移动高压线杆在露天矿山中的设计与应用

程林，王超东，吕金辉

（栾川龙宇钼业有限公司，河南洛阳471500）

栾川龙宇钼业有限公司的南泥湖钼（钨）矿区是以钼为主的钼钨特大型矿床。主矿体东西长2 600 m，南北宽1 000～1 500m，最厚处439m，平均厚度128m，为栾川三大钼矿之一［1］。

随着公司的发展，矿山开采工程也在逐渐推进，大型穿孔及铲装设备的用电问题亟待解决。但由于采场台阶变动较快，采场高压供电线路必须随之移动，考虑移动方便和节省人力、财力等现实因素，采场高压用电线路设计为移动线杆供电方式。经过对移动线杆的整体设计、理论校核及线杆选型论证，证实了所设计的高压移动线杆能达到预期的稳定性效果，为后期的高压移动线路架设提供了保障。

1 移动高压线杆的设计

针对南泥湖矿山公司采场的开采状况，开采台阶不断推进，为了实时满足设备作业时的用电需求，高压线路也就必须随之移动。经过大量的分析研究，设计出焊接式的高压移动线杆，主要是由高度12m、外径219mm、壁厚7mm的无缝钢管（带脚蹬），45＃道轨（或工字钢），┕70角钢及少量钢板焊接而成。设计示意图如图1所示：

1.1 移动高压线杆设计高度的技术性分析

矿山目前使用的大型机械设备主要有：北方重汽车股份有限公司生产的TR100工程车、太原重型机械厂生产的WK－10B型电铲、湖南有色重型机器有限公司生产的CS165E型潜孔钻机等。高压电是露天矿山的一个重大危险源［2］，因此，我们在设计移动高压线杆高度时，在遵循经济合理、技术可行的原则下，充分考虑了矿山供电安全问题。其中潜孔钻机在移动时，整个钻机高度小于TR100工程车的高度，故在设计移动线杆高度时主要以TR100工程车和WK－10B型电铲为例进行分析。移动线杆架设的线路包括水平方向的支线和跨越开采台阶的支线。矿山进行开采工作时，工程车需要在水平支线下进行移动，电铲需要在跨越开采台阶的支线下进行移动，具体分析如下：

1.1.1 移动线杆水平架设线路安全性分析

图1 移动高压线杆设计示意图 ／mmFig.1 Design of mobile high－voltage telegraph pole

TR100工程车目前作为矿山主要运矿设备，整个汽车长10.82m，宽5.15m，高4.575m。工程车是以后穿梭于高压线下的最高车辆，由于安全规程规定：10kV高压线竖直方向安全距离要≥1.5 m［3］，这就要求所架高压线最低高度为6.1m。从热胀冷缩角度考虑，架设线路必须留有一定弧垂，100m线垂度约0.8m左右［4］，故高压线最低高度需要6.9m。从安全角度考虑，我们设计线杆高度为12m，此高度能完全满足技术要求。线杆水平架设线路的情况如图2所示：

图2 水平架设线路示意图Fig.2 Sketch map of level erecting poles

1.1.2 跨越开采台阶架设分支线路的安全性分析

WK－10B型电铲是矿山目前使用的体积最大的设备，它和TR100工程车配套使用，主要用来给TR100工程车装矿，它的高度为13.822m。矿山采场工作台阶宽度为60～80m、工作台阶高度为15 m，电铲在平时工作时沿台阶内侧行走、作业。线杆高度选取12m，线杆高度加上台阶高度形成约25 m的高度空间，此高度空间完全能满足电铲安全穿越高压支线进行作业，图3所示为线杆跨越台阶方向架设线路的情况。

综上分析，在考虑到供电安全的前提下，我们设计移动线杆高度定为12m。

图3 跨越台阶架设线路示意图／mmFig.3 Sketch map of spanning bench construction of poles

1.2 移动高压线杆焊接选材的技术性分析

移动线杆上下直径均为219mm，常用脚爬不能满足这种线杆的攀爬需求，因此焊接了脚蹬以便攀爬作业。底座采用4m见方的道轨焊接而成，外廓尺寸是根据线杆的高度设计的（详细论证见1.3），整体稳定性较好。线杆与底座连接处加焊肋板，并用┕70角钢斜撑杆体。底座四个角处加焊了三角钢板形成三角平台，再将斜撑角钢两头适当弯曲分别焊接于三角平台，这样增大了焊接面积，提高了焊接质量，保证了线杆结构的整体稳定。线杆若处在电线较大转角使用且无法打拉线时，可以给转角杆处加上配重块，使线杆在承受多向力的情况下依然稳固。考虑到线杆的整体效果，可利用底座两边的空间和道轨上下宽度差，放置配重块（材质：灰口铸铁HT20—40）。

1.3 移动高压线杆稳定性校核

将高压移动线杆简化后进行受力分析，如图4所示。经分析，电线杆所受合力方向是沿着对角线方向偏移的。由于对角线方向底座所能承受的力最小，为了确保受力校核准确性，对电线杆底座沿对角线的方向进行受力计算。

图中基本尺寸是：AB＝12 000mm；DC＝CE＝ 3 459mm；BC＝2 500mm；DB＝BE＝2 391mm；

∠DCB＝44°。

校核基本公式为：∑X＝0，∑Y＝0，

对高压线杆实例形状及放置方式进行分析，竖直方向电线杆直接焊接在道轨上，而道轨直接放置到地面上，所以竖直方向受力平衡，不需要校核。

图4 受力分析图Fig.4 The graph of force analysis

由B点力矩平衡，即∑MB（F）＝0，有：

校核时取FA最大受力情况进行计算。

作用在A点的力由4部分组成，分别是：电缆的拉力Fd，操作员的重量Fr，电线杆重力沿水平方向的分力Fg和所受的风力Fi。

电缆3.8kg／m，取电缆100m计算，则Fd＝ 3 724N，人员重量取75kg，则当有一人在电线杆上操作时，则Fr＝735N。

电线杆在放置到地面之前均需对地面进行平整，假如平整得不够水平，取最大斜度为15°，则电线杆重力沿水平方向的分力为：

Fg＝440×9.8×sin15°＝1 121.12N

风力包括了两部分，对电线杆的作用力Fi1和对电缆Fi2的作用力。计算时取风级为6级，其压强大小为：

其中：ρ＝1.2258kg／m3，c＝0.7，v＝12m／s。

又F＝P×S，则：风力作用在电线杆上的力：Fi1＝256.1N

风力作用在电缆上的力：Fi2＝1 842.9N

校核时按最大受力情况计算，将作用在A点的力均施加在同一方向，如图3所示。此时有：FA＝Fd＋Fr＋Fg＋Fi1＋Fi2＝7 679.12N

代入公式：FA×AB＝2FDCy×DB

则：FDCy＝FA×AB／（2DB）＝19 270.1N

故：FDC＝FDCy／cos44°＝26 790.1N

查得┕70角钢的屈服强度为355MPa［7］。则角钢实际屈服所需要的最小力Fj为：

由于FDC＝26 790.1N＜＜Fj＝239 625N，则高压线杆能满足支撑强度要求。

而且线杆的B端是焊接在道轨上，且还有钢板、肋板的加固，这就更确保了电线杆的稳定性。

综上校核，移动高压线杆的稳定性达标，满足使用条件。

1.4 线杆壁厚取为7mm的技术性分析

对于细长型管截面Fa根据式3［6］进行计算：

式中：Fa是线杆的法向受力，D是线杆的直径，t是线杆的壁厚，Fy是线杆轴向受力。由1.3节可知：Fa1＝7 679.12N，Fy＝19 270.1N，将Fy＝19 270.1N代入以上公式，对Fa1进行校核，有：

由于Fa＝7 729.2N＞Fa1＝7 679.12N，即就是当线杆承受最大轴向力的情况下，所能承受的最大法向力比理想中加载的最大的法向力还要大。事实上加载的这些力不可能同时存在，实际中线杆所承受的力比校核时加载的力要小的多。

查得线杆所用无缝刚管的屈服强度是355 MPa，由此可以算出线杆的屈服力Fm是：

故线杆材料的屈服强度满足要求，且线杆厚度选取的恰到好处，达到了技术上可行、经济上合理的要求。因此线杆厚度取为7mm具有明显的技术优越性，比较合理。

1.5 移动高压线杆在矿山采场的试验情况

2010年11月26日，在龙宇钼业南泥湖露天矿山东采区进行移动线杆现场试验。

首先，使用推土机对设计的移动高压线杆进行了移动试验。试验内容包括：在小于10%的坡面上移动、在矿石阻挡下移动、小角度旋转等。试验结果表明，高压移动线杆的强度和稳定性均达到了设计效果，并且线杆移动方便、灵活、移动效率高，能够适用于矿山复杂的地理环境，为后期高压移动线路架设打下了坚实的基础。

其次，对设计的移动线杆进行工业试验，即从2011年1月利用移动线杆架设的高压移动线路投入矿山现场使用至今。使用结果表明：移动线杆设计的高度、选择的材质、以及设计的结构能够完全满足矿山的供电需求，稳定性好、机动性高、安全性高，能够适应矿山在采装作业中的供电需求，为矿山以后生产能力的提高奠定了基础。矿山供电网络使用移动线杆前后比较情况如表1所示。

表1 普通线杆与移动线杆使用比较Table 1 Comparison between ordinary pole and mobile pole

2 移动高压线杆的应用

在设计出移动高压线杆的基础上，结合矿山露天采场的实际地形，设计并架设了合理的供电网络体系，以满足生产需求。南泥湖露天采场架设的部分移动高压线路如图5所示。

图5 南泥湖露天采场移动高压线杆应用图Fig.5 Mobile high－voltage poles used in Nannihu open－pit mine

3 结语

露天矿山在开采过程中，由于采场台阶的推进，采场高压供电线路必须随之移动，而固定的高压线路显然不能满足矿山的实际需求。架设移动高压线路是适合矿山露天开采的最佳选择，它为矿山进行高效生产、安全生产提供了强有力的支持，而架设移动高压线路的关键技术就是设计一种技术可行、经济合理的移动高压线杆。

移动高压线杆的设计及应用可以为露天矿山供电网络规划提供必要条件。用移动线高压线杆来架设的高压线路排除了各种恶劣环境的限制，既能方便快捷地实现线路移动整改，适应台阶的推进开采，又能为大型铲装设备供电，大大降低了矿山企业的生产成本，对矿山后期生产发展具有重要的现实意义。

［1］ 长沙有色冶金设计研究院.栾川龙宇钼业有限公司南泥湖15000t／d采选工程初步设计书［R］.2006：3－5.

［2］ 王本清.露天矿山供电系统安全性评价与对策［J］.矿山机械，2003（6）：31－35.

［3］ 赵华军.大型矿山开采供电方案的设计［J］.机电产品开发与创新，2010，10（4）：27－28.

［4］ 中华人民共和国建设部.GB50052－1995供配电系统设计规范［S］.北京：中国计划出版社，1996.

［5］ 刘鸿文.材料力学［M］.4版.北京：高等教育出版社，2004：292－295.

［6］ 吕瑛波，王 影.机械制图手册［M］.北京：化学工业出版社，2009：110－112.

［7］ 杨家斌.实用五金手册［M］.2版.北京：机械工业出版社，2011：85－95.