WK-10B型电铲分层选采效率研究

2017-10-16蔡宝加刘清勋

露天采矿技术 2017年10期

关键词：电铲露天矿B型

蔡宝加，刘清勋

（华能伊敏煤电有限责任公司露天矿，内蒙古呼伦贝尔 021134）

WK-10B型电铲分层选采效率研究

蔡宝加，刘清勋

（华能伊敏煤电有限责任公司露天矿，内蒙古呼伦贝尔 021134）

针对伊敏露天矿16#煤层组分层赋存条件，通过定义挖掘条件系数和分层作业效率的概念及计算公式，对WK-10B型电铲在伊敏露天矿16#煤层组分层选采中作业效率进行研究，揭示了夹矸厚度、分层高度等参数对分层作业效率的影响规律。研究结果给出了WK-10B型电铲在伊敏露天矿的合理采掘高度，确定了提高WK-10B型电铲作业效率的工程措施，达到了提高电铲在分层作业中电铲效率的目的。

露天矿；分层选采；复合型煤层；设备效率；分层作业效率

Abstract:According to the stratified occurrence conditions of 16#coal seam in Yimin Open-pit Coal Mine,by defining the concept and calculation formula of mining condition coefficient and stratified operation efficiency,the article studies the working efficiency of WK-10B shovel in 16#coal seam selection of Yimin Open-pit Mine,which reveals the thickness of gangue,the effect of height and other parameters on the layered operation efficiency.The results show that WK-10B shovel is reasonable mining height in Yimin Open-pit Mine,and determines the engineering measures to improve WK-10B shovel operation efficiency,and achieves the purpose of improving shovel efficiency in layered operation.

Key words:open-pitmine;stratified mining;composite coal seam;equipment efficiency;layered operating efficiency

0 引言

伊敏露天矿的主采煤层为15#、16#煤层，15#局部发育、16#煤层全区发育。在2009年开始采区扇形过渡，自二采区过渡至三采区，因此，年度采区推进为东快西慢，年度采出煤炭相对集中于采区东部。在2014年采区东部推进过16线之后，16#煤层中的夹矸层自西向东层数、厚度逐渐增加，在常规采掘作业中，夹矸层混入，导致采出煤质逐渐下降，造成煤炭发热量降低。为降低16#煤层的夹矸混入率，提高采出煤炭的应用发热量，需要对16#煤层进行分层选采。

通过研究伊敏露天矿最小采掘设备WK-10B型电铲在16#煤层组中选采作业的相对分层效率变化，了解其在分层选采中的相对分层设备效率变化趋势，确定利用其采掘合理的分层高度及优化工程措施，实现提高其作业效率的目的[1-3]。

1 WK-10B型电铲在分层开采中的效率分析

依据采掘设备小时作业能力计算公式（1）可知[4]，伊敏露天矿的WK-10B型电铲的选采作业是在同一矿山、同一采掘设备条件下，在煤炭分层选采作业中勺斗容积、时间利用系数、平均循环时间、松散系数不会发生变化，对设备作业能力造成影响的应为满斗系数Km，因此，煤炭的分层选采对设备效率的影响，仅需要研究因夹矸层层数、厚度变化对满斗系数的影响即可[5]。

采掘设备小时作业能力计算公式：

式中：Q为小时作业能力，m3/h台；V为铲斗容积，m3；Km为满斗系数，%；η为时间利用系数，%；T为平均循环时间，s；Ks为松散系数。

1.1 伊敏露天矿WK-10B型电铲满斗条件

1）WK-10B型电铲挖掘条件系数的确定。设定一个系数a，使其为WK-10B型电铲在伊敏露天矿满足满斗系数0.9的条件系数，并将该系数定义为电铲挖掘条件系数，即：

式中：Km为满斗系数，a为挖掘条件系数，电铲挖掘条件系数定义：挖掘条件系数是电铲在作业条件发生变化时，其挖掘物料体积与设计满斗系数条件下的挖掘物料体积的比值。

因伊敏露天矿的电铲作业条件仅台阶高度发生变化，所以，电铲挖掘条件系数为的影响因素仅考虑台阶高度变化影响。

引入挖掘条件系数的概念在于可将挖掘条件与满斗系数之间的关系数字化，并可通过数学研究计算出挖掘条件变化后的满斗系数取值。挖掘条件系数其用途主要在反应出电铲挖掘条件与电铲满斗系数取值的关系。当电铲挖掘条件中某一项因素发生变化，而其他因素未改变时，挖掘条件系数可通过公式化反应出该因素与满斗系数的关系。

2）WK-10B型电铲挖掘条件系数公式的确定。通过在伊敏露天矿对WK-10B型电铲满斗条件的现场测定，在电铲不进行下挖情况下，当物料厚度为0.2 m时，电铲无法采掘任何物料，当物料厚度为6 m时，是满足WK-10B型电铲的满斗系数0.9的基本条件，当分层高度在6 m及以上时，均可实现满斗系数0.9。

因WK-10B型电铲为电动机械正铲，挖掘过程由推压机构和提升机构合作完成的，其挖掘物料的多少与物料高度有直接关系，因此，在其垂线方向，挖掘物料高度将影响挖掘物料高度，即垂线方向上反映出物料高度与被物料切片面积。因此，其拟合公式中不应出现修正系数X，所以，采用数值代入计算。设定在不同物料高度条件下，电铲装载量计算公式为：

式中：V为装载量，m3；X为物料高度，m；A为调整系数；C为初始值。

式（3）中，调整系数A的作用：①修正物料高度对物料切片面积的影响；②补偿勺斗切口面接触长度，以补偿计算结果为体积。

因电铲在不下挖的情况下，受到设备自身影响，在物料高度大于0 m时，已产生无法挖掘到任何物料的情况，因此，进行初始赋值，设定初始值C。

因挖掘条件系数是反映电铲在不同物料高度情况下的，挖掘物料量与满斗条件下的挖掘物料量的比值。且在现场测定时，也是以此为标准，因此，将V替换为挖掘条件系数a，并带入现场测定数据，通过计算获得公式（4）。

电铲的挖掘条件系数计算公式：

式中：a为挖掘条件系数，%；X的系数100表示满斗条件100%。

因在满斗系数仅能达到0.9的12 m采掘台阶中，满斗系数不可能大于0.9，也就是挖掘条件系数不可能大于1。结合现场生产实际，需要对公式的区间进行限定，限定后，式（5）变为下列公式。

3）分层高度与挖掘条件系数的关系讨论。以0.2 m为步距，通过式（5）可计算出分层高度在0.2～12 m之间变化，其挖掘条件系数数值。依据计算所得的数据，绘制WK-10B型电铲挖掘条件系数与分层高度的关系曲线图1。

图1 挖掘条件系数与分层高度的关系曲线

通过图1可知，在式（5）条件下，挖掘条件系数在分层厚度为0.2～6.0 m时，满斗系数呈现曲线变化，在分层厚度为6～12 m时，挖掘条件系数不变，电铲采掘处于满斗状态，与生产实践相吻合。

1.2 分层高度与WK-10B型电铲效率的关系

将式（5）代入式（1）中，可获得WK-10B型电铲在不同分层厚度下的设备小时能力，通过设备小时能力对比可计算出，

设备小时能力公式如下：

式中：Qi为小时作业能力，m3/h台，Xi的系数100表示满斗条件100%，V为铲斗容积，m3；Km为满斗系数，%；η为时间利用系数，%；T为平均循环时间，s；Ks为松散系数。Qi为分层高度Xi下的设备小时能力，m3/h台。

2 赋存夹矸层时WK-10B型电铲分层作业效率

2.1 分层作业效率定义及计算

在煤层中赋存夹矸层数不同，原有12 m的煤台阶被二次分层为多层[6]，本文仅对煤台阶被分层为2～7层进行研究。煤台阶被二次分层情况如图2。

图2 12 m煤台阶被夹矸层二次分层示意图

考虑到WK-10B型电铲的实际挖掘条件系数及煤台阶被二次划分后的煤分层的顶底板损失的因素，煤分层初始厚度设定为2 m，而夹矸层按照三期初步设计中0.5 m及以上需要剔除的要求，初始夹矸层厚度设定为0.5 m。研究步距长度设定为0.5 m，在此条件下，对夹矸层所处位置变化和夹矸层厚度变化与电铲分层作业效率变化进行研究[7]。

分层作业效率定义：在作业范围、总工程量相同情况下，电铲正常开采作业小时数与分层开采作业小时数的比值百分数，体现的是分层相对设备效率[8]。因在伊敏露天矿的实际生产作业中，分层数和分层高度为分层作业效率的最大影响因素，其他因素影响非常小，因此，以下分析仅考虑分层数和分层高度的影响，对其他影响忽略不计。

通过上述定义可知，分层作业效率公式。即：

式中：Kn为分层作业效率，%；Qi为小时作业能力，m3/h台，Xi的系数100表示满斗条件100%，H为台阶高度，取值12 m；

将式（1）、式（4）、式（6）代入式（7），获得分层作业效率公式（8）如下。

式中：ai为第i分层的挖掘条件系数；Xi为第i分层的厚度，m；S为作业面积，m2。

2.2 赋存多层夹矸层时的分层作业效率趋势分析

1）不同分层数下的分层作业效率趋势。过式（8）可计算出12 m煤台阶被夹矸二次分层为2～7层时的各种情况下的分层作业效率，同时考虑煤分层和煤分层均为煤层，存在互换性，而夹矸分层与夹矸分层均为夹矸层，存在互换性，但煤分层与夹矸分层物料性质不同，不存在互换性等问题，可对各种情况下的数据分析进行简化。

通过分层效率计算，确定不同分层数是的趋势结论如下：①在2个分层时，在夹矸厚度为6 m处出现折点，分层作业效率达到100%。当出现较薄分层时，分层作业效率较低。在数学关系上，二分层中的分层越薄，其分层作业效率越低，且可能存在无限接近零。②在3个分层时，，分层作业效率随夹矸层的增加先升高，后降低，分层作业效率最大值出现在夹矸厚度为4 m时，同时，在夹矸层厚度小于1 m时，分层作业效率极低，且与其他分层组合情况下未出现计算值交叉问题。③在4个分层时，分层作业效率最大时为4个分层厚度相同，分层厚度均为3m时，分层作业效率为24.92%。分层作业效率先随两个夹矸分层厚度总和下降逐步增大，然后，分层作业效率随两个夹矸分层厚度总和下降逐步减小。④在5个分层时，分层作业效率已降低至16%以下，说明在分层数达到5层时，设备效率已处于非常低状态。且不再需要进行5个分层以上情况的计算。

2）不同分层数下的分层作业效率趋势对比。将12煤台阶处于2～5个分层的分层作业效率上限、下限之间进行比较，可绘制趋势对比图3、4。

通过趋势对比图可知随着煤台阶被夹矸层划分的分层数越多，可分台阶开采的可能性越低，WK-10B型电铲可满斗作业的机会越少，可发挥出的分层作业效率越低。

图3 分层作业效率上限对比图

图4 分层作业效率下限对比图

通过对单一煤台阶被1～2个夹矸层划分为2～5个分层的情况下，确定不同分层高度的组合方式，并计算其分层作业效率，通过分层作业效率的趋势分析，进一步明确WK-10B型电铲在分层选采中的设备能力发挥。

确定结论如下：①单一台阶被二次分层的层数越多，其分层作业效率越低，并在分层数量达到6个及以上时，WK-10B型电铲的分层作业效率较低，已不适合进行选采作业。②单一台阶被二次分层的层组结构中，厚度最小的分层对WK-10B型电铲的分层作业效率影响最大。③在单一台阶被二次分层为多个分层时，在分层数量一定时，其分层厚度的差值越小，其分层作业效率越高。④在生产组织中，应避免WK-10B型电铲采掘较薄分层，以保证电铲作业效率，同时，需注意层组机构，以保证整体推进需求。