采场爆破块度分布对铲装运输工艺能耗影响

王凤林　陈　超　李洪宝　李　鹏

(1.华北理工大学矿业工程学院；2.河北省矿业开发与安全技术实验室；3.河北钢铁集团矿业有限公司)



采场爆破块度分布对铲装运输工艺能耗影响

王凤林1,2,3陈超1,2李洪宝1,2李鹏1,2

(1.华北理工大学矿业工程学院；2.河北省矿业开发与安全技术实验室；3.河北钢铁集团矿业有限公司)

摘要在资源开采的过程中，由于开采的主体工序能耗分配不合理、设备的能量利用率较低等原因导致矿山企业能耗过高。为此，以司家营矿山露天坑爆破块度为研究对象，进行二维矢量化分析处理，统计并分析采场爆破块度分布的规律，研究爆堆岩体的块度分布对于铲装、运输作业中能耗分布规律的影响。统计分析表明，爆堆块度对露天机械能耗的影响近似符合线性规律，块度越大，铲装和运输能耗越高，铲装和运输工作条件对工序能耗分布差异有较大影响。

关键词爆破块度大块率铲运能耗

司家营铁矿位于河北省滦县东南，是冀东地区特大型露天铁矿之一，设计年产铁矿石1 500万t。其露天采场面积大、地质条件复杂，矿石品位和物理特性变化较大，采矿工序技术管理工作量大，尤其是铲装和运输功耗的波动较大[1]。铲装运输系统是露天矿山生产的动脉，设备投资比例往往超过50%，能耗占比甚至超过60%。铲装运输系统的改进是矿山节能优化的重点，尤其是对于深凹陷露天矿山，铲装运输成本是控制采矿成本的重要环节。根据不同矿山的矿石赋存条件和开采技术条件，合理优化开采工艺，降低采矿工序能耗，可为矿山节约20%～30%的能源消耗，显著降低矿山开采成本。分析统计表明，采场爆破块度是影响露天采场铲装运输过程能耗的主要因素，合理控制、优化采场爆破块度，是提高铲装运输效率、降低铲装运输能耗的重要手段。针对国内冶金矿山采矿工序能耗分配不合理、设备能量利用率较低而导致的能耗过高的现状，从采矿工序节能的角度，研究司家营铁矿爆破块度对后续生产工艺能耗分布规律的影响，构建铲装运输能耗与爆破粒度分布的关系模型，分析爆破块度分布对铲装、运输工艺能耗的影响。

1爆堆块度图像分析

应用MAPGIS对爆堆岩体块度的图片进行矢量化处理，进而得到爆堆块度分布。为确保样本的可靠性，照片面积不小于完整爆堆面积的15%，并采用平面倾斜照相法(图1)，将照片导入MAPGIS进行矢量化处理(图2)，通过标尺的刻度换算实际比例，对图像进行配准。配准公式为

(1)

式中，x为矫正后实地水平长度，mm；y为矫正后实地垂直长度，mm;A为照片水平长度,mm；B为照片垂直长度,mm；C为标尺图上单位长度,mm。

图1 现场爆块 图2 矢量化处理的爆块照片

将配准照片的数值(即目标点的数值)进行修正，替换成标准比例的数据，保持原点数据不变，得到配准后的标准比例照片。将配准后的图像数据导出，根据岩体体积经验公式处理数据。

(2)

式中，S为岩块面积,m2；P为岩块周长，m；D为岩块的筛网尺寸，m；a为最佳椭圆的最大半径,m；b为最佳椭圆的最小半径，m；V为岩块体积,m3。

爆破块度统计结果见表1。

表1　爆破块度统计数据

2爆堆大块率预测模型

2.1影响爆破块度的因素

2.1.1孔网设计

试验表明，增加炮孔密集系数m，爆破后块度分布效果好，其平均块度明显减小，同时大块率降低。一般情况下，m应该在1～2。

2.1.2装药结构和堵塞

装药越均匀，爆堆块度越均匀，但常规生产爆破中其对爆破块度影响不大;堵塞炮孔的爆破效果较好。

2.1.3炮孔直径及炸药单耗

研究表明，炮孔直径与台阶高度之间有着紧密的联系，在一定合理的范围内，增加孔径可以获得良好的爆破岩体块度分布，如果孔径超过一定范围，会增加大块率。炸药单耗对爆破块度的影响主要体现在平均块度方面，影响较大的是爆破岩石中块度为中小粒的颗粒，单纯地增减单耗不能减少大块率。

2.2预测模型建立

将岩体块度大于ymax的视作大块，采用KUZ-RAM模型分析爆破参数与爆堆块度分布的函数关系[2-3]。

(1)大块率：

(3)

式中,YD为大块率，%；ymax为大块岩体尺寸，m；x0为特征粒径值，m；n为块度均匀性指数。

(2)平均块度：

(4)

式中，X为平均块度,m；A为岩石硬度系数，受岩体节理裂隙发育程度影响；Q为单孔装药量，kg；V为单孔爆破的岩石体积，m3；E为炸药相对威力。

(3)块度均匀性指数：

(5)

式中，n为均匀性指数；w为最小抵抗线，m；d为炮孔直径，mm；δ为炮孔孔位标准差，一般为0.3～1.0；m为炮孔密集系数；L为装药长度，m；H为台阶高度，m。

根据矿山的实际情况，确定岩体块度大于0.6 m 的岩体为大块。实验矿山原岩属于节理裂隙不发育的硬岩，故取A=14。则爆堆岩体平均块度X=63.708 mm，块度均匀性指数n=1.11，爆堆的大块率为4.37%。

3露天采场铲运工艺能耗分析

3.1铲装能耗分析

采用录像统计分析研究铲装效率和能耗，选择铲装工作开始、中期、末期3个节点，统计结果见表2。

表2　铲装装载时间统计

在铲装初期，电铲装满一车所用的次数、总时间和平均时间较小;铲装中期装满一车所需要的次数明显增大，总时间提高，工作周期的平均时间相对于初期有显著增大；末期装满一车所用次数再次降低，装载机工作一周期的平均时间会增大，使得装满一车总时间增大。

影响一次采装循环时间的因素主要是回转角度和大块率。当工作面离卸料口距离较远，使得回转角度较大，增加了采掘工作时间；大块率高，剔除大块额外消耗时间，降低了工作效率。在铲装初期，大块少、回转角度小，装满一车所用的次数、总时间和平均时间都较小。在铲装末期，回转角度逐渐增大，同时大块增多，导致装载平均时间增大。

3.2运输能耗分析

爆破块度对运输油耗的影响随运距有明显变化,见图3。可以看出,汽车单位运距油耗总体上在15～20 L/km波动。采场内爆堆块度越小，装载效率越高，装满一车所用的时间越少，在一个班的时间内，汽车运输次数越多，运距也越长，单位运距油耗越低。运距短，待装时间油耗相对占比较大，单位距离油耗波动较大；运距长，待装时间油耗相对占比较小，单位距离油耗反而较为稳定。

图3　不同爆破块度条件下单位运距油耗变化

运输工况条件对运输能耗的影响较大，见表3。红矿因单位体积矿石质量大，油耗略微增加。汽车白班、中班和夜班的单位运距油耗，依次递减，幅度较大。在中班和夜班，尤其夜班，汽车在采场的运输干扰小，运输能耗低。

表3　不同工况条件单位距离油耗平均值的变化

4结论

以司家营铁矿露天开采为工程实例，通过统计露天爆堆的块度分布规律，并对其大块率进行建模预测，与实际爆堆块度分布较接近。在不同爆堆条件下采用录像统计分析研究铲装效率和能耗关系，分析了汽车运输距离工况条件与能耗的关系，得出相关结论：

(1)由KUZ-RAM模型求得爆堆岩体平均块度X=63.708 mm,块度均匀性指数n=1.11,爆堆实际大块率为4.37%。

(2)影响一次采装循环时间的因素主要是回转角度和大块率。当工作面离卸料口距离较远，使得回转角度较大，铲斗作业时回转速度一定，回转时间增加，增加采掘工作时间；大块率高，电铲铲装效率降低，能耗增加。

(3)汽车单位运距油耗在15～20 L/km波动，运距越短，爆破块度对单位油耗的影响越大;爆破块度小，单位运输能耗减少；运输工况对能耗影响也较大。

参考文献

[1]李欣.司家营铁矿北区矿体地质与深部找矿的探讨[J].金属矿山,2009(6):113-116.

[2]张云鹏.露天台阶爆破岩石破碎与抛掷的计算机模拟[D].北京：北京科技大学，1994.

[3]李长洪.爆破碎块分布的分形模型研究及爆破模型优选[J].爆破，1997(2)：9-12.

(收稿日期2016-01-18)

王凤林(1983—)，男，主任，工程师，063799 河北省唐山市。