陳寶心 何存芳
(武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院)
露天采礦機(jī)生產(chǎn)能力的預(yù)測(cè)是露天采礦方法確定、機(jī)械選型、制定生產(chǎn)計(jì)劃及露天采礦機(jī)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析的基礎(chǔ)。影響露天采礦機(jī)生產(chǎn)能力因素很多,進(jìn)行生產(chǎn)能力預(yù)測(cè)是復(fù)雜的。國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)理論及試驗(yàn)研究,建立了許多露天采礦機(jī)的生產(chǎn)能力預(yù)測(cè)公式,但各種預(yù)測(cè)公式和方法都有一定的局限性,預(yù)測(cè)方法和系統(tǒng)還很不完善。本研究從眾多預(yù)測(cè)公式中選擇具有代表性的6種公式,結(jié)合具體的7個(gè)實(shí)例對(duì)6種預(yù)測(cè)公式進(jìn)行比較和分析討論。
為預(yù)測(cè)露天采礦機(jī)生產(chǎn)能力已發(fā)展了許多計(jì)算公式,它們使用了各種研究方法,歸納起來(lái)有如下幾種類型:
(1)經(jīng)驗(yàn)方法。該方法主要是基于大量生產(chǎn)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及對(duì)歷史記錄進(jìn)行統(tǒng)計(jì)而得到經(jīng)驗(yàn)公式。通常是把現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際生產(chǎn)能力與實(shí)測(cè)的巖石物理性質(zhì)、地質(zhì)條件及實(shí)際的露天采礦機(jī)規(guī)格聯(lián)系起來(lái),建立露天采礦機(jī)生產(chǎn)能力經(jīng)驗(yàn)公式。
(2)半經(jīng)驗(yàn)半理論方法。該方法是根據(jù)全尺寸巖樣綜合物理特性的測(cè)試和切割試驗(yàn)結(jié)果而建立的生產(chǎn)能力預(yù)測(cè)公式。最常用的切割試驗(yàn)是在線性切割機(jī)上,通過(guò)測(cè)量在不同切割條件下的切割力,切割比能等參數(shù),為現(xiàn)場(chǎng)巖石切割過(guò)程提供最可靠的模擬數(shù)據(jù),而后根據(jù)巖層條件和采礦機(jī)性能修正測(cè)定結(jié)果,建立露天采礦機(jī)生產(chǎn)能力半經(jīng)驗(yàn)半理論預(yù)測(cè)公式。
(3)理論方法。該方法是用一些假設(shè)和基本定理計(jì)算單個(gè)截齒上所受的力,然后求出整機(jī)所需的切割力、扭矩和功率,估計(jì)在已知巖石類型和選定機(jī)型的情況下,截齒可達(dá)到的切深和采礦機(jī)行駛速度,從而計(jì)算出生產(chǎn)能力。
露天采礦機(jī)的小時(shí)生產(chǎn)能力按下式計(jì)算[1-2]:
式中,Qh為采礦機(jī)小時(shí)生產(chǎn)能力,m3/h;B為采礦機(jī)一次采寬,m;h為采礦機(jī)一次切削深度,m;V為采礦機(jī)工作行走速度,m/min;K為作業(yè)時(shí)間利用率,與露天采礦機(jī)礦巖切割、調(diào)頭、空車行走、截齒更換、保養(yǎng)等時(shí)間有關(guān),時(shí)間利用率在0.5~1之間,實(shí)際中多為0.5~0.7。
對(duì)于給定露天采礦機(jī)機(jī)型,切削寬度B是確定的,切削深度h和行駛速度V是巖石強(qiáng)度、脆性和磨蝕性、巖體結(jié)構(gòu)等的函數(shù)。從切削試驗(yàn)中可直接測(cè)得切深值h和速度V。表1是文獻(xiàn)[2]給出的露天采礦機(jī)行駛速度與巖石抗壓強(qiáng)度的關(guān)系。
表1 露天采礦機(jī)行駛速度與巖石抗壓強(qiáng)度
根據(jù)能量守恒原則,即挖掘機(jī)械所產(chǎn)生的有效能等于破碎巖石所需的能量,可得到預(yù)測(cè)各種挖掘機(jī)械生產(chǎn)能力的通用公式[3-4],即
式中,N為采礦機(jī)切削滾筒的功率,kW;SE為巖石的切割破碎比能,kW·h/m3;η為露天采礦機(jī)能量轉(zhuǎn)化效率。
切割破碎比能SE可由切削試驗(yàn)實(shí)測(cè)得到,或根據(jù)切削下來(lái)的巖塊粒度估計(jì),也可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式估計(jì),例如,對(duì)于各種沉積巖,Roxborough[5]提出了巖石單軸抗壓強(qiáng)度σc與切割比能SE的關(guān)系:
1.3.1 Gehring經(jīng)驗(yàn)公式
Gehring[6]建立了露天采礦機(jī)生產(chǎn)能力預(yù)測(cè)經(jīng)驗(yàn)公式:
式中,K1、K2分別為巖石的脆性影響系數(shù)和巖體結(jié)構(gòu)面影響系數(shù),見(jiàn)表2;K3為切割條件影響系數(shù),是切割深度、切割滾筒震動(dòng)、截齒形狀和布置方式的函數(shù)。
表2 Gehring經(jīng)驗(yàn)公式系數(shù)表
1.3.2 Dey& Ghose經(jīng)驗(yàn)公式
Dey& Ghose[7]引入5個(gè)關(guān)鍵指標(biāo),即巖石點(diǎn)荷載強(qiáng)度、磨蝕性,巖體體積節(jié)理系數(shù)、結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀與切削方向的關(guān)系,露天采礦機(jī)功率等級(jí),建立可切削評(píng)價(jià)表(表3),并引入可切削指數(shù)C1,用于露天采礦機(jī)適用性綜合評(píng)價(jià)和生產(chǎn)能力預(yù)測(cè)。
表3 巖體可挖性指標(biāo)分級(jí)的評(píng)分表
對(duì)于給定的巖體和露天采礦機(jī),參照表3,可得這一特定條件下各指標(biāo)評(píng)分值,然后把各指標(biāo)評(píng)分值加起來(lái),得到可切削指數(shù)CI,即
可切削指數(shù)CI和露天采礦機(jī)生產(chǎn)能力存在如下關(guān)系:
式中,QR為額定生產(chǎn)效率,即指以最大切割深度,行使速度為8 m/min時(shí)的生產(chǎn)效率,m3/h。
懸臂式掘進(jìn)機(jī)工作原理與露天采礦機(jī)類似,因此,將用于預(yù)測(cè)懸臂式掘進(jìn)機(jī)生產(chǎn)能力公式進(jìn)行修正,有可能用于預(yù)測(cè)露天采礦機(jī)生產(chǎn)能力。
1.4.1 Bilgin經(jīng)驗(yàn)公式
土耳其伊斯坦布爾工程技術(shù)學(xué)院Bilgin[8]建立了預(yù)測(cè)懸臂式平巷掘進(jìn)機(jī)生產(chǎn)能力公式,該公式利用巖石的抗壓強(qiáng)度、巖體質(zhì)量指數(shù)RQD計(jì)算可切割指數(shù)RM,并認(rèn)為生產(chǎn)能力和設(shè)備功率成正比,得到如下公式:
式中,RM為巖石可切割指數(shù)。
1.4.2 Copur經(jīng)驗(yàn)公式
Copur[9]等人收集了懸臂式掘進(jìn)機(jī)在整體性較好的沉積巖中掘進(jìn)數(shù)據(jù),通過(guò)數(shù)據(jù)回歸得出如下公式:
式中,RP為掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)指數(shù);W為機(jī)器重量,t。
文獻(xiàn)[10]給出了7個(gè)礦的巖石/巖體特性指標(biāo),以及露天采礦機(jī)的性能參數(shù)和實(shí)際的生產(chǎn)能力Qs等數(shù)據(jù)(表4)。
表4中礦1,2,3是指印度Lakhanpur露天礦的Mahanadi煤田,其中礦1為煤層,礦2為灰色頁(yè)巖,礦3為泥質(zhì)煤。礦4,5是指印度水泥有限公司的Adanakuruchi石灰石礦山,礦6、礦7是Madras水泥有限公司某石灰石礦山。由于文獻(xiàn)[10]沒(méi)有給出巖石單軸抗壓強(qiáng)度σc、巖體質(zhì)量指數(shù)RQD和切削滾筒的功率N,本研究按σc=22Is50換算;RQD≈115-3.3Jv換算;切削滾筒的功率N取露天采礦機(jī)總功率Nc的80%。
表4 礦山巖石/巖體物理力學(xué)指標(biāo)及機(jī)械性能參數(shù)
用表4中的數(shù)據(jù)和上述所介紹的6個(gè)生產(chǎn)能力預(yù)測(cè)公式分別計(jì)算各礦山生產(chǎn)能力,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。
在計(jì)算中,破碎比能公式中的能量轉(zhuǎn)化效率η取0.95;Dey&Ghose公式中,結(jié)構(gòu)面與切削方向的關(guān)系評(píng)分值Js均為3分;相對(duì)誤差的絕對(duì)值為
相對(duì)誤差絕對(duì)值的平均值[11]為
相對(duì)誤差絕對(duì)值的標(biāo)準(zhǔn)差為
由表4和表5計(jì)算結(jié)果可以看到:
(1)按技術(shù)生產(chǎn)能力公式計(jì)算的相對(duì)誤差平均值珋δ和標(biāo)準(zhǔn)差S|δ|分別為19.4%、17.9%。珋δ在6個(gè)預(yù)測(cè)公式中為最小,但誤差離散較大。由于缺乏切削深度h與巖石和巖體性質(zhì)之間關(guān)系可靠的數(shù)據(jù),切削深度選取有一定的主觀性。計(jì)算時(shí),行走速度V按表1數(shù)據(jù)通過(guò)線性回歸得到公式 V=0.309 3σc+32.103來(lái)取值,切削深度按所選的露天采礦機(jī)最大切削深度的30%選取。
(2)破碎比能公式所得預(yù)測(cè)值全部比實(shí)際值低,相對(duì)誤差平均值珋δ=41.1%和標(biāo)準(zhǔn)差S|δ|=18.9%都較大。這是因?yàn)樵谟?jì)算時(shí),破碎比能是從巖石抗壓強(qiáng)度換算得到的,實(shí)際上只考慮巖石性質(zhì),而忽略巖體性質(zhì),即沒(méi)有考慮巖體結(jié)構(gòu)面對(duì)生產(chǎn)能力的影響。如果破碎比能是從全尺寸切割試驗(yàn)得到,結(jié)果將得到明顯改善。破碎比能公式為單指標(biāo)公式,且破碎比能指標(biāo)可從試驗(yàn)室全尺寸切割試驗(yàn)得到,使用方便,可以認(rèn)為是比較合理的計(jì)算方法。
表5 6個(gè)預(yù)測(cè)公式預(yù)測(cè)值和實(shí)際值對(duì)比
(3)按Gehring公式計(jì)算的相對(duì)誤差平均值珋δ和標(biāo)準(zhǔn)差S|δ|分別為39.3%、34.9%。主要原因是沒(méi)有可靠試驗(yàn)數(shù)據(jù),K1、K2、K3系數(shù)的選取有一定的主觀性。Gehring沒(méi)有具體給出K3的取值,表5中取K3=1.4是根據(jù)誤差較小得到的。
(4)按Dey&Ghose公式計(jì)算的相對(duì)誤差平均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為21.6%和13.7%,S|δ|在6個(gè)預(yù)測(cè)公式中最小,說(shuō)明相對(duì)誤差的波動(dòng)小,計(jì)算結(jié)果可靠。Dey&Ghose公式是基于巖體分級(jí)的指標(biāo)得到的生產(chǎn)能力預(yù)測(cè)公式,考慮因素比較多,預(yù)測(cè)結(jié)果較接近實(shí)際值。
(5)Bilgin公式和Copur公式都是根據(jù)懸臂式掘進(jìn)機(jī)生產(chǎn)數(shù)據(jù)得到的。懸臂式掘進(jìn)機(jī)切削滾筒的剛性、機(jī)器穩(wěn)定性比露天采礦機(jī)差,工作模式和操作者水平對(duì)生產(chǎn)能力影響也有較大的差別。因此,Bilgin公式和Copur公式用于預(yù)測(cè)露天采礦機(jī)生產(chǎn)能力,需要對(duì)它們進(jìn)行修正。設(shè)修正系數(shù)為β,即露天采礦機(jī)理論生產(chǎn)能力為懸臂式掘進(jìn)機(jī)理論生產(chǎn)能力的β倍。當(dāng)β=1.5時(shí),按Bilgin公式計(jì)算的相對(duì)誤差平均值珋δ和標(biāo)準(zhǔn)差S|δ|分別為46.5%,19.5%;Copur公式的珋δ和S|δ|分別為31.9%,16.5%。當(dāng)β=2.5 時(shí),Bilgin 公 式 的 珋δ和 S|δ|分 別 為 24.5%,22.2%;Copur 公 式 的 珋δ和 S|δ|分 別 為 84.3%,60.7%,這兩個(gè)公式預(yù)測(cè)結(jié)果誤差都較大。但當(dāng)β=2.5,Bilgin公式的相對(duì)誤差平均值珋δ和標(biāo)準(zhǔn)差S|δ|與Dey&Ghose公式的比較接近,而且Bilgin公式考慮了巖石的抗壓強(qiáng)度、巖體質(zhì)量指數(shù)RQD和機(jī)器的性能參數(shù),而Copur公式只考慮了巖石的抗壓強(qiáng)度以及露天采礦機(jī)機(jī)身重量,并未考慮巖體性質(zhì)參數(shù),故Bilgin公式優(yōu)于Copur公式。
(1)計(jì)算結(jié)果表明,6個(gè)生產(chǎn)能力預(yù)測(cè)公式的預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)能力都有較大誤差。
(2)技術(shù)生產(chǎn)能力公式在6個(gè)生產(chǎn)能力預(yù)測(cè)公式中相對(duì)誤差平均值最小,誤差的波動(dòng)也較小。通過(guò)回歸得到行走速度和巖石強(qiáng)度之間的關(guān)系是可行的,切削深度和巖石強(qiáng)度之間的具體關(guān)系還有待進(jìn)一步的研究。
(3)Dey&Ghose公式考慮因素比較多,在6個(gè)生產(chǎn)能力預(yù)測(cè)公式中,相對(duì)誤差平均值較小,誤差的波動(dòng)最小,該公式較可靠。
(4)破碎比能公式中破碎比能指標(biāo)可從試驗(yàn)室全尺寸切割試驗(yàn)中獲得,可認(rèn)為是比較合理的計(jì)算方法。破碎比能公式為半經(jīng)驗(yàn)半理論公式,可用于驗(yàn)證其他預(yù)測(cè)公式的準(zhǔn)確性。
(5)對(duì)預(yù)測(cè)懸臂式掘進(jìn)機(jī)生產(chǎn)能力的公式進(jìn)行修正,可用于預(yù)測(cè)露天采礦機(jī)生產(chǎn)能力。
(6)綜合考慮巖石、巖體、機(jī)械等參數(shù)得出的生產(chǎn)能力預(yù)測(cè)公式更為準(zhǔn)確。
(7)目前,盡管預(yù)測(cè)露天采礦機(jī)生產(chǎn)能力方法較多,但預(yù)測(cè)方法和系統(tǒng)還很不完善,每種方法都有其優(yōu)缺點(diǎn)。因此,宜采取多種方法進(jìn)行計(jì)算,結(jié)合實(shí)際比較分析,綜合選取最優(yōu)的方法,以降低風(fēng)險(xiǎn)。
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