基于设备服务周期和矿山生产年限的设备选型

冯俊超

（中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司，辽宁 沈阳 110015）

露天矿设备选型和数量计算是露天矿设计的重要组成部分，设备的投入在露天矿总的投入占很大的比例[1-2]。因此，科学合理的设备选型和数量计算对露天矿降本增效具有十分重要的意义。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[3]，设备特征愈发突显。因此在设备选型时，需要考虑的因素也随之增加。设备的多样性，对设备选型提出了更高的要求，尤其是相同斗容的液压铲和电铲如何选择，宽体自卸卡车与矿用自卸卡车如何选择，成为矿山企业在设备选型时面临的问题。就目前矿山开采工艺的运用来说，单斗－卡车工艺系统运用的占比还是处于极大值[4]。为此，根据采运设备服务周期和矿山生产年限2 个方面，从经济角度对电铲与液压铲、宽体自卸卡车与矿用自卸卡车选型进行分析论证。

1 方案设置

单斗挖掘机根据动力传递方式的不同，分为电铲和液压铲，液压铲平均每7 年更换1 台，而电铲只需在使用10 年之后进行大修1 次，又可以使用10年[5]。露天矿运输采用的卡车分为矿用自卸卡车和宽体自卸车。宽体自卸车一般折旧年限为3 年，而矿用自卸卡车折旧年限一般为10 年左右[6]。

采运设备之间匹配合理，能够发挥设备的生产效率[7]，是设备选型的重要原则之一。自卸卡车选型应与单斗挖掘机选型相匹配，宜按卡车载重与单斗挖掘机勺斗装载量的比例为3：1～6：1[8]。

由此分析可知，与斗容12 m3单斗挖掘机相匹配的车型较为广泛，分别有载重60 t 宽体自卸卡车、载重70 t 宽体自卸卡车、载重91 t 矿用自卸卡车以及载重108 t 矿用自卸卡车，在相同斗容条件下，可横向对比出宽体自卸车与矿用自卸车经济指标。同时，斗容12 m3的单斗挖掘机既有电铲，也有液压铲，可对比出相同斗容电铲及液压铲经济指标。

综上所述，本次研究共设置8 个对比方案：①方案1：12 m3液压铲配备载重60 t 宽体自卸车；②方案2：12 m3液压铲配备载重70 t 宽体自卸车；③方案3：12 m3液压铲配备载重91 t 矿用自卸卡；④方案4：12 m3液压铲配备载重108 t 矿用自卸卡车；⑤方案5：12 m3电铲配备载重60 t 宽体自卸车；⑥方案6：12 m3电铲配备载重70 t 宽体自卸车；⑦方案7：12 m3电铲配备载重91 t 矿用自卸卡车；⑧方案8：12 m3电铲配备载重108 t 矿用自卸卡车。

2 设备能力及数量计算

计算参数按常规设计选取，挖掘机满斗系数0.9，物料松散系数1.3，物料密度2.08 t/m3，液压挖掘机作业循环时间25 s，电铲作业循环时间36 s，年作业时间4 150 h，平均运距5.8 km，平均车数25 km/h，工程量按4 000 万m3/a 考虑。根据上述设备能力计算所需的计算参数，利用公式分别计算得出设备台年能力和设备数量。

式中：Q 为挖掘机台年能力，万m3/a；E 为挖掘机斗容，m3；km为挖掘机满斗率；kf为辅助作业系数；ta为年作业时间，h；tj为挖掘机循环作业周期，s；ks为物料松散系数。

式中：P 为卡车台年运输能力，万m3/a；kq为载重利用系数；q 为卡车载重，t；tb为台班作业时间，h；N为卡车台年作业班数；tzq为卡车运行周期，min。

设备能力和设备数量表见表1。

表1 设备能力和设备数量表

1）相同型号单斗挖掘机装载6 斗设备能力最大。究其原因是增加装载斗数可减少卡车入换时间，提高挖掘机纯装车时间。

2）相同配套车型情况下，液压挖掘机年能力大于电铲年能力。斗容12 m3单斗挖掘机能力相差13.6%～26.8%。

3）相同条件下，卡车分别与液压铲及电铲配合，卡车设备数量不同，整体趋势是配合液压铲的卡车数量略低于与电铲配合的卡车数量，卡车数量相差1～3 台。

3 经济指标

3.1 设备投资

设备投资计算是考虑设备服务周期的影响，暂按矿山生产年限30 年进行计算。电铲服务周期20年，液压铲服务周期7 年，宽体自卸卡车服务周期3年，矿用自卸卡车服务周期10 年。按30 年计算，电铲共计2 次，液压铲共计4 次，宽体自卸卡车共计10 次，矿用自卸卡车共计3 次。

根据市场询价，斗容12 m3电铲约2 200 万元，斗容12 m3液压铲约为1 700 万元，载重60 t 宽体自卸卡车约80 万元，载重70 t 宽体自卸卡车约95万元，载重91 t 矿用自卸卡车约为570 万元，载重108 t 矿用自卸卡车约为620 万元。

结合表1 计算所得的设备数量，计算得出各方案生产30 年设备总投资，设备投资表见表2。

表2 设备投资表 万元

从表2 可以看出，方案6 是矿山生产30 年采运设备总投资最低的方案；但是否为经济指标最优方案仍需要继续比较30 年采运设备生产运营费用。

3.2 生产运营费用

采运设备生产运营费用主要由能耗费用、人员工资费用、维修保养费用组成。根据设备手册及市场调研，生产运营费用计算参数统计表见表3。

表3 生产运营费用计算参数统计表 万元/a

由表3 基础参数，计算得出生产30 年采运设备生产运营总成本，采运设备生产运营费用表见表4。

表4 采运设备生产运营费用表 万元

从表4 可以看出，方案2 是矿山生产30 年采运设备总生产运营费用最低的方案。

3.3 总费用计算

生产30 年采运设备产生的总费用由采运设备动态投资和生产运营成本组成，从经济角度分析，总费用最低方案为推荐方案，总费用计算表见表5。

表5 总费用计算表 万元

由表5 可以看出方案6 总费用最低，是经济分析的最优方案。

从表5 还可以看出：在配备相同车型的条件下露天矿生产30 年，液压铲方案经济总费用低于电铲方案经济总费用（方案1＜方案5，方案2＜方案6，方案3＜方案7，方案4＜方案8）；在同样配备12 m3单斗挖掘机的条件下露天矿生产30 年条件下宽体自卸卡车方案经济总费用低于矿用自卸卡车方案（方案1、方案2＜方案3、方案4，方案5、方案6＜方案7、方案8）。

4 比选结果

假设在同等条件下，矿山生产年限为10 年，经计算得出方案6 总费用为444 245 万元，方案2 总费用为429 985 万元，方案2 为总费用最低方案。可以看出，矿山生产年限分别为10 年和30 年的情况下，采运设备选型方案结论是不同的。生产年限10年，方案2 为经济最优方案。生产30 年，方案6 为经济最优方案。

究其原因是矿山生产年限不同时，受采运设备服务周期的影响，设备发生的投资次数是不同的，进而影响矿山设备动态投及经济计算结果。

为了寻求采运设备服务周期和矿山生产年限影响设备选型比选结果的临界点，分别计算方案2 和方案6 生产年限5～40 年各种情况下经济费用，不同生产年限方案经济对比图如图1。

图1 不同生产年限方案经济对比图

由图1 可以看出：在其他条件一样的情况下，矿山生产15 年以下，方案2 经济效益最优；矿山生产15 年以上，方案6 经济效益最优。

5 结语

1）在相同斗容12 m3单斗挖掘机条件下，载重60 t 和70 t 宽体自卸卡车方案优于载重91 t 和108 t 矿用自卸卡车方案。体现出宽体自卸卡车价格低、运营成本低的优势，符合我国目前剥离工程外包运营模式通常采用“小车”的情况。因此在车流密度、道路安全等因素满足要求的条件下，推荐采用宽体自卸卡车。

2）在配备相同载重卡车条件下，矿山生产服务年限小于15 年时，12 m3液压铲方案经济指标较好，矿山生产服务年限大于15 年，12 m3电铲方案经济指标较好。因此，确定矿山生产服务年限15 年为电铲和液压铲设备选型的临界点。在矿山开采条件均满足电铲和液压铲作业的条件下，矿山生产服务年限大于15 年的矿山推荐采用电铲，反之推荐采用液压铲。

3）不同矿山生产年限条件下，受采运设备服务周期的影响，采运设备投资次数不同，直接影响选型方案经济计算结果。因此，矿山设备选型时，应当充分考虑矿山服务年限和采运设备服务周期2 个方面影响因素。