蔡寶加，劉清勛

（華能伊敏煤電有限責(zé)任公司 露天礦，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021134）

WK-10B型電鏟分層選采效率研究

蔡寶加，劉清勛

（華能伊敏煤電有限責(zé)任公司 露天礦，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021134）

針對伊敏露天礦16#煤層組分層賦存條件，通過定義挖掘條件系數(shù)和分層作業(yè)效率的概念及計算公式，對WK-10B型電鏟在伊敏露天礦16#煤層組分層選采中作業(yè)效率進行研究，揭示了夾矸厚度、分層高度等參數(shù)對分層作業(yè)效率的影響規(guī)律。研究結(jié)果給出了WK-10B型電鏟在伊敏露天礦的合理采掘高度，確定了提高WK-10B型電鏟作業(yè)效率的工程措施，達(dá)到了提高電鏟在分層作業(yè)中電鏟效率的目的。

露天礦；分層選采；復(fù)合型煤層；設(shè)備效率；分層作業(yè)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

伊敏露天礦的主采煤層為15#、16#煤層，15#局部發(fā)育、16#煤層全區(qū)發(fā)育。在2009年開始采區(qū)扇形過渡，自二采區(qū)過渡至三采區(qū)，因此，年度采區(qū)推進為東快西慢，年度采出煤炭相對集中于采區(qū)東部。在2014年采區(qū)東部推進過16線之后，16#煤層中的夾矸層自西向東層數(shù)、厚度逐漸增加，在常規(guī)采掘作業(yè)中，夾矸層混入，導(dǎo)致采出煤質(zhì)逐漸下降，造成煤炭發(fā)熱量降低。為降低16#煤層的夾矸混入率，提高采出煤炭的應(yīng)用發(fā)熱量，需要對16#煤層進行分層選采。

通過研究伊敏露天礦最小采掘設(shè)備WK-10B型電鏟在16#煤層組中選采作業(yè)的相對分層效率變化，了解其在分層選采中的相對分層設(shè)備效率變化趨勢，確定利用其采掘合理的分層高度及優(yōu)化工程措施，實現(xiàn)提高其作業(yè)效率的目的[1-3]。

1 WK-10B型電鏟在分層開采中的效率分析

依據(jù)采掘設(shè)備小時作業(yè)能力計算公式（1）可知[4]，伊敏露天礦的WK-10B型電鏟的選采作業(yè)是在同一礦山、同一采掘設(shè)備條件下，在煤炭分層選采作業(yè)中勺斗容積、時間利用系數(shù)、平均循環(huán)時間、松散系數(shù)不會發(fā)生變化，對設(shè)備作業(yè)能力造成影響的應(yīng)為滿斗系數(shù)Km，因此，煤炭的分層選采對設(shè)備效率的影響，僅需要研究因夾矸層層數(shù)、厚度變化對滿斗系數(shù)的影響即可[5]。

采掘設(shè)備小時作業(yè)能力計算公式：

式中：Q為小時作業(yè)能力，m3/h臺；V為鏟斗容積，m3；Km為滿斗系數(shù)，%；η為時間利用系數(shù)，%；T為平均循環(huán)時間，s；Ks為松散系數(shù)。

1.1 伊敏露天礦WK-10B型電鏟滿斗條件

1）WK-10B型電鏟挖掘條件系數(shù)的確定。設(shè)定一個系數(shù)a，使其為WK-10B型電鏟在伊敏露天礦滿足滿斗系數(shù)0.9的條件系數(shù)，并將該系數(shù)定義為電鏟挖掘條件系數(shù)，即：

式中：Km為滿斗系數(shù)，a為挖掘條件系數(shù)，電鏟挖掘條件系數(shù)定義：挖掘條件系數(shù)是電鏟在作業(yè)條件發(fā)生變化時，其挖掘物料體積與設(shè)計滿斗系數(shù)條件下的挖掘物料體積的比值。

因伊敏露天礦的電鏟作業(yè)條件僅臺階高度發(fā)生變化，所以，電鏟挖掘條件系數(shù)為的影響因素僅考慮臺階高度變化影響。

引入挖掘條件系數(shù)的概念在于可將挖掘條件與滿斗系數(shù)之間的關(guān)系數(shù)字化，并可通過數(shù)學(xué)研究計算出挖掘條件變化后的滿斗系數(shù)取值。挖掘條件系數(shù)其用途主要在反應(yīng)出電鏟挖掘條件與電鏟滿斗系數(shù)取值的關(guān)系。當(dāng)電鏟挖掘條件中某一項因素發(fā)生變化，而其他因素未改變時，挖掘條件系數(shù)可通過公式化反應(yīng)出該因素與滿斗系數(shù)的關(guān)系。

2）WK-10B型電鏟挖掘條件系數(shù)公式的確定。通過在伊敏露天礦對WK-10B型電鏟滿斗條件的現(xiàn)場測定，在電鏟不進行下挖情況下，當(dāng)物料厚度為0.2 m時，電鏟無法采掘任何物料，當(dāng)物料厚度為6 m時，是滿足WK-10B型電鏟的滿斗系數(shù)0.9的基本條件，當(dāng)分層高度在6 m及以上時，均可實現(xiàn)滿斗系數(shù)0.9。

因WK-10B型電鏟為電動機械正鏟，挖掘過程由推壓機構(gòu)和提升機構(gòu)合作完成的，其挖掘物料的多少與物料高度有直接關(guān)系，因此，在其垂線方向，挖掘物料高度將影響挖掘物料高度，即垂線方向上反映出物料高度與被物料切片面積。因此，其擬合公式中不應(yīng)出現(xiàn)修正系數(shù)X，所以，采用數(shù)值代入計算。設(shè)定在不同物料高度條件下，電鏟裝載量計算公式為：

式中：V為裝載量，m3；X為物料高度，m；A為調(diào)整系數(shù)；C為初始值。

式（3）中，調(diào)整系數(shù)A的作用：①修正物料高度對物料切片面積的影響；②補償勺斗切口面接觸長度，以補償計算結(jié)果為體積。

因電鏟在不下挖的情況下，受到設(shè)備自身影響，在物料高度大于0 m時，已產(chǎn)生無法挖掘到任何物料的情況，因此，進行初始賦值，設(shè)定初始值C。

因挖掘條件系數(shù)是反映電鏟在不同物料高度情況下的，挖掘物料量與滿斗條件下的挖掘物料量的比值。且在現(xiàn)場測定時，也是以此為標(biāo)準(zhǔn)，因此，將V替換為挖掘條件系數(shù)a，并帶入現(xiàn)場測定數(shù)據(jù)，通過計算獲得公式（4）。

電鏟的挖掘條件系數(shù)計算公式：

式中：a為挖掘條件系數(shù)，%；X的系數(shù)100表示滿斗條件100%。

因在滿斗系數(shù)僅能達(dá)到0.9的12 m采掘臺階中，滿斗系數(shù)不可能大于0.9，也就是挖掘條件系數(shù)不可能大于1。結(jié)合現(xiàn)場生產(chǎn)實際，需要對公式的區(qū)間進行限定，限定后，式（5）變?yōu)橄铝泄健?/p>

3）分層高度與挖掘條件系數(shù)的關(guān)系討論。以0.2 m為步距，通過式（5）可計算出分層高度在0.2～12 m之間變化，其挖掘條件系數(shù)數(shù)值。依據(jù)計算所得的數(shù)據(jù)，繪制WK-10B型電鏟挖掘條件系數(shù)與分層高度的關(guān)系曲線圖1。

圖1 挖掘條件系數(shù)與分層高度的關(guān)系曲線

通過圖1可知，在式（5）條件下，挖掘條件系數(shù)在分層厚度為0.2～6.0 m時，滿斗系數(shù)呈現(xiàn)曲線變化，在分層厚度為6～12 m時，挖掘條件系數(shù)不變，電鏟采掘處于滿斗狀態(tài)，與生產(chǎn)實踐相吻合。

1.2 分層高度與WK-10B型電鏟效率的關(guān)系

將式（5）代入式（1）中，可獲得WK-10B型電鏟在不同分層厚度下的設(shè)備小時能力，通過設(shè)備小時能力對比可計算出，

設(shè)備小時能力公式如下：

式中：Qi為小時作業(yè)能力，m3/h臺，Xi的系數(shù)100表示滿斗條件100%，V為鏟斗容積，m3；Km為滿斗系數(shù)，%；η為時間利用系數(shù)，%；T為平均循環(huán)時間，s；Ks為松散系數(shù)。Qi為分層高度Xi下的設(shè)備小時能力，m3/h臺。

2 賦存夾矸層時WK-10B型電鏟分層作業(yè)效率

2.1 分層作業(yè)效率定義及計算

在煤層中賦存夾矸層數(shù)不同，原有12 m的煤臺階被二次分層為多層[6]，本文僅對煤臺階被分層為2～7層進行研究。煤臺階被二次分層情況如圖2。

圖2 12 m煤臺階被夾矸層二次分層示意圖

考慮到WK-10B型電鏟的實際挖掘條件系數(shù)及煤臺階被二次劃分后的煤分層的頂?shù)装鍝p失的因素，煤分層初始厚度設(shè)定為2 m，而夾矸層按照三期初步設(shè)計中0.5 m及以上需要剔除的要求，初始夾矸層厚度設(shè)定為0.5 m。研究步距長度設(shè)定為0.5 m，在此條件下，對夾矸層所處位置變化和夾矸層厚度變化與電鏟分層作業(yè)效率變化進行研究[7]。

分層作業(yè)效率定義：在作業(yè)范圍、總工程量相同情況下，電鏟正常開采作業(yè)小時數(shù)與分層開采作業(yè)小時數(shù)的比值百分?jǐn)?shù)，體現(xiàn)的是分層相對設(shè)備效率[8]。因在伊敏露天礦的實際生產(chǎn)作業(yè)中，分層數(shù)和分層高度為分層作業(yè)效率的最大影響因素，其他因素影響非常小，因此，以下分析僅考慮分層數(shù)和分層高度的影響，對其他影響忽略不計。

通過上述定義可知，分層作業(yè)效率公式。即：

式中：Kn為分層作業(yè)效率，%；Qi為小時作業(yè)能力，m3/h臺，Xi的系數(shù)100表示滿斗條件100%，H為臺階高度，取值12 m；

將式（1）、式（4）、式（6）代入式（7），獲得分層作業(yè)效率公式（8）如下。

式中：ai為第i分層的挖掘條件系數(shù)；Xi為第i分層的厚度，m；S為作業(yè)面積，m2。

2.2 賦存多層夾矸層時的分層作業(yè)效率趨勢分析

1）不同分層數(shù)下的分層作業(yè)效率趨勢。過式（8）可計算出12 m煤臺階被夾矸二次分層為2～7層時的各種情況下的分層作業(yè)效率，同時考慮煤分層和煤分層均為煤層，存在互換性，而夾矸分層與夾矸分層均為夾矸層，存在互換性，但煤分層與夾矸分層物料性質(zhì)不同，不存在互換性等問題，可對各種情況下的數(shù)據(jù)分析進行簡化。

通過分層效率計算，確定不同分層數(shù)是的趨勢結(jié)論如下：①在2個分層時，在夾矸厚度為6 m處出現(xiàn)折點，分層作業(yè)效率達(dá)到100%。當(dāng)出現(xiàn)較薄分層時，分層作業(yè)效率較低。在數(shù)學(xué)關(guān)系上，二分層中的分層越薄，其分層作業(yè)效率越低，且可能存在無限接近零。②在3個分層時，，分層作業(yè)效率隨夾矸層的增加先升高，后降低，分層作業(yè)效率最大值出現(xiàn)在夾矸厚度為4 m時，同時，在夾矸層厚度小于1 m時，分層作業(yè)效率極低，且與其他分層組合情況下未出現(xiàn)計算值交叉問題。③在4個分層時，分層作業(yè)效率最大時為4個分層厚度相同，分層厚度均為3m時，分層作業(yè)效率為24.92%。分層作業(yè)效率先隨兩個夾矸分層厚度總和下降逐步增大，然后，分層作業(yè)效率隨兩個夾矸分層厚度總和下降逐步減小。④在5個分層時，分層作業(yè)效率已降低至16%以下，說明在分層數(shù)達(dá)到5層時，設(shè)備效率已處于非常低狀態(tài)。且不再需要進行5個分層以上情況的計算。

2）不同分層數(shù)下的分層作業(yè)效率趨勢對比。將12煤臺階處于2～5個分層的分層作業(yè)效率上限、下限之間進行比較，可繪制趨勢對比圖3、4。

通過趨勢對比圖可知隨著煤臺階被夾矸層劃分的分層數(shù)越多，可分臺階開采的可能性越低，WK-10B型電鏟可滿斗作業(yè)的機會越少，可發(fā)揮出的分層作業(yè)效率越低。

圖3 分層作業(yè)效率上限對比圖

圖4 分層作業(yè)效率下限對比圖

通過對單一煤臺階被1～2個夾矸層劃分為2～5個分層的情況下，確定不同分層高度的組合方式，并計算其分層作業(yè)效率，通過分層作業(yè)效率的趨勢分析，進一步明確WK-10B型電鏟在分層選采中的設(shè)備能力發(fā)揮。

確定結(jié)論如下：①單一臺階被二次分層的層數(shù)越多，其分層作業(yè)效率越低，并在分層數(shù)量達(dá)到6個及以上時，WK-10B型電鏟的分層作業(yè)效率較低，已不適合進行選采作業(yè)。②單一臺階被二次分層的層組結(jié)構(gòu)中，厚度最小的分層對WK-10B型電鏟的分層作業(yè)效率影響最大。③在單一臺階被二次分層為多個分層時，在分層數(shù)量一定時，其分層厚度的差值越小，其分層作業(yè)效率越高。④在生產(chǎn)組織中，應(yīng)避免WK-10B型電鏟采掘較薄分層，以保證電鏟作業(yè)效率，同時，需注意層組機構(gòu)，以保證整體推進需求。

3 結(jié)論

通過上述分析，確定WK-10B型電鏟在伊敏露天礦分層選采過程中的設(shè)備效率和分層作業(yè)效率變化趨勢，即隨著單分層高度的降低，設(shè)備效率下降；隨著分層數(shù)的增加，分層作業(yè)效率下降。依據(jù)上述研究中確定的趨勢，可提出提高WK-10B型電鏟分層開采作業(yè)效率措施：

1）減少分層數(shù)。因分層開采的主要原因為提高采出煤炭質(zhì)量，在此種情況下，如較薄夾矸層混入后能夠保證煤質(zhì)要求，則不進行分層，以減少分層數(shù)量，提高設(shè)備效率。同時對兩層夾矸層間的小于0.5 m的煤炭可不再進行分層選采。

2）增加分層高度。因在伊敏露天礦的實際生產(chǎn)，開采為16#煤層組，并非單一臺階，因此，要依據(jù)整個煤層組的夾矸層分布情況進行二次分層，以調(diào)高分層高度，以提高設(shè)備效率。

3）劃分WK-10B型電鏟臺階高度標(biāo)準(zhǔn)。通過挖掘條件系數(shù)計算可知，在分層高度為4.3 m時，WK-10B型電鏟挖掘條件按系數(shù)為50%，原設(shè)備效率降低50%，因此，可確定大于4.3 m的分層厚度由WK-10B型電鏟挖掘，小于此分層高度利用其他小型設(shè)備采掘。

4）利用專業(yè)設(shè)備或工程設(shè)備進行較薄分層開采利用露天采礦機或工程機械等設(shè)備開采高度小于4.3 m的分層，即能充分發(fā)揮挖掘設(shè)備效率，又能提高WK-10B型電鏟的采掘效率，有利于降低露天礦生產(chǎn)成本。

［1］駱中州.露天采礦學(xué)［M］.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1986.

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【責(zé)任編輯：張東旭】

Research on the efficiency of WK-10B shovel in 16#coal seam selection of Yim in Open-pit M ine

CAIBaojia,LIU Qingxun
(Huaneng Yimin Coal and Electricity Co.,Ltd.,Hulunbei'er 021134,China)

TD422

B

1671-9816（2017）10-0019-04

2017-05-08

蔡寶加（1985—），男，遼寧阜新人，2008年畢業(yè)于遼寧工程技術(shù)大學(xué)露天采礦專業(yè)，現(xiàn)任華能伊敏煤電有限責(zé)任公司露天礦生產(chǎn)技術(shù)科采礦副科長。

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.10.006

蔡寶加，劉清勛.WK-10B型電鏟分層選采效率研究［J］.露天采礦技術(shù)，2017，32（10）：19-22.