露天矿卡车端帮道路参数优化

2021-01-05赵明

露天采矿技术 2020年6期

赵明

（中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司，辽宁沈阳 110015）

露天矿的矿岩运输是露天开采工艺中最重要的环节之一，运输成本一般占露天矿生产总成本的50%～60%，部分深大露天矿的运输成本占比已超过60%。因此，运输系统的优化研究一直是国内外露天采矿领域的重点研究课题。如相邻露天矿的运输系统优化[1－2]，排土场运输系统优化[3－4]，时变运输功最小路径优化[5]，运煤系统优化[6]，运输系统设备数量优化[7]。

卡车运输完成工程量在露天矿的矿岩运输占有很大比例。对露天矿卡车的研究主要集中在对卡车调度系统优化研究[8-10]和卡车运输等方面。对卡车运输道路参数设计主要依据露天矿规范进行参数选取，未对卡车运输端帮道路参数优化进行深入分析。为此，通过MATLAB 软件分析卡车速度、行驶时间和行驶距离，确定重载上坡离开速度、上坡减速行驶时间、平段加速行驶时间和距离。由此进行端帮坡道高度、坡道长度和坡道坡度优化设计。使参数优化基于卡车运行性能和行驶路面条件，优化结果可保证卡车运行平均速度最高，节省循环时间，提高运行效率。合理的设计道路参数，对保证卡车高效行驶具有重要意义。

伊敏三号露天矿卡车矿山道路为Ⅱ级，筑路材料采用爆破后较坚硬的剥离物，路面宽度30 m，最小曲线半径40 m。为提高卡车效率、节省燃料、节省轮胎消耗及保证行车安全，对矿山道路进行经常养护和定期维修，使之保持良好状态。此外，为减少尘土飞扬及环境污染，影响人体健康，还对路面进行日常洒水降尘。同时配备平路机、压路机等道路维护设备，及时对道路进行清理平整。

1 坡道行驶状态分析

1.1 重载上坡行驶状态

根据卡车重载上坡的力学关系分析行驶状态，卡车重载上坡力学关系如图1。卡车重载上坡时减速行驶，有与行驶方向相同的驱动力Fq和惯性力Fx，与行驶方向相反的滚动阻力Fg、空气阻力Fk和坡度力Fp。

图1 卡车重载上坡力学关系

空气阻力相比驱动力数值小，卡车重载上坡行驶时速度逐渐变小，驱动力逐渐变大，加速度从负值变到零，不限制坡道距离的情况下，卡车从减速运动变为匀速运动。考虑露天矿坡道距离限制，加速度一直为负值，卡车保持减速运动。

1.2 空载下坡行驶状态

卡车空载下坡力学关系如图2。卡车空载下坡时加速行驶，有与行驶方向相同的驱动力和坡度力，与行驶方向相反的惯性力、滚动阻力和空气阻力。

相比卡车重载上坡行驶，卡车空载下坡行驶时的重量仅为卡车自重。

卡车空载下坡行驶时速度逐渐变大，驱动力逐渐变小，不限制行驶速度时，加速度从正值变到0，不限制坡道距离的情况下，卡车从加速运动变为匀速运动。考虑露天矿限制运输行驶速度和坡道距离限制，加速度一直为正值，卡车保持加速运动。因卡车制动作用，卡车可认为以最高限制速度匀速行驶。

图2 卡车空载下坡力学关系

2 平段行驶状态分析

2.1 重载平段行驶状态

卡车重载平段力学关系如图3。卡车重载平段时加速行驶，有与行驶方向相同的驱动力，与行驶方向相反的惯性力、滚动阻力和空气阻力。相比卡车坡道行驶，卡车平段行驶坡道角度为0°，无坡度力。

图3 卡车重载平段力学关系

卡车重载平段行驶时速度逐渐变大，驱动力逐渐变小，不限制行驶速度时，加速度从正值变到0，不限制平段距离的情况下，卡车从加速运动变为匀速运动。考虑露天矿限制运输行驶速度，加速度一直为正值，卡车保持加速运动。由于卡车制动作用，卡车加速到最高限制速度后，可认为以最高限制速度匀速行驶。

2.2 空载平段行驶状态

卡车空载平段力学关系如图4。卡车空载平段时加速行驶，有与行驶方向相同的驱动力，与行驶方向相反的惯性力、滚动阻力、空气阻力。

图4 卡车空载平段力学关系

卡车空载平段行驶时速度逐渐变大，驱动力逐渐变小，不限制行驶速度时，加速度从正值变到零，不限制平段距离的情况下，卡车从加速运动变为匀速运动。考虑露天矿限制运输行驶速度时，加速度一直为正值，卡车保持加速运动。由于卡车制动作用，卡车加速到最高限制速度后，可认为以最高限制速度匀速行驶。

3 实证研究

伊敏三号露天矿采用单斗-卡车间断工艺，台阶水平分层，单斗挖掘机端工作面挖掘、平装车，卡车工作面折返调车。工作平盘由采掘带、运输道路及安全宽度等要素组成，工作平盘宽度为65 m，采掘带宽度取25 m。在端帮布置运输道路，按边坡稳定及运行设备线路规格，确定运输平盘宽度为46 m。卡车从工作面通过端帮道路和地表将原煤或剥离物运至储煤仓或排土场。端帮道路参数设计卡车运行条件为：①运输高度：60.00 m；②卡车驱动功率：1 864.00 kW；③卡车及矿石质量：389 t；④卡车行驶方向投影面积：61.80 m2；⑤最高限制速度：30.00 km/h；⑥水平方向总运距：4 000.00 m。

3.1 坡道高度

坡道高度即为端帮台阶高度，当坡道坡度为8%，台阶高度设计为10、12、15 m 时，坡道距离分别为125.00、150.00、187.50 m。

卡车行驶最高限制速度30.00 km/h 作为卡车重载上坡起始速度。由于卡车速度非匀速变化，采用MATLAB 软件求解定积分对速度变化进行分析。计算卡车重载上坡离开速度分别为19.58、17.67、15.27 km/h。由车重载上坡起始速度和离开速度得卡车重载上坡行驶时间分别为18.44、23.28、31.52 s。由坡道距离和卡车重载上坡行驶时间得卡车重载上坡平均速度分别为24.40、23.20、21.41 km/h。

由卡车重载上坡离开速度（卡车重载平段开始速度）和卡车重载上坡开始速度（卡车重载平段离开速度）得平段距离分别为229.05、248.25、266.28 m；由此得卡车重载平段行驶时间分别为32.44、36.15、40.08 s。由平段距离和卡车重载平段行驶时间得卡车重载平段平均速度分别为25.42、24.73、23.92 km/h。

坡道个数分别为6、5、4，端帮总距离（包括连接地表的端帮坡道加速到最高速度的地表平段距离）分别为2 124.27、1 991.27、1 815.13 m；端帮重载总行驶时间分别为305.26、297.13、286.39 s；端帮重载平均速度分别为25.05、24.13、22.82 km/h。

坡道距离和为卡车实际行驶距离，卡车在水平方向的行驶距离为坡道距离在水平面上的投影长度，分别为124.60、149.52、186.90 m。端帮水平方向总距离分别为2 121.87、1 988.87、1 812.72 m。

剩余的端帮外水平方向距离（平段）包括3 段行驶状态，从装运点0 km/h 到最高速度30 km/h 重载加速运动；保持最高速度30.00 km/h 重载匀速运动；从最高速度30.00 km/h 到卸载点0 km/h 重载减速运动。重载加速运动行驶距离为295.67 m；行驶时间为50.22 s；平均速度21.19 km/h。重载减速运动由于卡车制动，时间很短，行驶距离近似为0 m。重载匀速运动行驶距离分别为1 582.47、1 715.47和1 891.61 m；行驶时间为189.90、205.86、226.99 s。卡车重载总行驶时间分别为545.38、553.21、563.61 s；平均速度分别为26.40、26.03、25.55 km/h。

卡车空载行驶从卸载点加速到最高速度后可保持最高速度行驶，不同坡道高度条件下卡车行驶状态一致。以卡车重载行驶情况进行坡道高度优化设计。卡车重载行驶情况具体见表1。

表1 卡车重载行驶情况（坡道高度）

由表1 可知，随着坡道高度增加，坡道距离增大。上坡起始速度一致的情况下，减速时间增加；上坡行驶时间增加，上坡离开速度和平均速度减小。

1）平段开始速度（即上坡离开速度）减小，平段离开速度一致，加速时间增加；平段行驶时间增加。坡道高度大，平段开始速度小，先加速到坡道高度小的平段开始速度，增加了此段行驶距离，此段距离速度小于坡道高度小的平段开始速度；平段距离增大，平段平均速度减小。

2）坡道个数减少，端帮总距离减小，端帮总行驶时间减少。上坡和平段平均速度都减小；端帮平均速度减小。

3）端帮外加速距离和行驶时间一致。端帮水平方向总距离减小，总运距一致；端帮外匀速距离增大。匀速速度一致，端帮外匀速行驶时间增加。

总行驶时间增加，总运距一致；平均速度减少。坡道高度小，可节省卡车行驶时间，增加运行速度，提高卡车运输效率。

坡道高度为10 m 时，端帮水平方向的总距离为2 121.87 m，减去地表平段距离后为1 892.82 m，端帮需要保证1 892.82 m 的长度才能同向布置道路。当端帮长度不足时，反向布置1 个坡道，端帮外匀速距离增加2 个坡道水平方向距离为1 831.67 m，行驶时间为219.80 s。总行驶时间为575.28 s，平均速度为25.03 km/h。此种情况下端帮长度需满足1 770.63 m，坡道高度为12 m 和15 m 时减去地表平段距离后，分别为1 743.02 m 和1 548.85 m，可同向布置道路。坡道高度为10 m 时反而总行驶时间最长，平均速度最小。

3.2 坡道长度

当坡道坡度为8%，台阶高度为10 m，坡道单台阶和双台阶布置，即坡道长度为125.00 m 和250.00 m 时，卡车重载行驶情况具体见表2。

由表2 可知，坡道长度增加，总行驶时间增加，平均速度减少。坡道长度小，可提高卡车运输效率。坡道长度增加相当于坡道高度增加1 倍，可有效减少端帮道路布置长度，但阻断一半台阶的端帮运输。坡度高度和坡道长度变化，卡车重载上坡坡道阻力一致。坡度高度和坡道长度小时，端帮内卡车可保证相对较高速度行驶。端帮外匀速距离短，30 km/h 最高速度限制的情况下，总体可节省时间。相比坡度高度15 m，坡度高度10 m 时，端帮总距离多133.00 m，端帮总行驶时间多8.13 s；端帮外匀速距离少133.00 m，端帮外匀速行驶时间少15.96 s，节省7.83 s。最高速度达到58.86 km/h 时行驶时间才一致。