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
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]。
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)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。
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。
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。
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。
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。
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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.