露天矿采运设备选型

王家栋

（中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司，辽宁沈阳110015）

露天矿采运设备选型

王家栋

（中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司，辽宁沈阳110015）

结合露天矿的设计实际，说明露天矿采运设备选型的重要意义，阐述采运设备选型的主要依据和原则，可为露天矿设计工作中如何选择采运设备提供一定借鉴作用。

露天矿；采运设备选型；意义；依据；原则

采运设备选型是露天矿设计的重要内容之一，是设计的一项重大技术决策。随着我国露天采矿业的不断发展，用于露天矿的采运设备种类越来越多，可选择范围越来越大，制造水平及使用实践经验与国外同行业相比差距越来越小，完全具备了露天矿采运设备优化选型的条件和能力。

1 设备选型的意义

合理选择采运设备，可使采运设备组合优化，匹配合理，在确保总生产能力的基础上，减少设备数量，降低设备投资。合理选择采运设备，可充分发挥设备生产效率，降低生产成本，提高经济效益。如果改扩建露天矿，合理选择已有设备的同类设备，便于零配件的采购和保管、设备管理和维修，减少维修设施投资和降低管理成本。同等条件下，优先选择国产设备，有利于设备国产化，促进国内设备制造业的发展，同时便于零配件供应和设备维护维修，降低设备投资和维修成本。合理选择采运设备，可满足生产技术要求、改善生产条件和保证生产安全。

2 设备选型的依据

2.1 自然条件

地形地貌、地表水体、气温范围、降水量和蒸发量、风力、冻结期和冻结深度。

2.2 地质条件

水文地质、矿床赋存条件、岩层特征、矿岩硬度、表层厚度和岩性。

2.3 技术条件

露天矿规模、采掘场尺寸、运输条件、排土条件、服务年限、现有设备配置情况和维修能力。

2.4 制造条件

国内采运设备的制造技术和能力以及零配件供应条件。

3 设备选型的原则

采运设备即采装设备和运输设备，选型主要遵循以下原则。

3.1 适应性

适应性就是要使所选择的设备适合露天矿的自然条件、地质条件和技术条件等。

采装设备选型主要取决于露天矿规模、矿岩的赋存条件、矿岩性质、气候条件等因素。采装设备主要有单斗挖掘机（包括机械单斗挖掘机、液压单斗挖掘机和拉铲）和多斗挖掘机（包括轮斗挖掘机和链斗挖掘机）。单斗挖掘机按斗容分为大、中和小型3种。机械单斗挖掘机适应于各类露天矿，特大型和大型露天矿宜选择斗容10 m3以上的大型挖掘机、中型露天矿宜选择斗容4～10 m3中型挖掘机、小型露天矿宜选择斗容小于4 m3的小型挖掘机。矿层厚度薄、层数多、需要选采的露天矿宜选择液压单斗挖掘机，气温特别寒冷作业条件不宜选择液压单斗挖掘机，供电条件差的露天矿宜选择油驱动液压单斗挖掘机。

轮斗挖掘机按理论能力分为小、中、大和特大型4种，按线切割力分为低、中、高切割力3种，按铲斗结构分为有格式、无格式和半格式2种。轮斗挖掘机适合矿层赋存水平或近水平的露天矿，主要挖掘松软的表土、不坚硬的岩石和有用矿物。岩层中如含硬质夹层，虽可爆破，但操作过程复杂。如岩石的抗压强度在25～30 MPa以上或温度低而使结冻的岩层切割阻力增大时不宜选择轮斗。设备受气温影响较大，随气温降低设备能力明显下降，气温在-30℃时基本不能作业。采装设备类别及适应条件见表1。

表1 采装设备类别及适应条件

运输设备选型主要取决于运量、运距、采掘场尺寸和矿岩性质等因素。

运输设备主要有铁路运输设备、公路运输设备和带式输送机，铁路运输设备分为电机车、内燃机车和蒸汽机车，公路运输设备分为底卸卡车和后卸卡车，带式输送机分为移置式、半固定式和固定式。运输设备的类别和适应条件见表2。

表2 运输设备类别及适应条件

3.2 合理性

采装设备选型的合理性，一是设备之间匹配要合理，二是设备选型要适合露天矿的技术条件，以合理地发挥设备的生产效率和技术性能。

卡车的装载重量与单斗挖掘机勺斗的装载重量之比一般为3∶1～6∶1，不宜小于2∶1或大于8∶1。否则将降低挖掘机和卡车的生产效率。在选择单斗挖掘机装载卡车时，要保证较高的卡车载重利用系数，如果载重利用系数过低，卡车生产效率得不到充分发挥，一般卡车的载重利用系数不宜低于0.9。

对于大型露天矿，如选择挖掘机的规格过小，会导致挖掘机数量过多，挖掘机工作线过短，不能满足铁路运输工作线长度宜为1 000～1 200 m、卡车运输工作线长度一般不小于300 m的要求。同时由于挖掘机挖掘高度偏小导致台阶数较多，从而减小工作帮坡角，加大基建量。反之，如果挖掘机的规格过大，挖掘机数量较少，在工作台阶调度频繁，降低设备的生产效率。

拉斗铲选型应根据工作线推进强度、设备作业安全距离、运煤通道设置，以及工作线长度等因素确定。拉斗铲的年生产能力取决于台阶高度、工作线推进强度和工作线长度。台阶高度影响拉斗铲的挖掘高度、卸载半径、卸载高度等技术参数，台阶高度越高，则要求拉斗铲的上述参数越大，反之越小。选择拉斗铲挖掘还应考虑拉斗铲与其它设备结合部开采时出现的不同步、干扰和等待等问题，在确定拉斗铲开采参数力求合理的同时，还要兼顾满足其它设备的技术要求。如开采工作面布设带式输送机，则推进强度不宜太大，避免带式输送机移设频繁而影响其生产效率。如工作面采用卡车运输，则工作线长度不宜过长，避免卡车的运距过长而提高运营成本。总之，拉斗铲作业需配合带式输送机运输时，应尽量加大工作线长度，降低推进强度，推进强度一般不大于250 m/a。配合卡车运输时，应尽量降低工作线长度，但不宜过短，一般不小于1 500 m。

选择轮斗挖掘机应考虑开采物料的物理力学性质、含水率、切割阻力、硬岩或硬夹层的结构及分布、低温和物料冻结强度等。如遇到含水率较大、剥离层中含有厚度在0.5 m以上且单轴抗压强度在10 MPa以上的夹层、最低温度在-25℃以下时间超过1个月的情况要与其它挖掘设备进行技术比较确定是否选择轮斗挖掘机。轮斗挖掘机的线性参数应满足端帮开采的要求，采用垂直切片时最小选采厚度宜大于轮斗直径的0.4倍，采用水平切片时选采厚度宜大于轮斗直径的0.3倍。在寒冷地区当物料结冻难挖时，轮斗挖掘机可采取季节性作业。

卡车选型的合理性除卡车装载量与单斗挖掘机勺斗的装载量之比要合理外，还应考虑运距的影响和车型选择的合理性。在矿岩运输距离不超过3 km的情况下，选择卡车运输是合理的。选择的车型过小：①装车时调配次数多，时间长，降低挖掘机效率；②车流密度大，不利生产安全；③导致破碎站卸载台位多，调车复杂，管理不便，影响卡车效率。反之车型过大，卡车等装时间长，亦会降低卡车效率。

带式输送机适合运距在3 km以上的运输。带式输送机的能力根据运量、物料性质和输送机长度确定，半连续工艺带式输送机的能力应与破碎站等供料设备能力相适宜，连续工艺带式输送机的能力通常可按轮斗挖掘机理论能力的1.0～1.2倍确定。带式输送机带速在长距离、大运量时应选择较高的带速，下运或输送磨损性大及容易起尘的物料时可降低带速。带式输送机带宽根据输送能力、带速和被输送物料的粒度确定。输送带应根据输送机长度、输送能力、输送带张力、物料性质、受料条件、工作环境等因素确定，长距离带式输送机宜采用钢丝绳芯输送带。工作环境温度低于-25℃时，应选择耐寒输送带。

3.3 经济性

3.3.1 采运设备宜大型化

露天矿规模的大小决定选择采运设备规格的大小。国内露天矿的规模日趋扩大，采矿工艺和技术水平日渐提高，促进了露天矿选择采运设备规格大型化。有关资料表明：国内生产、建设的大型露天煤矿均选择和使用了性能完善、技术先进、生产效率高的大型采运设备，单斗挖掘机斗容均在10 m3以上，最大斗容高达60 m3，自卸卡车载重量均在100 t级以上，最大载重量高达300 t以上。实践证明：大型设备的使用降低了生产成本，提高了经济效益。因而特大型和大型露天矿宜选择大型采运设备。

3.3.2 减少设备投资，降低运营成本

减少设备投资，降低运营成本的途径之一是使选择的设备生产效率得到最大发挥。按照车铲合理载重量比选择挖掘机和卡车，选择单斗挖掘机装载卡车时要考虑提高卡车的载重利用系数，如因装载的物料容重较小，使卡车的载重利用系数较低，应结合具体情况在选择之前与厂家联系加大车厢容积。载重利用系数提高10%，则卡车数量可减少10%，从而减少设备投资。

选择同类采运设备尽量做到统一，以便互相替代，避免出现不合理的富余设备，加大设备的投资。

3.3.3 选择费用较低的设备

露天采矿是一项比较复杂的系统工程，为了选择经济合理的采运设备，对开采工艺和采运设备进行技术经济比较，在选择经济指标比较优越的开采工艺的基础上，再进行采运设备的组合优化，求得采运设备投资和运营成本最小化。

3.3.4 优先选择国产设备

目前我国采运设备制造业得到长足发展，一些大型采运设备已达到国际先进水平。同类采运设备国内外价格相比，一般相差20%～30%，有的甚至高达50%，因此在设备选型时应优先选择价格较低的国产设备。

4 设备选型的实例分析

4.1 元宝山露天煤矿选择轮斗挖掘机的分析

元宝山露天煤矿所处地区属于大陆性气候。年最高气温42.5℃，最低气温-31.4℃，气温在-20℃以下的天数年平均24 d，气温在-30℃以下的天数1 d～2 d，最大冻结深度2.01 m。元宝山露天煤矿上部剥离物为第四系，岩性松软，其厚度14～85 m，一般55 m。露天煤矿工作线年推进强度约110～185 m，工作线长度2 000 m，适合轮斗开采的剥离量大约15.0 Mm3。

根据上述开采条件和国外有关轮斗挖掘机在挖掘第四系层各类物料时单位切割力为300～1 200 N/cm的资料。元宝山露天煤矿选择SRs1602.25/3.0 1 000 kW+VR101.10/10型轮斗挖掘机2台，主要技术参数为主机“C”型结构，带连接桥，变幅机构为绞车提升，理论生产能力3 600 m3/h(松)，挖掘高度25 m，上、下分台阶高度10 m，挖掘深度3 m，单位切割力1 200 N/cm。设计确定年生产能力分别为6.10 Mm3和5.70 Mm3，主台阶高度24 m，上、下分台阶高度8 m，采宽30 m。多年的生产实践证明，元宝山露天煤矿选择轮斗挖掘机是成功的。

4.2 黑岱沟露天煤矿选择拉斗铲的分析

黑岱沟露天煤矿位于准格尔煤田中部，主要开采6号煤层，平均厚度为28.8 m，倾角3°～5°。覆盖层上部黄土平均厚度50 m，中部岩石平均厚度57 m。上部黄土采用连续开采工艺，中部岩石采用间断开采工艺，下部煤层采用半连连开采工艺。为适应市场需求，黑岱沟露天矿进行技术改造，其生产能力由原来的12.0 Mt/a扩大至20.0 Mt/a，新增剥离量近40.0 Mm3/a。

综合分析黑岱沟露天煤矿煤层赋存条件，新增工程量、开采岩石硬度中等、采掘场规格尺寸和适合内排等因素。该矿具有使用拉斗铲条件，据此在充分利用原有设备的前提下选择8750-65型拉斗铲以满足扩大生产能力的需要。拉斗铲开采参数为采高45 m，采宽80 m，年生产能力26.0 Mm3。其技术参数见表3。

表3 8750-65型拉斗铲技术参数

黑岱沟露天煤矿拉斗铲的选择，虽投资较大，但大大地降低了生产成本，既满足了扩大生产能力的需要，又充分利用了原有设备，综合经济效益较好，开创了我国露天煤矿使用大型拉斗铲的先河。

4.3 茂名油页岩露天矿采运设备的选择

茂名油页岩露天矿位于广东省茂名市以北3 km处的茂南平原东北部。地形平坦。气候属于亚热带海洋性气候，年平均气温22.01℃。本区雨量极为丰富，年平均降雨日数为139 d，年平均降雨量为1 558.3 mm，常有暴风雨和雷雨。露天开采的主要剥离物为黄牛岭层，岩性松散，普氏硬度系数f为0.6～1.5。抗压强度2～6 MPa，剥离层地基承载力300～400 kPa，小于卡车对地比压。油页岩矿层为一构造简单的独立层，厚度20～24 m，平均厚度22 m，倾角4°～6°，普氏硬度系数f为3，抗压强度10～14.7 MPa，地基承载力为1 000～1 200 kPa。

根据矿区的气象、矿岩的赋存条件、地基承载力、硬度和运距等条件，结合采剥工程量、生产工艺等因素。剥离物松软工作面不宜卡车行驶，选择生产能力为5.50 Mm3/a.S800型轮斗挖掘机采装，带宽1 400 mm带式输送机运输。油页岩矿层单一，岩性较硬，运距比较远，选择生产能力1.50 Mm3/a斗容6.5 m3的CE(D)1250-7型电驱动液压挖掘机采装。破碎站设置在采区中部，工作面至破碎站平均运距仅500 m左右，因此工作面选择载重45 t自卸卡车运输，破碎站至储矿场运距较远，选择带宽1 200 mm带式输送机运输。茂名油页岩露天矿采运设备的选择体现了生产条件不同选择适应性不同的采运设备，使设备的总配置达到最优的原则。

5 结语

综上所述，露天矿采运设备的选型是事关重要的设计环节，采运设备合理选型，可以充分发挥设备的生产效率，降低投资和成本，提高露天矿的经济效益。设备选型时，认真分析露天矿的气候和地质等自然条件，紧密结合露天矿规模、开采工艺，充分考虑采运设备之间匹配合理性、适应性和设备质量性能可靠成熟程度，进行必要的技术经济比较，使所选设备经济合理。

［1］GB50197—2015煤炭工业露天矿设计规范［S］.北京：中国计划出版社.2015.

［2］冶金矿山设计参考资料编写组.冶金矿山设计参考资料［M］.北京：冶金工业出版社，1972.

［3］煤炭工业部露天煤矿设计研究院.露天开采［M］.煤炭部露天煤矿设计研究院.

［4］中国矿业学院.露天采矿手册（第二册）［M］.北京：煤炭工业出版社，1986.

［5］车兆学.轮斗挖掘机的采矿理论与应用［M］.徐州：中国矿业大学出版社，1993.

［6］元宝山露天煤矿扩建工程初步设计［R］.沈阳：中煤国际工程集团沈阳设计研究院，2011.

［7］黑岱沟露天煤矿扩能技术改造初步设计［R］.沈阳：中煤国际工程集团沈阳设计研究院.

［8］广东粤电油页岩发电项目油页岩露天矿初步设计［R］.沈阳：中煤国际工程集团沈阳设计研究院，2007．

【责任编辑：解连江】

Selection of mining and transportation equipment in open-pit mine

WANG Jiadong
(China Coal Technology and Engineering Group Shenyang Design&Research Institute,Shenyang 110015,China)

According to the actual design of open-pit mine,the article illustrates the important significance of mining and transportation equipment selection,describes the main basis and principles of mining and transportation equipment selection,which provides certain reference function for how to choose mining and transportation equipment in open-pit mine design.

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TD57

B

1671－9816（2017）02－0030－05

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.02.009

王家栋.露天矿采运设备选型［J］.露天采矿技术，2017，32（2）：30-33.

2016-08-09

王家栋（1977—），男，辽宁大连人，学士，1999年毕业于哈尔滨工程大学，现在中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司从事矿山设备研发设计工作。