拉铲倒堆工艺采掘带宽度优化研究

白润才 孙 磊 吴东海 王 强

(辽宁工程技术大学矿业工程学院，辽宁 阜新 123000)

拉铲倒堆工艺采掘带宽度优化研究

白润才 孙 磊 吴东海 王 强

(辽宁工程技术大学矿业工程学院，辽宁 阜新 123000)

拉铲倒堆工艺是一种先进的露天开采工艺，它集采掘、运输与排土3项作业于一体，如果地质和生产条件允许使用拉铲，则拉铲倒堆工艺优于其他挖掘和运输系统。针对拉铲倒堆剥离工艺，以拉铲作业工作量最大化为原则，进行采掘带宽度优化。采掘带宽度主要与拉铲的回转角度有关，以此来建立采掘带宽度与工作总时间的函数关系。通过对该函数的分析，确定合理的采掘带宽度为40～60 m。同时，为了达到较好的抛掷爆破效果，并参考国内外的经验，最终选取采掘带宽度为40 m。

拉铲倒堆工艺 采掘带宽度 回转角 工作总时间

露天矿采用拉铲倒堆剥离是一种先进的开采工艺，如果地质和生产条件允许使用拉铲，则拉铲无运输倒堆工艺优于其他挖掘和运输系统[1]。其优点如下：直接排弃挖掘的物料，无需运输设备和排土设备，减少了生产环节，有利于提高工艺系统的可靠性等。而拉铲作为一种露天采掘设备，其生产能力是露天矿的重要技术经济指标，影响着矿山的生产能力和经济效益，为了使矿山达到较好的经济效益，就必须对拉铲的工作面参数进行确定，而采掘带宽度是拉铲生产工作面规格中必须首先确定的技术参数[2]。

拉铲工作总时间包括拉铲剥离循环作业时间和拉铲的走行时间，拉铲倒堆工艺的挖掘1次循环作业时间包括铲斗在工作面的拉挖满斗提升、铲斗回转、铲斗卸载、卸载后的反转和下放铲斗对准工作面的下一拉挖位置等的全部时间[3]。在剥离物料量不变的前提下，拉铲总工作时间的少许改善，将对拉铲的总效能产生很大影响。通过理论分析，可以得出拉铲剥离循环作业时间与挖掘机回转角之间的函数关系，拉铲回转角计算采掘带宽度的方法和采掘带宽度与拉铲走行时间之间的函数关系，由此可以建立拉铲工作总时间与采掘带之间的函数关系，通过函数分析，即可得出保证拉铲生产能力最大发挥的采掘带宽度[4]。

1 问题分析

拉铲倒堆工艺如图1所示。

拉铲的采掘带宽度的优化主要考虑两方面因素的影响：一方面拉铲采装的回转时间随回转角的增加而加大，单个采装循环的作业时间加长；另一方面单位时间内采掘设备的走行时间随采掘带宽度的增加而减少。拉铲的采掘带宽度优化的目标是拉铲单位时间内的作业量最大或采掘单位工程量所用时间最短[5]。

图1 拉铲倒堆工艺

拉铲倒堆工艺工作面如图2所示。

图2 采掘带宽度计算示意

采掘带宽度A按下式计算[6]：

A=Rw(sinα+sinβ),

(1)

式中，α为悬臂中心线相对于拉铲中心线向台阶内侧的内回转角度，(°)；β为悬臂中心线相对于拉铲中心线向采空区一侧的外回转角度，(°)；Rw为拉铲的最大挖掘半径，m。

根据单斗挖掘机的使用经验，拉铲的回转时间和回转角度成正比，拉铲的最大回转角为α+90°，拉铲最小回转角为90°-β，所以拉铲的平均回转角度为(180°+α-β)/2，所以拉铲作业的平均1次循环时间可由下式计算：

(2)

式中，tq为拉铲作业循环时间中与回转角度无关的部分，包括挖掘时间、卸载时间等，s；k为拉铲的回转速度，(°)/s。

拉铲走行占用一定的作业时间，以剥离单位物料所需的时间最短作为采掘带宽度优化的标准。

拉铲工作总时间

ts=tc+tz.

(3)

拉铲剥离循环作业时间

(4)

拉铲走行时间

(5)

式中，Q为预计剥离的物料量，m3；V为拉铲铲斗容积，m3；h为台阶高度,m；kh为满斗系数；v为拉铲走行速度，m/s。

因此

(6)

拉铲的外回转角应满足倒堆排土的要求，即

Rwsinβ≤Rx-d,

(7)

(8)

式中，Rx为拉铲的最大卸载半径，m；d为拉铲中心到台阶坡顶线的安全距离，m。

由此可确定拉铲的外回转角的上限，通过单斗挖掘机—汽车工艺的经验，可以选取一个确定的外回转角度值。

结合式(1)可以得到

(9)

通过分析工作总时间与采掘带宽度的函数关系，可以初步确定合理的采掘带宽度的范围。同时，资料证明，在确定的炸药单耗、排除间隔时间的条件下,影响抛掷量的主要因素是炮孔深度与采宽之比。炮孔深度与采宽的比值与抛掷量成正比[7]。因此在一定的台阶高度条件下，采掘带宽度与抛掷量成反比。因此为了达到较好的抛掷爆破效果，可以确定合理的采掘带宽度。炮孔深度与采宽的比值与抛掷量的关系如图3所示。

图3 抛掷率与炮孔深度/采宽的关系

2 实例研究

某矿采用拉铲倒堆剥离工艺进行剥离作业，优化所需的参数见表1和表2。

根据上述参数计算拉铲作业平均循环时间，为了方便计算和表达，将所求时间单位统一换算为h，得

表1 拉铲参数

表2 工艺参数

(10)

则当剥离物料量Q为10万m3时，所需的时间计算如下。

(1)剥离时间

(11)

(2)拉铲走行时间

(12)

(3)总时间

(13)

结合式(1)即

A=Rw(sinα+sinβ)=

110×(sinα+sin45°)，

可得

(14)

根据公式计算外回转角的上限为

(15)

参考单斗电铲—卡车工艺的经验，取外回转角为45°。由此得到一个ts=f(A)的函数，可以通过此函数得到图4的关系曲线。

图4 工作总时间与采掘带宽度的函数关系

通过图4可得当采掘带宽度为40～60 m时，所用的总时间较小，拉铲的效率最高。又因为在一定的台阶高度条件下，采掘带宽度与抛掷量成反比，因此选择采掘带宽度40 m。参考国外经验，实践中h/A一般介于0.7～1.0之间，随着倒堆剥离在厚剥离物中的应用，h/A值有增大趋势，本研究中，h/A=45/40=1.125可以充分发挥抛掷爆破的作用[8]，同时使拉铲的能力最大化，符合经验要求。

3 结 论

(1)根据拉铲的工作特点，以拉铲作业能力最大化为目标,以拉铲采装回转角度为自变量，进行采掘带优化。

(2)通过优化研究，给出了采掘带宽度与剥离总时间的函数关系，通过计算机作图，分析该函数曲线，得出了最优采掘带宽度。

(3)该模型的优化结果不但可以使拉铲的能力最大化，还可以充分发挥抛掷爆破的作用，符合经验要求。

[1] 才庆祥，洪 宇.露天煤矿高效开采新技术[M].徐州：中国矿业大学出版社，2008. Cai Qingxiang，Hong Yu.The New Technology of Efficient Mining in Open-pit Mine[M].Xuzhou：China University of Mining and Technology Press，2008.

[2] 汪为平.高台阶开采工艺参数优化研究[J].金属矿山，1998(2)：8- 12. Wang Weiping.Study on the optimization of high bench mining technology parameters[J].Metal Mine，1998(2)：8-12.

[3] 杨正先，白润才.影响拉铲作业露煤生产率的因素分析[J].露天采矿技术，2008(5)：5-7. Yang Zhengxian，Bai Runcai.Influencing factor analysis of dragline overcasting watched coal productivity[J].Opencast Ming Technology，2008(5)：5-7.

[4] 陈树召，才庆祥，尚 涛，等.基于产量最大化目标的采掘带宽度优化模型[J].采矿与安全工程学报，2011，28(1)：105-107. Chen Shuzhao，Cai Qingxiang，Shang Tao，et al.The optimized model for cut width aiming at the maximum production[J].Journal of Mining and Safety Engineering，2011，28(1)：105-107

[5] 尚 涛，才庆祥，陈数召，等.带自移式破碎机半连续工艺系统工作面参数优化[J].中国矿业大学学报，2010，39(6)：820-825. Shang Tao，Cai Qingxiang，Chen Shuzhao，et al.Working face parameter optimization for a semi-continuous technology having a self-advancing crusher[J].Journal of China University of Mining and Technology，2010，39(6)：820-825.

[6] 高永涛，吴顺川.露天采矿学[M].长沙：中南大学出版社，2010. Gao Yongtao，Wu Shunchuan.Surface Mining[M].Changsha：Central South University Press，2010.

[7] 马 军，李克民.抛掷爆破与拉斗铲倒堆工艺研究[J].中国矿业，2003,12(7)：44-45. Ma Jun，Li Kemin.Study on throw blasting and pull shovel handling[J].China Mining Magazine，2003,12(7)：44-45.

[8] 张幼蒂，傅洪贤，王启瑞，等.抛掷爆破与剥离台阶开采参数分析——露天矿倒堆剥离开采方法系列论文之四[J].中国矿业大学学报，2003,32(1)：27-30. Zhang Youdi，Fu Hongxian，Wang Qirui，et al.The analysis of mining parameters on throw blasting and striping step：the fourth in a series of papers about mining methods of stripping system in open-pit mine[J].Journal of China University of Mining and Technology，2003,32(1)：27-30.

(责任编辑 石海林)

OptimizationoftheCutWidthinDraglineStrippingSystem

Bai Runcai Sun Lei Wu Donghai Wang Qiang

(CollegeofMiningEngineering,LiaoningTechnologyUniversity，Funxin123000，China)

Dragline stripping technology is an advanced open-pit mining method which integrates mining，transport and dumping.If the geological condition and the production status fit for the dragline，the dragline stripping system is better than other digging and transporting system.In view of the dragline stripping technology，and in the principle of aiming at the maximum production，the cut width is optimized.The width of a mining panel is closely related to the swing of the shovel during working.Based on this，the functional relationship between the cut width and the total working time is established.By the analysis of the function，the rational cut width is determined as the value from 40 to 60 m.At the same time，in order to obtain good effect of the throw blasting and with reference for domestic and abroad experience，the final cut width is selected as 40 m.

Dragline stripping system，Cut width，The swing of the shovel，The total working time

2014-09-20

白润才(1961—)，男，教授，博士研究生导师。

TD824

A

1001-1250(2014)-12-049-04