2 187 m；Vy為倒堆臺階年推進強度，m/a；Hy為倒堆臺階高度，45 m；K為拋擲爆破有效拋擲系數，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時間

吊斗鏟單次倒堆作業周期時間與鏟斗容積、巖石硬度、平均回轉角度有關。結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，作業回轉角度平均在90°～150°之間，平均按120°計算。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能力Qh為：

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

吊斗鏟平均每天作業時間Td為19.7 h。根據以上推算結果，吊斗鏟在正常作業時間滿足每天20 h才能達到黑岱溝露天礦的正常生產要求。而實際生產中故障停機經常出現，這就給維修人員提出很高的要求。必須在最短時間內將吊斗鏟修好，吊斗鏟司機每天3 班倒，每班0.5 h 交接班時間；每天點檢時間1 h；周檢時間8 h；每周作業時間142.5 h（按30 d 計算），平均每天作業時間20.4 h。故障允許時間0.7 h。針對故障頻發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PLC 的工作溫度需控制在0～55 ℃范圍內，PLC 設有高、低溫監控傳感器，一旦工作環境的溫度不在0～55 ℃范圍內，系統將無法啟機。因此需要做到夏天散熱，冬天保溫。而準格爾地區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 ℃。而設備內的溫度會比室外溫度高出或低10～30 ℃，夏季吊斗鏟電器柜內最高溫度度能達到60 ℃以上，冬季最低氣溫能達到-30 ℃。因此，在極端氣候條件下吊斗鏟電氣和機械故障明顯增多。加之設備服役年限的加長，設備部分零部件老化嚴重，很容易導致該設備集中性發生不可預測的故障。

吊斗鏟在實際工作中，由于其電氣設備功率較大，在大電流、電壓的作用下，不斷的產生電阻發熱損耗，鐵損發熱。在吊斗鏟滿負荷作業時，電氣設備發熱會極易產生運行故障，因此，在所有吊斗鏟發生的故障中，電氣設備發熱導致的故障占有極大比例。而發熱往往會導致絕緣熱擊穿、導體連接部位的熱變形甚至熔焊，嚴重影響吊斗鏟的正常運行[5-6]。

1）外部故障。吊斗鏟屬于露天作業，工作環境狀況較為復雜、惡劣，這就使得長期暴露的電氣設備線路接頭出現松動，接觸不良，觸點氧化腐蝕，沾有灰塵、壓接不良等問題，從而引起了諸多的電氣故障。電氣設備暴露在惡劣的運行環境下，還好受到很大的沖擊負荷和機械振動等難以避免的特殊情況，就進一步造成了電阻的增大從而造成電氣設備局部過熱，引發故障[7]。

2）內部故障。主要是指那些被密封在金屬外殼內部、絕緣層下或被油液浸泡未暴露在外部環境中的電氣回路故障和絕緣介質劣化引起的各種故障，諸如絕緣老化、破損或脫落故障，主要是因為外部絕緣層因長時間使用而老化、或受到沖擊而破損或因為質量原因而脫落的故障，這些都有可能導致局部過熱而損壞電氣設備。吊斗鏟在酷熱極寒天氣發生AFE 和IGBT 有關故障的概率會明顯增加，結合黑岱溝露天礦的生產實際，吊斗鏟頻繁發生故障會給企業生產造成巨大的經濟損失。

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的操作水平，要求司機做到熟練掌握吊斗鏟各項操作規程，熟悉作業條件和采礦工藝，合理挖掘，鏟斗不宜裝的太滿。從離設備較遠的地方開始挖掘，裝滿鏟斗；提升時，盡可能在接近天輪垂直下方開始。未滿時也應正常進行提升，同轉卸載；盡量減少同轉角度，使挖掘和排卸同轉距離最短；在每個挖掘排棄循環中，都要減少鋼絲繩得收放，這樣既節省了過多收放鋼絲繩時間，又可以減少鋼絲繩相關機構的磨損，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[8]。

2）合理安排檢修，提高檢修質量。嚴格控制到現場時間，沒有特殊情況，碰頭會控制在10 min 之內，班前會控制在10 min 之內；9 點前到達現場；對未按要求到達現場，車間按生產組織考核執行處罰。

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

4）加強點檢、保養質量。每日點檢按點檢單的內容進行檢查，認真檢查并填寫點檢單防止有漏項，點檢按誰點檢，誰負責的原則。白班點檢的項目必須保證晚上不能出現故障，如出現故障按車間機電考核制度執行處罰。保養按保養單的內容進行保養，認真檢查并填寫保養單防止有漏項，保養的項目必須保證一個保養周期內不出現故障，如出現故障按車間機電考核制度執行處罰。定期檢查電氣柜線路，對電氣柜進行除塵，緊固線頭。

5）PLC 的日常維護及故障處理。PLC 的日常維護措施包括定期除塵，確保PLC 工作環境的整潔和衛生；檢查PLC 的工作狀態包括自診斷指示信號、編程器的監控信息及控制系統的運行情況等，并作好相應檢查記錄，發現問題及時處理；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。在作業過程中要特別關注溫度，PLC 的工作溫度需控制在0～55 ℃范圍內，PLC 設有高、低溫監控傳感器，一旦工作環境的溫暖不在0～55 ℃范圍內，吊斗鏟將無法啟機。因此，夏天需要做好散熱，冬天需要做好保溫。

6）加強計劃檢修質量，將各班組每天點檢單發現的問題進行匯總，制定每周周檢檢修計劃，將存在的故障進行集中處理，這樣就縮短了檢修時間。計劃性檢修的項目，必須保證24 h 之內不能出現故障，如出現故障按車間機電考核制度執行處罰。

7）加強夜班工作檢修質量。夜班接到調度電話后，必須30 min 之內到達現場，領取配件等情況除外。夜班檢修人員少，對一些大一點的故障，夜班檢修負責人及時聯系班組長安排人員加班，縮短檢修時間。夜班發生電氣故障超過3 h 未處理好，應及時聯系班組長安排人員加班，縮短檢修時間。

4 提高吊斗鏟運行穩定性創造的經濟效益

根據每天的設備報表可得知吊斗鏟每月的可動率，即1 個月內的實際作業時間的占比，選擇每年平均氣溫最高和最低的月份進行研究。從2013—2019年吊斗鏟7 月份和12 月份的可動率統計表見表1。

表1 吊斗鏟可動率情況統計表

從2013 年開始，針對吊斗鏟在每年的7 月和12 月因極端天氣而導致設備故障頻發的原因進行分析，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，故障發生頻率在逐年減少，并趨于穩定。根據表1 統計數據可得出吊斗鏟每年7 月和12 月的實際作業時間，每月按30 d 計算，吊斗鏟實際作業時間統計表見表2，吊斗鏟系統與單斗卡車系統成本對比見表3。

表2 吊斗鏟實際作業時間統計表

表3 吊斗鏟系統與單斗卡車系統成本對比

吊斗鏟小時生產能力Qh為3 617.9 m3/h，同比每年7 月份和12 月份可多生產產量V0為：

式中：V0為生產產量，m3；Tx為時間，h。

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

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

吊斗鏟增加產量，即為單斗卡車系統減少的產量，根據表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 月份同比可節約成本可根據式5 計算得出：

式中：Y0為成本，萬元；A 為單斗卡車系統成本，元/ m3。

若A 取表3 中單斗卡車系統合計成本16.45元/ m3，則2017 年7 月份同比可以節約成本172.6萬元，2017 年12 月份同比可節約成本130.9 萬元。其它年份同比節約成本也可根據以上計算方式得知，同比節約成本統計表見表4。

表4 同比節約成本統計表

在采取針對性的檢修措施時，能有效縮短檢修時間，提高檢修質量和效率，增加設備可動率。因此，吊斗鏟單臺設備每年7 月份和12 月份可同比節約成本達百萬之多。

5 結語

黑岱溝露天煤礦目前作為我國乃至亞洲首個成功應用吊斗鏟倒堆剝離工藝的礦山，采用的先進開采工藝和設備都將對煤炭行業開采有著引領和示范作用。對吊斗鏟受氣候溫度影響設備穩定運行進行了分析研究，并給出了對策措施，給企業帶來直接的經濟效益，同時，卡車的使用量大幅降低，揚塵及汽車尾氣排放量顯著減少，使吊斗鏟節能減排的效果更加凸顯，為我國煤炭行業綠色開采提供了有效的開采方案，推動行業技術進步。