伊敏露天矿轮斗挖掘机工作面参数确定

2020-09-02刘金强

露天采矿技术 2020年4期

刘金强，张波，潘博

（华能伊敏煤电有限责任公司伊敏露天矿，内蒙古呼伦贝尔021134）

伊敏露天矿轮斗连续系统于2019 年投入，主要用于露天矿上部剥离物的开采。在轮斗挖掘机的生产过程中，每采完1 个块区，都需要由工程机械设备配合平整场地，以保证轮斗挖掘机的推进前行。工程机械设备平整场地，增加了非生产时间，影响系统的生产效率；同时，在轮斗挖掘机完成作业区内的采掘任务后，工作面带式输送机需进行移设，每次的移设时间较长，移设的频次将影响系统的生产能力[1-3]。因此合理的开采参数，将发挥轮斗挖掘机的生产效率，提高连续系统的生产能力。

1 地质和水文及气候条件

伊敏露天矿位于内蒙古自治区呼伦贝尔市鄂温克族自治旗伊敏河镇境内，东经119 °39 ′02 ″～119 °45 ′52 ″，北距海拉尔区78 km。矿区属中温带大陆性季风气候，冬季寒冷漫长，夏季温凉短促，极端最高气温36.8 ℃，极端最低气温-48.5 ℃，无霜期为119 d；冻冰期为9 月下旬到翌年4 月下旬，平均结冰日数223.4 d，当平均气温下降到0 ℃以下时，暴露的岩层开始冻结，随着气温的降低冻结深度也加深，平均结冰深度为3.235 m。

伊敏露天矿剥离物主要为第四系、新近系和伊敏组，岩性从上至下由黑色腐植土、黄色黏土、亚黏土、灰色砾石、灰白色砂砾、砂土、含砾粗砂岩、灰黄色泥岩、夹灰白色砂砾岩、细砂岩、灰色岩、灰褐色岩、红褐色泥岩等组成。黑褐色腐殖土厚度相对较薄，一般不超过1 m。第四系粉细砂内砾石磨圆度为次圆状与扁圆状，无分选性。岩石多为泥质胶结，较松散，失水后为崩解状态。第四系粉细砂抗压强度为0.147～0.539 MPa，硬度较软[4]。

2020 年剥离区域内第四系层变化趋势是西南薄、东北厚，东南稍厚与下伏新近系不整合接触，厚度3～39 m，平均厚度22 m；新近系呈条带状分布，以楔形插入伊敏组和第四系之间，向西北变薄，厚度为8～84 m，平均厚度31 m。

伊敏露天矿连续系统轮斗挖掘机主要用于开采露天矿上部的剥离物，其主要由第四纪层及少量泥岩、粉砂岩、细砂岩等组成，硬度相对较软。

2 台阶参数确定

2.1 台阶高度及台阶坡面角

台阶高度主要受连续系统年能力、工作线平均长度、台阶分层厚度、轮斗挖掘机的最大挖掘高度及地表年平均推进度等因素影响。连续系统年生产能力1 100 万m3、露天矿地表年平均推进度约450 m、有效工作线长度约1 100 m、轮斗挖掘机的最大挖掘高度为21 m，综合考虑轮斗挖掘机运行初期台阶高度选为18 m。确定由于上部剥离物强度较软，特别是第四系更为松散，轮斗挖掘机的工作帮台阶坡面角确定为47°。

2.2 台阶分层原则

轮斗挖掘机作业时，台阶的分层数越多，则轮斗挖掘机挖掘1 个块区循环所需的走行距离就大，消耗的时间就长；同时，斗轮转动作业时易发生物料撒落，台阶的分层数越多，堆积于坡底的物料就越多，使轮斗挖掘机不能最大限度的靠近坡底作业，减少了单个块区的推进距离，减少了循环采掘量，从而会降低生产效率，造成生产能力下降[5]。所以，在一定的台阶高度下，台阶的分层越少，轮斗挖掘机的作业效率越高。当轮斗挖掘机的作业台阶高度为18 m时，斗轮切削半径为6.3 m，按斗轮切削半径分层，作业面分为3 层效率最高。

2.3 分层高度确定

1）最上分层高度。当轮斗挖掘机挖掘主台阶时，增加台阶最上分层的高度，可以提高1 个块区循环体的挖掘量、减少设备对位次数，发挥轮斗挖掘机的有效生产能力。根据轮斗挖掘机挖掘的物料性质，作业台阶的最上分层高度一般大于斗轮的切削半径8.4 m。但是，通过对斗轮挖掘物料的机理分析及现场实际观察，轮斗挖掘机挖掘上分层时，当台阶分层高度小于斗轮的切削半径时，斗轮对物料的挖掘主要是切削，这样挖掘的物料块度小，容易进入铲斗，向外撒落的物料较少；当台阶分层高度大于斗轮的切削半径时，大于斗轮半径的部分，斗轮对物料的挖掘主要是撬动，作业过程中容易出现大块、顶部发生塌落，容易砸碰发生[6]，辅助设备需频繁清理塌落物料，降低了轮斗挖掘机的作业效率。结合伊敏矿区气候条件，由于冻冰期较长，连续系统在顶部物料将发生冻结时，切割阻力变大，增加轮斗挖掘机的挖掘难度，挖掘时易形成大块及发生物料塌落，影响轮斗挖掘机的正常作业。当顶部物料为无胶结、松散、易崩解状态时，将上分层高度控制在8.4 m，轮斗挖掘机的作业效率较高；当顶部物料为胶结状态、形成冻顶或大块较多时，应降低上分层的高度，避免顶部物料的塌落，减少辅助设备维护场地的次数，将上分层高度控制在6.5 m（斗轮的可切削作业高度），轮斗挖掘机的作业效率较高。

2）最下分层高度。由于轮斗挖掘机在挖掘台阶最下分层时斗轮臂与行走中心线之间的夹角往往小于斗轮臂的自由切割角，即确定的台阶分层高度应小于斗轮体两侧的结构件高度，以保证在作业过程中斗轮的结构体不与台阶的矿体发生碰撞。所以，此时的台阶分层高度应小于斗轮的切削半径，一般下分层高度为4.2 m。

3）轮斗挖掘机的作业台阶高度18 m，主采台阶分为3 层作业，可根据地表地质情况对台阶分层高度进行调整。当上分层高度为8.4 m 时，中间分层高度为5.4 m、下分层高度为4.2 m；当上分层高度为6.5 m 时，中间分层高度为7.3 m、下分层高4.2 m。

3 采掘带宽度确定

在轮斗挖掘机生产作业过程中，为保证轮斗挖掘机的推进，轮斗挖掘机在端工作面上每完成1 个块区（即上、中、下分层）的循环采掘后，都要由推土机设备配合平整工作面。因此，采掘带宽度的大小，将影响工作面的平整时间及频次[7-8]，对轮斗挖掘机的作业效率影响较大，选取合理的采掘带宽度十分必要。

根据工作面情况，斗轮体中心距机械回转中心距离L 为25 m；斗轮臂铰点轴距地面高度h1为13.3 m；斗轮体中心距地面最大高度h2为15.8 m；斗轮体中心距地面最小高度h3为6.3 m。

在轮斗挖掘机剥离最上分层时斗轮臂在水平面上的投影长度L1为：

在轮斗挖掘机剥离最下分层时斗轮臂在水平投影上的长度L2为：

将各参数代入式（1）、式（2）可得：L1=24.88 m，L2= 24 m。

轮斗挖掘机采上、下分层的回转角度如图1。

图1 轮斗挖掘机采上、下分层的回转角度

采掘带宽Amax为：

式中：Amax为采掘带宽度，m；γ1为斗轮剥离台阶上分层时，斗轮臂向台阶一侧的回转角度，取80°；γ2为斗轮剥离台阶下分层时，斗轮臂向采空区-侧的最大回转角度，取50°；H 为台阶高度，18 m；r 为斗轮半径，6.3 m；α 为台阶坡面角，取47°。

将各参数代入式（3）可得：Amax=37.43 m。当轮斗挖掘机剥离下分层时，斗轮臂向采空区一侧的的回转角度越小，台阶底部挖掘剩余量较多，设备维护时间越长，作业效率降低；回转角度为34 °、采掘带宽度为30.86 m 时生产效率较高；因此，轮斗挖掘机的合理采掘带宽度在30～37 m 之间时，轮斗挖掘机的作业效率较高。

4 移设步距的确定

在连续系统的运行过程中，随着地表的推进，工作面带式输送机需要跟随移设，以确保系统的连续作业。当轮斗挖掘机在同一采宽条件下，带式输送机的移设步距越大，采掘同等剥离量时的移设次数就越少，轮斗挖掘机的有效作业时间就越长，连续系统的生产效率就越大。移设步距的大小与轮斗挖掘机和转载机的线形尺寸、带式输送机移设周期内剥离的条幅数有关。

轮斗挖掘机作业时与工作面带式输送机垂直方向的有效尺寸为38 m（斗轮臂与排料臂最大作业夹角为±105 °，轮斗挖掘机作业时斗轮臂有效线性长度24.6 m、排料臂有效线性长度13.5 m），转载机与工作面带式输送机垂直方向的有效尺寸为79 m，因此在1 个移设周期内，轮斗挖掘机的最大采宽可达到117 m，由于工作帮与带式输送机间留有的安全距离（带式输送机中心线距离上分台阶坡底线10 m），最大的有效采宽为107 m。

结合轮斗挖掘机的作业特点，采用“三采一移”的作业方式，通过调整轮斗挖掘机的采掘带宽度，将带式输送机的移设步距控制在90～107 m 之间。通过控制每次的移设步距，可调节剥离工作面带式输送机与下部台阶的相对距离，以确保露天矿生产的稳定推进。