李照連

(廈門(mén)紫金工程設(shè)計(jì)有限公司)

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某大型礦山地下電機(jī)車運(yùn)輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李照連

(廈門(mén)紫金工程設(shè)計(jì)有限公司)

電機(jī)車運(yùn)輸是地下礦山水平巷道的主要運(yùn)輸方式之一，通過(guò)分析井下電機(jī)車、礦車的類型、優(yōu)缺點(diǎn)及其適用范圍，遵循電機(jī)車和礦車的選型原則及要點(diǎn),結(jié)合某礦山生產(chǎn)實(shí)際情況，確定電機(jī)車的型號(hào)、數(shù)量、牽引方式及車場(chǎng)布置，在此基礎(chǔ)上分析、計(jì)算礦車數(shù)量、列車數(shù)量等，最終確定合理的地下電機(jī)車運(yùn)輸系統(tǒng)，為礦山運(yùn)輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

地下電機(jī)車 礦車 運(yùn)輸系統(tǒng) 牽引方式

在世界許多礦山，電機(jī)車運(yùn)輸占有相當(dāng)大的比重，其具有運(yùn)量大、用途廣、清潔節(jié)能、維修簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在長(zhǎng)距離運(yùn)輸中有明顯的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。因此，對(duì)地下電機(jī)車運(yùn)輸系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)地分析、設(shè)計(jì)、選型及優(yōu)化，使其系統(tǒng)配置上更加經(jīng)濟(jì)、合理，充分發(fā)揮自身優(yōu)勢(shì)，有利于促進(jìn)地下電機(jī)車運(yùn)輸發(fā)展，對(duì)提高運(yùn)輸效率，降低礦山生產(chǎn)成本，創(chuàng)建綠色、節(jié)能礦山，促進(jìn)礦業(yè)發(fā)展都有重要意義。

1 國(guó)內(nèi)外電機(jī)車發(fā)展概況

自1882年德國(guó)西門(mén)子公司制造出世界第一臺(tái)4.5 kW地下架線式電機(jī)車以來(lái)，地下電機(jī)車在國(guó)內(nèi)外礦山得到廣泛的應(yīng)用，迄今已有130多a的歷史。機(jī)車重量在不斷提高，美國(guó)地下電機(jī)車粘著質(zhì)量已達(dá)到50～75 t。上世紀(jì)50年代，我國(guó)開(kāi)始了地下電機(jī)車研發(fā)和生產(chǎn)，經(jīng)過(guò)60多a的發(fā)展，已能生產(chǎn)具有電阻調(diào)速、斬波調(diào)速、變頻調(diào)速等功能1.5～50 t粘著質(zhì)量的各種類型電機(jī)車，產(chǎn)品種類、規(guī)格齊備，可滿足國(guó)內(nèi)礦山的需要，并少量出口。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展，各國(guó)根據(jù)本國(guó)礦山條件，對(duì)地下電機(jī)車作了很多改進(jìn)和升級(jí)換代，增大電機(jī)功率，推出新型電氣傳動(dòng)方式，在滿足機(jī)車安全可靠運(yùn)行的前提下，改善技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)重型化、高速化和無(wú)維護(hù)化。國(guó)內(nèi)外地下電機(jī)車發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)：

(1)品種規(guī)格的系列化和機(jī)車結(jié)構(gòu)的模塊化[1]。產(chǎn)品系列化可解決用戶多樣化的需求問(wèn)題，產(chǎn)品模塊化可縮短生產(chǎn)周期，降低制造成本，在短期內(nèi)裝配出大量不同品種規(guī)格的車型。例如，德國(guó)魯爾煤礦公司就有采用模塊化結(jié)構(gòu)組成不同形式的電機(jī)車，可以組裝成2段帶司機(jī)室的15 t機(jī)車；可以組裝成2套動(dòng)力裝置，每端有一個(gè)司機(jī)室的2×15 t機(jī)車；還有通過(guò)連接器組成的車型。因此，電機(jī)車結(jié)構(gòu)的模塊化技術(shù)是地下電機(jī)車發(fā)展方向之一。

(2)電氣傳動(dòng)設(shè)備的交流化[1]。目前，地下電機(jī)車的電氣傳動(dòng)設(shè)備也朝著微機(jī)控制的交流傳動(dòng)方向發(fā)展，國(guó)內(nèi)外廠家均已研制出交流傳動(dòng)的地下電機(jī)車。例如，德國(guó)西門(mén)子生產(chǎn)的交流傳動(dòng)防爆礦用蓄電池機(jī)車，蘭州機(jī)車廠研制的交流傳動(dòng)窄軌蓄電池機(jī)車等，這些產(chǎn)品的成功開(kāi)發(fā)都意味著交流傳動(dòng)已成為新一代地下電機(jī)車的發(fā)展主流。

(3)關(guān)鍵部件的免維護(hù)化[1]。電機(jī)車的牽引蓄電池、牽引電動(dòng)機(jī)及其傳動(dòng)裝置是決定機(jī)車是否正常運(yùn)行的關(guān)鍵部件。由于地下電機(jī)車工作條件相當(dāng)惡劣，因此，在礦井內(nèi)進(jìn)行維護(hù)是相當(dāng)困難的，提高關(guān)鍵部件的可靠性，采用免維護(hù)或少維護(hù)技術(shù)，增加產(chǎn)品壽命，也成為新一代地下電機(jī)車開(kāi)發(fā)的趨勢(shì)。

(4)遠(yuǎn)程遙控和自動(dòng)化采礦是現(xiàn)代礦業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，地下無(wú)人駕駛電機(jī)車運(yùn)輸系統(tǒng)是其重要環(huán)節(jié)。國(guó)外一些礦山的電機(jī)車運(yùn)輸系統(tǒng)自動(dòng)化已達(dá)到相當(dāng)高的水平，如瑞典KIRUNA鐵礦和美國(guó)的HENDERSON鉬礦用電子計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制整個(gè)運(yùn)輸系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛自動(dòng)運(yùn)行、遙控裝載和自動(dòng)卸載、自動(dòng)配礦和定址、數(shù)據(jù)遙測(cè)和發(fā)送、電視監(jiān)視等。中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司研發(fā)的地下礦無(wú)人駕駛電機(jī)車已于2012年在冬瓜山銅礦投入正式生產(chǎn)運(yùn)行，電機(jī)車在運(yùn)行過(guò)程中實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控裝礦，自動(dòng)運(yùn)行、卸礦，運(yùn)行狀態(tài)通過(guò)無(wú)線通訊實(shí)時(shí)顯示于調(diào)度室內(nèi)，必要時(shí)也可通過(guò)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)調(diào)度操控，非常方便。該技術(shù)可以適用于多列機(jī)車同時(shí)運(yùn)輸?shù)男枨?，可有效減少人員數(shù)量，提高運(yùn)輸效率，降低生產(chǎn)成本。

2 電機(jī)車和礦車選型原則

地下電機(jī)車的選擇主要是根據(jù)運(yùn)輸量、運(yùn)距、使用地點(diǎn)、裝卸方式、車輛型式等條件來(lái)確定。

地下電機(jī)車按電流類型分為直流和交流2種，直流電機(jī)車應(yīng)用最廣。直流電機(jī)車又分為架線式和蓄電池式兩大類。另外，還有架線蓄電池式和架線電纜式雙能源電機(jī)車。

架線式電機(jī)車一般用于出礦階段運(yùn)輸，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)容易，用電效率高，運(yùn)輸費(fèi)用低，是目前應(yīng)用最廣的一種機(jī)車，但在有爆炸性氣體的回風(fēng)巷道中禁止使用。蓄電池電機(jī)車多用于開(kāi)拓階段運(yùn)輸或作為某些運(yùn)輸環(huán)節(jié)上的短距離運(yùn)輸，以及受條件限制不能使用架線式電機(jī)車的地方。

礦車形式的選擇主要根據(jù)運(yùn)輸?shù)V物種類、礦石性質(zhì)(塊度、粉礦和泥水含量、黏結(jié)性等)、運(yùn)輸量、運(yùn)距、裝卸方式、料流落差、使用地點(diǎn)等條件來(lái)確定。

礦山目前常用的礦車主要有固定式、翻斗式、曲軌側(cè)卸式、底卸式及底側(cè)卸式等。各種礦車優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍詳見(jiàn)表1[2]。

表1 各種礦車優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍

地下電機(jī)車列車一般采用單機(jī)牽引。對(duì)于大中型礦山，運(yùn)輸任務(wù)特別繁忙或有特殊要求時(shí)，通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，可采用雙機(jī)或多機(jī)牽引。雙機(jī)(多機(jī))牽引可分為首部、首中、首尾牽引3種，其特點(diǎn)、適用條件見(jiàn)表2[2]。

表2 機(jī)車牽引方式及適用條件

階段運(yùn)量與電機(jī)車粘著質(zhì)量、礦車容積、軌距、軌型的一般關(guān)系見(jiàn)表3[1]。

3 工程設(shè)計(jì)應(yīng)用

3.1 礦山概況

國(guó)內(nèi)某金銅礦床是我國(guó)20世紀(jì)80年代發(fā)現(xiàn)并探明的特大型黃金和大型銅共生礦床之一。金礦床產(chǎn)于600 m標(biāo)高以上氧化帶中，為特大型低品位氧化金礦，可利用金屬儲(chǔ)量約達(dá)200 t；銅礦產(chǎn)于600 m標(biāo)高以下的原生帶中，已控制礦化最低標(biāo)高為-100 m，為次火山中低溫?zé)嵋捍笮偷V床，礦體為大脈狀，硫化銅礦石。礦山經(jīng)過(guò)多年開(kāi)發(fā)建設(shè)、技術(shù)改造，實(shí)現(xiàn)了跨越式發(fā)展。金礦采用露天開(kāi)采方式，礦石處理能力為11.36萬(wàn)t/d，目前，金礦生產(chǎn)已進(jìn)入尾聲。銅礦采用露天與井下聯(lián)合開(kāi)采方式，148 m以上采用露天開(kāi)采，148 m以下采用地下開(kāi)采，采礦方法為大直徑深孔階段空?qǐng)鏊煤蟪涮罘āＢ恫稍O(shè)計(jì)規(guī)模為7.5萬(wàn)t/d，其中，浮選規(guī)模為3.5萬(wàn)t/d，品位>0.28%；堆浸規(guī)模為4.5萬(wàn)t/d，品位為0.15%～0.28%。地采規(guī)模為50 t/d。4.5萬(wàn)t/d低品位堆浸礦石由銅選冶廠負(fù)責(zé)處理，本次設(shè)計(jì)的地下電機(jī)車運(yùn)輸系統(tǒng)是為銅選冶廠供礦，階段運(yùn)量達(dá)到1 485萬(wàn)t/a，電機(jī)車運(yùn)行車場(chǎng)不存在爆炸性氣體，綜合以上選型原則，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，擬設(shè)計(jì)20 t架線式電機(jī)車雙機(jī)首尾牽引12 m3底側(cè)卸式礦車運(yùn)輸。

表3 階段運(yùn)量與電機(jī)車粘著質(zhì)量的一般關(guān)系

3.2 運(yùn)輸方式及線路

采用平硐—溜井—電機(jī)車開(kāi)拓運(yùn)輸方式，礦石通過(guò)露采廠內(nèi)溜井下放到330 m水平相應(yīng)的裝礦硐室，由重型振動(dòng)給料機(jī)向礦車裝礦后，再由電機(jī)車通過(guò)330 m平硐牽引至地表選廠卸載站，進(jìn)入選廠破碎系統(tǒng)。主要設(shè)計(jì)參數(shù)：運(yùn)輸任務(wù)4.5萬(wàn)t/d低品位礦石；工作制度330 d/a，3班/d；礦石密度2.76 t/m3，松散系數(shù)1.36；單中段平硐運(yùn)輸，線路平均坡度4‰，平均運(yùn)距6 460 m(往返)。車場(chǎng)布置見(jiàn)圖1。

圖1 電機(jī)車運(yùn)輸系統(tǒng)車場(chǎng)布置

3.3 運(yùn)輸能力計(jì)算

首先核算列車組中礦車的數(shù)量，再確定列車的數(shù)量。列車組中礦車的數(shù)量按電機(jī)車啟動(dòng)和制動(dòng)條件的牽引能力計(jì)算，二者結(jié)果取小值。因平硐口到作業(yè)地點(diǎn)所經(jīng)平巷長(zhǎng)度超過(guò)1 500 m，需設(shè)置專用人車運(yùn)送人員[3]，速度不大于3 m/s。

3.3.1 礦車數(shù)量

(1)按電機(jī)車啟動(dòng)條件計(jì)算牽引能力?？紤]到地下運(yùn)輸最困難的情況，按電機(jī)車牽引重車沿彎道上坡啟動(dòng)核算牽引能力Qzh。

(1)

式中,Gjn為電機(jī)車黏著質(zhì)量,20 t；ψ為啟動(dòng)黏著系數(shù),0.2；n為機(jī)車數(shù)量,2輛；η為多機(jī)牽引效率,0.9；ωzh為重車啟動(dòng)時(shí)阻力系數(shù),0.006；ip為運(yùn)輸路線平均坡度，4‰；ωw為彎道阻力系數(shù),0.000 8；a為起動(dòng)加速度,m/s2；Gj為電機(jī)車質(zhì)量,20 t。

計(jì)算得出Qzh=433 t。

(2)按制動(dòng)條件計(jì)算牽引能力Qzh。14 t以上大型機(jī)車(或雙機(jī))牽引運(yùn)輸時(shí)制動(dòng)距離≤80 m[3]，重車下坡，限速15 km/h。

(2)

按啟動(dòng)條件計(jì)算牽引能力較小，故按此條件計(jì)算列車中礦車數(shù)，即

(3)

式中,Z為礦車數(shù)量，輛；G為每輛礦車有效裝載質(zhì)量，21.9 t/輛；G0為礦車的質(zhì)量,11.8 t。

計(jì)算得出Z=12.8輛，取12輛。

3.3.2 列車數(shù)量

列車往返一次的時(shí)間T為

(4)

式中，T1為總運(yùn)行時(shí)間，28.33 min，T1=2L/(60vp)，2L為加權(quán)平均運(yùn)距，6 460 m，vp為平均速度,3.8 m/s;t為調(diào)車時(shí)間,20 min。

計(jì)算得出T=48.33 min。

單列車每班可循環(huán)次數(shù)n1為

工程木協(xié)會(huì)(APA)成立于1933年，當(dāng)時(shí)是花旗松膠合板協(xié)會(huì)(Douglas Fir Plywood Association)，代表太平洋西北沿岸的膠合板行業(yè)的利益。由于技術(shù)的發(fā)展，南方黃松等其他樹(shù)種也可生產(chǎn)結(jié)構(gòu)膠合板，1964年該協(xié)會(huì)更名為美國(guó)膠合板協(xié)會(huì)(American Plywood Association)，以反映該組織不斷增長(zhǎng)的業(yè)務(wù)。

(5)

式中,tb為每班工作時(shí)間,6.5 h；其他符號(hào)意義同前。

計(jì)算得出n1=8.1次。

完成每班運(yùn)量需往返次數(shù)m為

(6)

式中，c為運(yùn)輸不均衡系數(shù)，1.2；Ab為某階段平均出礦量，1.5萬(wàn)t/班；其他符號(hào)意義同前。

計(jì)算得出m=68.4次。

需要的列車數(shù)N1為

(7)

式中，m1為每班運(yùn)人員、材料、設(shè)備需往返次數(shù)，2次；其他符號(hào)意義同前。

計(jì)算得出N1=8.7列,取9列。

3.4 設(shè)備選型

列車在同一線路上運(yùn)行，采用木軌枕雙軌運(yùn)輸線路，軌距為900 mm，軌型為50 kg/m，6#道岔，線路平均坡度為4‰，重車下坡。選用9列電機(jī)車即可完成運(yùn)輸任務(wù)，行車密度為5.4 min一列車。應(yīng)對(duì)運(yùn)輸線路、集中控制及信號(hào)設(shè)施進(jìn)行調(diào)整改造，增設(shè)“信、集、閉”自動(dòng)控制調(diào)度系統(tǒng)。所選設(shè)備及參數(shù)如下：

(1)ZK20-9/550-2C架線式地下礦用雙機(jī)牽引電機(jī)車，軌距為900 mm，軸距為2 500 mm，電壓為550 V，電動(dòng)機(jī)功率為2×85 kW，共20臺(tái)，其中18臺(tái)工作，2臺(tái)備用。

(2)12 m3底卸式礦車，軌距為900 mm，軸距為900 mm，共135輛，其中108輛工作，27輛備用。

(3)PRC型平巷人車，軌距為900 mm，裝載量為18人/輛，共2輛，1輛工作，1輛備用。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)某大型礦山地下電機(jī)車運(yùn)輸系統(tǒng)分析比較、計(jì)算選型，最終確定了較合理的電機(jī)車運(yùn)輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)投產(chǎn)多年，較好地完成了礦山既定的運(yùn)輸任務(wù)。電機(jī)車運(yùn)輸系統(tǒng)是一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，影響因素很多，應(yīng)根據(jù)運(yùn)輸?shù)V物種類、礦石性質(zhì)(塊度、粉礦和泥水含量、黏結(jié)性等)、運(yùn)輸量、運(yùn)距、裝卸方式、料流落差、使用地點(diǎn)等條件，結(jié)合相關(guān)選型原則，在滿足礦山采礦規(guī)劃的前提下，確定最佳運(yùn)輸系統(tǒng)。通過(guò)不斷提高運(yùn)輸系統(tǒng)的自動(dòng)化控制水平，使其更加技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理，充分發(fā)揮自身優(yōu)勢(shì)，從而促進(jìn)綠色、節(jié)能礦山的創(chuàng)建和發(fā)展。

[1] 張德明，李少磊，徐恩華，等.新編礦山采礦設(shè)計(jì)手冊(cè)：礦山機(jī)械卷[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2006.

[2] 王運(yùn)敏.中國(guó)采礦設(shè)備手冊(cè)[M].北京：科學(xué)出版社，2007.

[3] 國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB 16423—2006金屬非金屬礦山安全規(guī)程[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社， 2006.

2016-08-15)

李照連(1981—)，男，工程師，361006 福建省廈門(mén)市。