露天采矿机复合切割轨迹对比研究*

孙 宽 李 鑫 韩 流 周 伟 邓有燃

（中煤平朔集团有限公司安家岭露天矿）

·机电与自动化·

露天采矿机复合切割轨迹对比研究*

孙 宽 李 鑫 韩 流 周 伟 邓有燃

（中煤平朔集团有限公司安家岭露天矿）

为了研究露天采矿机的实际切割轨迹，总结了露天采矿机的基本作业方式，分析了切割轨迹的影响因素，综合x、y方向的分速度进行积分得到了顺时针和逆时针2种切割方式的轨迹计算模型，确立了切割轨迹长度L与水平方向速度v、开采深度h、滚筒半径R、转速ω之间的函数关系，并对T1255露天采矿机进行研究，得到了2种切割轨迹的长度、差值与h、R及ω的关系。研究结果表明：顺时针比逆时针切割轨迹长，单位切割次数功耗最大相差达到6.83 kN·m；固定转速时，2种切割轨迹随h增加而增加，变动转速时，顺时针切割轨迹随采深增加先增大后减小，在h＝0.5 m时达到最大，逆时针切割轨迹随着采深变化持续增加，在最大采深处达到最大。

露天采矿机 切割轨迹 切割方式 选采深度

随着技术和装备的不断发展和完善，露天开采在世界各地不同类型矿山上的应用越来越广泛［1］。我国中西部地区埋藏着丰富的矿产资源，而且多数矿产埋藏较浅、矿体较厚且赋存条件良好，非常适合采用露天开采。经过近几十年的发展，露天矿的生产规模发展了巨大的变化，从早期年产几百万t到现在年产2 000～3 000万t［2］，如此惊人的产量迈进都归功于科技的进步和机械设备的不断发展。先进的开采工艺和管理系统可以让矿山生产作业更加高效连续，大型、特大型设备的应用［3］让露天矿的生产能力不断提升，这些是保障露天矿生产规模不断增加的基础动力。

1 露天采矿机应用现状

露天开采除了生产高效化、设备大型化等特点之外，还具备细节处理准确化等优势。对于层数较多，赋存较薄的煤层群［4］，无法采用主流的开采工艺进行高效开采，更无法保证煤炭资源的回收率而且极易造成采出煤炭的混矸。对于薄煤层的开采，现在多采用露天采矿机，这是从道路机械和井下综采机组移植开发的一种新型露天采矿设备。根据作业方式及原理的不同，露天采矿机可以分为很多种类。按照滚筒旋转方向的不同可以分为逆时针切割作业和顺时针切割作业；按照滚筒在机体上的位置不同可以分为前置式、中置式和后置式［5］；按机体结构可分为有胶带和无胶带2种。自1981年在一些国家露天矿开始使用以来，在开采薄矿层及复合层状矿床的选采方面日益显示其优越性［6］。为了进一步剖析露天采矿机的作业原理并为其选采效果的理论分析奠定基础，有必要对露天采矿机的切割轨迹进行综合分析，建立露天采矿机在正常开采走形时，滚筒上切齿的运行轨迹。该研究对于露天采矿机的切割阻力、选采效率以及选采块度的分析有积极效果。

2 切割轨迹的影响因素

露天采矿机在进行开采作业时，依靠滚筒快速转动带动其上安装的切齿将完整的煤层刨碎，然后将煤块推集到后方。对于带有胶带的露天采矿机，采出的煤炭资源直接被推集到胶带上，通过胶带的运转实现煤炭的转移和装车［7］；对于无胶带的采矿机，采出的煤炭直接松散的堆放在已采条区中。除了滚筒的转动，还有机体向前运动，这种复合形式的运动实现了对于煤层的有效开采［8］。因此，影响采矿机切割轨迹的两个主要因素是机体走行和滚筒转动。

（1）机体走行。露天采矿机为了实现开采作业的有效推进，要保持采矿机以一定的速度向前运行。当采矿机达到最佳切割深度且运行稳定时，整机功率的分配达到最佳状态，即滚筒部分的功率与机体走行部分的功率达到了最佳匹配效果。滚筒以固定的转速ω连续切割煤层，采矿机以某一速度v匀速向前行驶。此时，机体走形对于滚筒切齿的切割轨迹产生沿走行方向的影响，在时间t内的积累最终变为vt的位移量。

（2）滚筒转动。采矿机是通过其切削转子，高度选择性的开采有用矿藏。对于滚筒式的露天采矿机，滚筒转动是采矿机切割轨迹的主要组成部分，当采矿机沿着煤矸分界线开采时，切削转子沿此分界线不断切削，形成连续的切割弧线［9］，由于滚筒自身做圆周运动切割轨迹的方向时刻发生变化，与机体走行产生的轨迹相叠加形成一个复杂的复合曲线。研究采矿机复合切割轨迹将会对采矿机的高效使用形成科学的指导，并准确地确定切割中线的位置，降低选采时的混矸率［10］。

3 不同切割方式采矿机的切割轨迹分析

露天采矿机的切割轨迹是水平方向的速度v和滚筒的圆周轨迹叠加形成的复合曲线，将2个速度累加在一起，并对时间积分，便可得到该采矿机的真实切割轨迹。下面结合不同滚筒旋转方向的采矿机来进行分别的研究。

3.1 顺时针切割

由于滚筒旋转方式有顺时针与逆时针之分，不同的旋转切割效果不同。对于滚筒顺时针旋转的露天采矿机，则切齿从最低点切割到煤层顶面所需的时间t为

式中，R为滚筒半径，cm；h为切割深度，m；ω为滚筒切割转速，rad／s。

滚筒顺时针旋转的切割轨迹（见图1）为一条不规则的缓和曲线，该曲线的长度是滚筒旋转和机体匀速向前运行共同作用的结果。

图1 顺时针切齿切割轨迹

则叠加的速度为

曲线AB范围内的任意一点的速度可以分解为

对于该曲线的长度，可以由积分的方式求得

积分后得到

则切齿从滚筒最低点A运转到煤层顶面B点这段时间内，所有切齿切割煤层的总距离为

3.2 逆时针切割

滚筒按照逆时针方向旋转切割煤层的露天采矿机，滚筒的切割轨迹（见图2）为一条压缩的缓和曲线。对该方式的速度进行分解，得到瞬时分速度为

图2 逆时针切齿切割轨迹

逆时针旋转滚筒的叠加速度为

其长度仍通过积分的方式求得：

切齿从滚筒煤层顶面A运转到最低点B点这段时间内，所有切齿切割煤层的总距离为

对于2种不同切割方向的露天采矿机，其真实的切割轨迹也存在一定的区别，从切割总距离来看，逆时针切割方式的切割距离更短，对应的体切割阻力也会较小，能耗相对较低；当滚筒的转速相同时，顺时针切割方式的开采效率更高，生产能力更大［11］。

4 实例验证

4.1 切割轨迹对比

为了测试露天采矿机的实际开采轨迹和效果，选定了Vermeer公司的T1255露天采矿机进行测试，该设备的具体参数如表1所示。

表1 T1255型露天采矿机参数

根据表1中的数据结合式（6）和式（11）计算T1255采矿机顺时针和逆时针切割时的理论切割轨迹长度。得到二者随切割深度变化的曲线见图3。

图3 2种切割方式不同深度时的轨迹长度

从图3中可以看出，随着切割深度h的不断增加，滚筒切割轨迹长度也不断增加，二者存在明显的正相关性；正常选采作业时（h≠0），顺时针切割方式比逆时针的切割轨迹长度要大，h从0～0.4 m，二者切割轨迹的差值逐渐增大，h从0.4～0.7 m，差值又逐渐减小。

为了研究2种不同切割方式的切割轨迹差异，计算不同滚筒半径R时2种切割轨迹的数值，见图4。

图4 不同半径下2种切割轨迹差值曲线1—R＝0.7 m；2—R＝0.8 m；3—R＝0.9 m；4—R＝1.0 m；5—R＝1.1 m；6—R＝1.2 m

统计发现，在不同的滚筒半径下，顺时针和逆时针2种切割方式的最大差值出现在滚筒半径一半以上的位置，即h＞R／2，对每个滚筒半径级别下，两种切割轨迹的最大差值LΔ及切割深度h进行回归分析，见图5，得到滚筒半径R与最大差值LΔ的函数关系为

滚筒半径R与出现最大差值LΔ时的切割深度h之间的函数关系为

图5 滚筒半径R与最大差值LΔ和切割深度h的关系曲线

4.2 切割功耗对比

均匀煤层可看作各向同性的均质软岩，采矿机在煤层中进行切割时，在任意方向上的阻力f均相同，不同的切割轨迹长度，必然会造成能耗的不同，基于以上对于顺时针和逆时针2种切割方式切割轨迹的对比研究，下面对于2种方式作业时的能耗进行比较，以从能量的角度进一步衡量二者的优劣性。根据做功的基本计算原理，开采过程中的功耗核算为f·L，其中L为滚筒的切割轨迹长度。褐煤的线切割阻力为51 kN／m［12］，对于T1255，在不同的切割深度下，顺、逆时针2种切割方式进行选采作业，所做有效功的差异见表2。

表2 不同切割深度下2种切割方式的功耗

从表2中可以看出，在切割深度h为0.4 m时，单位切割次数时，顺时针切割方式比逆时针切割方式增加能耗为6.83 kN·m，由此可见，切割轨迹延长会引发整体切割能耗的加大。

4.3 转速与切割轨迹的关系

T1255露天采矿机和其他采矿设备类似，驱动电机转速都存在一个波动范围，在现场应用时，当设备空转时，可以达到最大转速50 r／min，当设备按照最大采深作业时，则降低至最小转速25 r／min。当采矿机按照某一转速ω切割煤层时，对应2种不同切割方式的轨迹的变化曲线见图6。

图6 固定转速下切割轨迹和切割深度的关系曲线

从图6可以看出，在某一固定转速ω下，顺时针和逆时针2种切割方式的切割轨迹长度随着切割深度的增大而不断增大；顺时针切割轨迹的增长速率随切割深度h的变化表现的较为平缓、均匀，逆时针切割轨迹增长速率随着h的增大而不断提高；2种切割方式的最大差值LΔ仍然出现在h＝R／2附近。

露天采矿机固定转速ω进行选采作业时，必然会造成一定程度的能力浪费，因为不同的选采深度对应着不同的切割转速ω，当选采深度小于与ω对应的切割深度时，采矿机的能力便无法得到充分的发挥。因此，在保持采矿机以额定功率运转时，该设备的转速ω随开采深度h呈线性变化，即按照这一公式修正2种切割方式时的转速参数，计算得到修正后顺时针、逆时针2种切割轨迹的修正曲线，见图7。

图7 修正转速下的切割轨迹曲线

通过对转速ω进行修正，计算得到顺时针、逆时针2种切割方式的轨迹曲线与固定转速时（图3）的曲线存在明显的区别：

（1）随着切割深度h的不断增加，切割轨迹逐渐增长，并在0～0.2 m之间呈现加速增长趋势，在0.2～0.6 m之间呈现减速增长的趋势。

（2）顺时针切割方式，切割轨迹长度与h存在密切关系，从0～0.5 m，切割轨迹长度不断增加，在h＝0.5 m时达到最大值，从0.5 m至最大采深，切割轨迹长度出现下降趋势，在最大采深时，切割轨迹长度为0.803 m。

（3）逆时针切割方式，在整个采深h的变化范围内，逆时针切割轨迹长度不断增加，并在最大切割深度时达到最大值，为0.743 m。

（4）将T1255应用于神华集团哈尔乌素露天煤矿，该矿包含多个可采煤层，其中5＃煤层平均厚度为1.9 m，属局部可采煤层，适合于使用露天采矿机进行开采。通过在该矿对T1255进行切割轨迹测试，采深0.5 m时，测量得到现场的切割轨迹线长度为0.693 m，与理论计算得到的0.700 m非常接近。

5 结 论

（1）通过总结露天采矿机的作业方式，分析露天采矿机的作业原理及过程，分别建立了顺时针和逆时针2种切割方式时的分解速度表达式，并积分得到了2种切割方式对应的轨迹长度计算模型，确立了L与v、h、R、ω之间的函数关系。

（2）根据计算公式，选定T1255露天采矿机，计算并对比2种作业方式的切割轨迹，在固定转速ω下，2种切割轨迹随h增加而增加，且顺时针比逆时针切割轨迹长，二者的差值在h＝R／2附近达到最大。

（3）采矿机切割过程中，功耗随着切割轨迹增加呈线性增加，2种方式在轨迹最大差值时，单位切割次数功耗相差最大，达到6.83 kN·m。

（4）根据T1255采矿机作业过程中转速的变化规律，按照切割深度h与转速ω的函数关系，对切割轨迹中的转速ω进行修正，得到了修正后的切割轨迹曲线，顺时针切割轨迹随采深增加先增大后减小，在h＝0.5 m时达到最大，逆时针切割轨迹随着采深变化持续增加，在最大采深处达到最大。

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Comparative Research on Com posite Cutting Trajectory of Surface M iners

Sun Kuan Li Xin Han Liu Zhou Wei Deng Youran
（Anjialing Surface Mine，China Coal Pingshuo Group Co.，Ltd.）

In order to study the actual cutting trajectory of surfaceminer，the basic operating type of surfaceminerwas summarized，and the influence factors of the cutting trajectory were analyzed.By integrating the component of velocity on x and y direction，the trajectory calculationmodelwas obtained in both clockwise and counterclockwise cuttingmode，and the functional relationship between the cutting trajectory length L and horizontal velocity v，mining depth h，roll radius R and rotational speedωwas established.By studying the surferminer of T1255，the relationship between length and difference of the two kinds of cutting trajectory and h，R andω.The results show that the cutting trajectory of clockwise type is longer than counterclockwise，and the largest difference of power consumption is 6.83 kN·m.The two kinds of cutting trajectory increase with h increasing when rotational speed is fixed.While rotational speed is variable，cutting trajectory of clockwise increases firstly with themining depth increasing，and reachesmaximum when h＝0.5 m，then decreases with themining depth increase.The counterclockwise cutting trajectory changes along with the mining depth increasing，and reaches the maximum at the largestmining depth.

Surfaceminer，Cutting trajectory，Cutting ways，Selected mining depth

2013-08-05）

*国家高技术研究发展计划（863计划）项目（编号：2012AA062004），国家自然科学基金重点项目（编号：51034005），高等学校博士学科点专项科研基金项目（编号：20100095110019）。

孙 宽（1968—），男，副矿长，高级工程师，036800山西省朔州市。