鮑海明，張瑞新,2

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083；2.華北科技學(xué)院，河北 三河 065201)

0 引 言

露天煤礦破碎站作業(yè)是連續(xù)流，在破碎站必須設(shè)置一定容量的受料倉(cāng)以滿足物料緩沖的需要，物料由卡車(chē)載運(yùn)至破碎站卸車(chē)臺(tái)位并卸入受料倉(cāng)，通過(guò)板式給料機(jī)驅(qū)動(dòng)端給入破碎機(jī)，最后物料經(jīng)破碎后推送至排料皮帶或下游帶式輸送機(jī)系統(tǒng)，整個(gè)過(guò)程實(shí)現(xiàn)了卸料、堆料、運(yùn)料、碎料和排料的作業(yè)循環(huán)。破碎站作為露天開(kāi)采半連續(xù)工藝系統(tǒng)的核心裝備，直接決定了該串聯(lián)系統(tǒng)的效能、可靠性和技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。然而就國(guó)內(nèi)破碎過(guò)程控制現(xiàn)狀而言，對(duì)破碎過(guò)程的控制大部分是憑借人工經(jīng)驗(yàn)判斷，嚴(yán)重影響了破碎站生產(chǎn)效率的發(fā)揮[1-2]。當(dāng)前關(guān)于破碎站效率的研究主要有：劉國(guó)杰[3]根據(jù)破碎理論改變破碎機(jī)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)效率的提高；劉煜等[4]基于離散元素法對(duì)破碎機(jī)破碎效率進(jìn)行仿真研究，得出了物料塊度以及物料硬度對(duì)破碎效率的影響；胡純[5]對(duì)破碎機(jī)機(jī)倉(cāng)進(jìn)行料位控制進(jìn)而實(shí)現(xiàn)破碎過(guò)程優(yōu)化。但對(duì)于露天礦各環(huán)節(jié)生產(chǎn)參數(shù)如煤炭質(zhì)量、給料頻率、受料倉(cāng)料位高度、入料粒度對(duì)于破碎站破碎效率的影響分析甚少。

伴隨著智慧礦山發(fā)展的浪潮，實(shí)現(xiàn)破碎站破碎過(guò)程的智能控制與無(wú)人值守是必經(jīng)之路，問(wèn)題的關(guān)鍵是需要全面分析生產(chǎn)過(guò)程中影響破碎站運(yùn)行效果的主要因素。本文基于露天礦山生產(chǎn)參數(shù)對(duì)破碎效率影響的差異性，運(yùn)用多元線性回歸的統(tǒng)計(jì)方法綜合分析破碎效率的影響因素。

1 破碎站運(yùn)行情況

我國(guó)原煤運(yùn)輸系統(tǒng)普遍采用半連續(xù)工藝，即電鏟-卡車(chē)-半固定破碎站-帶式輸送機(jī)組合式工藝系統(tǒng)[6]，但破碎站的運(yùn)行效果并未達(dá)到額定生產(chǎn)能力，甚至低于設(shè)計(jì)能力的60%。以中煤平朔安家?guī)X露天礦7 d各班次的平均小時(shí)破碎量為例分析影響破碎效率的因素(表1)。

表1 安家?guī)X露天礦各班次的平均小時(shí)破碎量Table 1 Average hourly crushing capacity of each shift of Anjialing open pit mine

露天礦生產(chǎn)運(yùn)行為每天三個(gè)班次：夜班(A班)、白班(B班)、晚班(C班)各8 h，安家?guī)X露天礦破碎站采用2臺(tái)MMD1000破碎機(jī)(一破、二破)，額定生產(chǎn)能力為2 500 t/h。表1中各數(shù)據(jù)代表該班次的平均小時(shí)破碎量。破碎效率大都處于1 000～1 800 t/h之間，有時(shí)甚至低于1 000 t/h，與2 500 t/h的額定生產(chǎn)能力相距甚遠(yuǎn)，嚴(yán)重影響了礦山生產(chǎn)任務(wù)的完成。導(dǎo)致破碎站實(shí)際生產(chǎn)能力較低的原因是多方面的。

1) 環(huán)節(jié)匹配。半連續(xù)是串聯(lián)連接的生產(chǎn)工藝系統(tǒng)，任何環(huán)節(jié)的故障都會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成嚴(yán)重影響，前端的卡車(chē)運(yùn)輸能力不足及后端的帶式輸送機(jī)的工況限制將導(dǎo)致破碎站長(zhǎng)時(shí)間處于空轉(zhuǎn)或停機(jī)狀態(tài)。

2) 組織管理?？ㄜ?chē)調(diào)度的不合理性，經(jīng)常造成嚴(yán)重的卡車(chē)排隊(duì)現(xiàn)象，物料供給量不穩(wěn)定導(dǎo)致破碎站長(zhǎng)期處于空載、低載或重載的運(yùn)行狀態(tài)。與此同時(shí)，白天卡車(chē)檢修以及生產(chǎn)爆破是白班(B班)生產(chǎn)效率最低的主要原因。

3) 設(shè)備工況。破碎站破碎機(jī)工況作為主機(jī)設(shè)備，其生產(chǎn)能力直接決定了破碎系統(tǒng)的生產(chǎn)能力，但并不是唯一決定因素，還有破碎站系統(tǒng)的布置、料倉(cāng)及出口形狀等[7]。

4) 人工操作。破碎站給料速度的控制方法是通過(guò)操作人員積累實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)，當(dāng)卡車(chē)集中向受料倉(cāng)傾倒物料后，操作人員會(huì)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)適當(dāng)提高給料頻率，當(dāng)料倉(cāng)料量不足時(shí)再降低給料頻率。不同的操作人員在頻率的調(diào)節(jié)次數(shù)與幅度上往往差距很大。

5) 物料性質(zhì)?？酉旅喝肓狭６?、煤炭質(zhì)量等物料性質(zhì)都會(huì)影響破碎站破碎效率[8]。

在露天礦日常生產(chǎn)過(guò)程中，環(huán)節(jié)匹配、組織管理以及設(shè)備工況相對(duì)穩(wěn)定。因此，本文就煤炭質(zhì)量、受料倉(cāng)料位高度、入料粒度、給料頻率對(duì)破碎站破碎效率的影響進(jìn)行多參數(shù)耦合分析。

通過(guò)在白音華某露天礦現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)采集相應(yīng)數(shù)據(jù)：2臺(tái)并聯(lián)式工況相同的破碎站(破碎機(jī)型號(hào)為MMD1000)分別破碎加權(quán)灰分為25%的優(yōu)質(zhì)煤與36%的劣質(zhì)煤；利用經(jīng)驗(yàn)法和圖像觀測(cè)受料倉(cāng)料位高度，以滿倉(cāng)為1、半倉(cāng)為0.5進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)；根據(jù)爆破效果和采裝過(guò)程分析記錄破碎口毛煤入料粒度，以毛煤一維尺寸的最大值作為入料粒度；通過(guò)原煤運(yùn)輸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)讀取給料頻率數(shù)值；破碎效率可直接由皮帶秤反饋?zhàn)x數(shù)。 統(tǒng)計(jì)得到54組數(shù)據(jù)，見(jiàn)表2。其中，每組數(shù)據(jù)均是在相同測(cè)試條件進(jìn)行10次統(tǒng)計(jì)取平均值求得，計(jì)算見(jiàn)式(1)。

(1)

表2 破碎效率統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)Table 2 Crushing efficiency statistics

2 單因素分析

為了研究破碎站破碎效率與煤炭質(zhì)量、受料倉(cāng)料位高度、入料粒度、給料頻率之間的耦合關(guān)系，首先分析單個(gè)因素對(duì)破碎站破碎效率的影響。通過(guò)各影響因素與破碎效率之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系最終確定選擇何種方法進(jìn)行多因素耦合分析[9]。

2.1 煤炭質(zhì)量對(duì)破碎效率的影響分析

為了研究煤質(zhì)對(duì)破碎效率的影響，利用控制變量法選取相同受料倉(cāng)料位高度、入料粒度、給料頻率下的優(yōu)質(zhì)煤和劣質(zhì)煤16組破碎效率數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，從而得到煤炭質(zhì)量對(duì)破碎效率的影響規(guī)律，如圖1所示。 由圖1可知，線性擬合方程斜率為0.86，說(shuō)明在同等條件下劣質(zhì)煤的破碎效率是優(yōu)質(zhì)煤的86%，隨著煤炭質(zhì)量的提高，破碎效率也逐漸提高。

圖1 煤炭質(zhì)量與破碎效率的變化關(guān)系Fig.1 Relationship between coal quality and crushing efficiency

2.2 給料頻率對(duì)破碎效率的影響分析

為了研究給料頻率對(duì)破碎效率的影響，利用控制變量法選取優(yōu)質(zhì)煤、入料粒度為500 mm、受料倉(cāng)料位高度為1的8組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對(duì)比，從而得到給料頻率對(duì)破碎效率的影響規(guī)律，如圖2所示。由圖2可知，隨著給料頻率的提高，破碎效率也逐漸提高。

2.3 受料倉(cāng)料位高度對(duì)破碎效率的影響分析

為了研究受料倉(cāng)料位高度對(duì)破碎效率的影響，利用控制變量法選取優(yōu)質(zhì)煤、入料粒度為500 mm、給料頻率為35 Hz的4組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對(duì)比，從而得到受料倉(cāng)料位高度對(duì)破碎效率的影響規(guī)律，如圖3所示。由圖3可知，隨著受料倉(cāng)料位高度的增加，破碎效率也逐漸提高。

圖2 給料頻率與破碎效率的變化關(guān)系Fig.2 Relationship between feed frequency and crushing efficiency

圖3 料位高度與破碎效率的變化關(guān)系Fig.3 Relationship between material level height and crushing efficiency

2.4 入料粒度對(duì)破碎效率的影響分析

為了研究入料粒度對(duì)破碎效率的影響，利用控制變量法選取優(yōu)質(zhì)煤、給料頻率為35 Hz，受料倉(cāng)料位高度為1的7組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對(duì)比，從而得到入料粒度對(duì)破碎效率的影響規(guī)律，如圖4所示。 由圖4可知，隨著給料頻率的增加，破碎效率也逐漸提高。

圖4 入料粒度與破碎效率的變化關(guān)系Fig.4 Relationship between feed size and crushing efficiency

由上述分析可知，破碎站破碎效率隨著煤炭質(zhì)量、給料頻率和受料倉(cāng)料位高度的增加而提高，且各影響因素與破碎效率之間均為線性關(guān)系。因此，在分析破碎站破碎效率與各影響因素之間的耦合關(guān)系時(shí)，可以利用SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)其進(jìn)行多元線性回歸分析，從而得到破碎效率與各影響因素之間的多元線性回歸方程。

3 多元線性回歸分析

3.1 多元線性回歸分析

通過(guò)對(duì)單因素影響進(jìn)行分析可知，每組數(shù)據(jù)中破碎站破碎效率與煤炭質(zhì)量、給料頻率和受料倉(cāng)料位高度、入料粒度之間均為線性關(guān)系，可以使用多元線性回歸分析方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到多元線性回歸方程。因多元線性回歸分析法無(wú)法對(duì)非數(shù)值型數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將虛擬變量引入模型中，把優(yōu)質(zhì)煤和劣質(zhì)煤分別定量化的表示為1、2。為保證回歸分析效果，隨機(jī)選取第3、7、12、17、24、28、35、42、46、51這10組數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析，其余數(shù)據(jù)進(jìn)行多元線性回歸分析，結(jié)果見(jiàn)表3～5。

本文采用逐步回歸法來(lái)選取自變量。通過(guò)考慮全部自變量對(duì)因變量的大小、顯著程度大小或貢獻(xiàn)大小，由大到小逐個(gè)引入回歸方程，最終結(jié)果見(jiàn)表3，模型中自變量為給料頻率X1、受料倉(cāng)料位高度X2、入料粒度X3及煤炭質(zhì)量X4。

表4為模型總結(jié)摘要，給出了多元線性回歸模型選取的自變量分別為a、b、c、d時(shí)，各變量間的相關(guān)系數(shù)R、回歸模型的擬合系數(shù)以及調(diào)正后的擬合系數(shù)，并給出標(biāo)準(zhǔn)錯(cuò)誤。從分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)回歸模型均為自變量d時(shí)相關(guān)系數(shù)R、擬合系數(shù)R2及調(diào)正后的擬合系數(shù)最大，標(biāo)準(zhǔn)錯(cuò)誤最小，回歸模型調(diào)整后的擬合系數(shù)Adj-R2為0.968，大于0.95，說(shuō)明回歸模型可解釋數(shù)據(jù)變動(dòng)的96%，模型的擬合度很高。

表5為多元線性回歸模型的系數(shù)部分，給出了參數(shù)估計(jì)及相關(guān)的t檢驗(yàn)，從該部分的t統(tǒng)計(jì)量看，回歸模型的各組相關(guān)系數(shù)所對(duì)應(yīng)的顯著性Sig.均小于0.05，因而應(yīng)拒絕原假設(shè)，各組回歸系數(shù)是顯著的，即X1、X2、X3及X4對(duì)Y有顯著影響。此外，逐步回歸過(guò)程中各自變量進(jìn)入模型的先后次序依次是給料頻率、受料倉(cāng)料位高度、入料粒度和煤炭質(zhì)量，由此說(shuō)明給料頻率對(duì)破碎效率的影響最大，相對(duì)而言煤炭質(zhì)量對(duì)破碎效率的影響最小。

表3 已輸入/已除去變量aTable 3 Entered/removed variablesa

注：a為預(yù)測(cè)變量：(常量)、給料頻率

表4 模型摘要Table 4 Model summary

注：a為預(yù)測(cè)變量：(常量)、給料頻率；b為預(yù)測(cè)變量：(常量)、給料頻率、受料倉(cāng)料位高度；c為預(yù)測(cè)變量：(常量)、給料頻率、受料倉(cāng)料位高度、入料粒度；d為預(yù)測(cè)變量：(常量)、給料頻率、受料倉(cāng)料位高度、入料粒度、煤炭質(zhì)量

表5 系數(shù)aTable 5 Coefficientsa

注：a為預(yù)測(cè)變量：(常量)、給料頻率；因變量：破碎效率

于是得到以破碎效率為因變量，給料頻率、受料倉(cāng)料位高度、入料粒度和煤炭質(zhì)量為自變量的破碎站破碎效率預(yù)測(cè)的多元線性回歸方程，見(jiàn)式(2)。

Y=1 021.4+41.6X1+550X2-

1.8X3-194.5X4

(2)

式中：Y為破碎站破碎效率，t/h；X1為給料頻率，Hz；X2為受料倉(cāng)料位高度，以滿倉(cāng)1、半倉(cāng)0.5為標(biāo)準(zhǔn)；X3為入料粒度，mm；X4為煤炭質(zhì)量，包括優(yōu)質(zhì)煤和劣質(zhì)煤。

3.2 誤差分析

利用上述兩組多元線性回歸方程對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)隨機(jī)選取的10組數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析。通過(guò)與測(cè)試得到的破碎效率進(jìn)行對(duì)比后得到了回歸模型的誤差，誤差分析結(jié)果見(jiàn)表6。由表6可知，回歸方程的預(yù)測(cè)誤差均小于12%，誤差值均在合理范圍內(nèi)，回歸方程的預(yù)測(cè)結(jié)果比較準(zhǔn)確，可以應(yīng)用于破碎站破碎效率的預(yù)測(cè)分析。

表6 誤差分析數(shù)據(jù)Table 6 Error analysis data

3.3 破碎站運(yùn)行過(guò)程分析

在露天礦生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中，坑下毛煤質(zhì)量、粒度是由開(kāi)采過(guò)程中爆破和采裝工序決定的，在進(jìn)入破碎站時(shí)已是確定的。因此，破碎站需要控制給料頻率、受料倉(cāng)料位高度以及破碎效率三者協(xié)同關(guān)系。對(duì)于破碎站生產(chǎn)過(guò)程需要注意避免受料倉(cāng)在卡車(chē)卸載物料時(shí)是空倉(cāng)狀態(tài)，卡車(chē)卸載時(shí)，物料沖擊對(duì)輸送機(jī)產(chǎn)生的動(dòng)載荷可能達(dá)到物料自身重力的數(shù)倍，導(dǎo)致刮板輸送機(jī)鏈條斷裂[10]，降低破碎站運(yùn)行可靠性，此外還需要考慮帶式輸送機(jī)生產(chǎn)能力以及終端儲(chǔ)煤倉(cāng)的容量。由此可知，在破碎站運(yùn)行過(guò)程中并不是給料頻率越大越好、受料倉(cāng)料位高度越高越好，控制破碎站運(yùn)行穩(wěn)定高效需要考慮半連續(xù)串聯(lián)系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)。對(duì)于在優(yōu)質(zhì)煤入料粒度為500 mm條件下，給料頻率X1、受料倉(cāng)料位高度X2以及破碎效率Y進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析可得三者關(guān)系見(jiàn)式(3)。

Y=-60.5+495X1+41X2

(3)

式中：Y為破碎站破碎效率，t/h；X1為給料頻率，Hz；X2為受料倉(cāng)料位高度，以滿倉(cāng)1、半倉(cāng)0.5為標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié) 論

1) 本文系統(tǒng)地分析了影響露天煤礦破碎站生產(chǎn)效率的因素，將給料頻率、受料倉(cāng)料位高度、入料粒度和煤炭質(zhì)量與破碎效率建立多元線性回歸模型，為破碎站給料頻率及料倉(cāng)料位控制提供理論依據(jù)。

2) 破碎效率影響因素的分析對(duì)于提高半連續(xù)工藝系統(tǒng)的可靠性，實(shí)現(xiàn)整個(gè)運(yùn)輸系統(tǒng)的配置優(yōu)化以及破碎站智能控制與無(wú)人值守有重要意義。

3) 半連續(xù)生產(chǎn)工藝系統(tǒng)中的間斷工藝子系統(tǒng)將含有處理能力和卸載容量都有限的破碎站作為物料運(yùn)輸?shù)慕K點(diǎn)，并且破碎站是連續(xù)工藝系統(tǒng)子系統(tǒng)的起點(diǎn)。需要進(jìn)一步研究卡車(chē)與帶式輸送機(jī)對(duì)于破碎站破碎效率的影響。