劉金強(qiáng)，張 波，潘 博

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

伊敏露天礦輪斗連續(xù)系統(tǒng)于2019 年投入，主要用于露天礦上部剝離物的開(kāi)采。在輪斗挖掘機(jī)的生產(chǎn)過(guò)程中，每采完1 個(gè)塊區(qū)，都需要由工程機(jī)械設(shè)備配合平整場(chǎng)地，以保證輪斗挖掘機(jī)的推進(jìn)前行。工程機(jī)械設(shè)備平整場(chǎng)地，增加了非生產(chǎn)時(shí)間，影響系統(tǒng)的生產(chǎn)效率；同時(shí)，在輪斗挖掘機(jī)完成作業(yè)區(qū)內(nèi)的采掘任務(wù)后，工作面帶式輸送機(jī)需進(jìn)行移設(shè)，每次的移設(shè)時(shí)間較長(zhǎng)，移設(shè)的頻次將影響系統(tǒng)的生產(chǎn)能力[1-3]。因此合理的開(kāi)采參數(shù)，將發(fā)揮輪斗挖掘機(jī)的生產(chǎn)效率，提高連續(xù)系統(tǒng)的生產(chǎn)能力。

1 地質(zhì)和水文及氣候條件

伊敏露天礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾市鄂溫克族自治旗伊敏河鎮(zhèn)境內(nèi)，東經(jīng)119 °39 ′02 ″～119 °45 ′52 ″，北距海拉爾區(qū)78 km。礦區(qū)屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冬季寒冷漫長(zhǎng)，夏季溫涼短促，極端最高氣溫36.8 ℃，極端最低氣溫-48.5 ℃，無(wú)霜期為119 d；凍冰期為9 月下旬到翌年4 月下旬，平均結(jié)冰日數(shù)223.4 d，當(dāng)平均氣溫下降到0 ℃以下時(shí)，暴露的巖層開(kāi)始凍結(jié)，隨著氣溫的降低凍結(jié)深度也加深，平均結(jié)冰深度為3.235 m。

伊敏露天礦剝離物主要為第四系、新近系和伊敏組，巖性從上至下由黑色腐植土、黃色黏土、亞黏土、灰色礫石、灰白色砂礫、砂土、含礫粗砂巖、灰黃色泥巖、夾灰白色砂礫巖、細(xì)砂巖、灰色巖、灰褐色巖、紅褐色泥巖等組成。黑褐色腐殖土厚度相對(duì)較薄，一般不超過(guò)1 m。第四系粉細(xì)砂內(nèi)礫石磨圓度為次圓狀與扁圓狀，無(wú)分選性。巖石多為泥質(zhì)膠結(jié)，較松散，失水后為崩解狀態(tài)。第四系粉細(xì)砂抗壓強(qiáng)度為0.147～0.539 MPa，硬度較軟[4]。

2020 年剝離區(qū)域內(nèi)第四系層變化趨勢(shì)是西南薄、東北厚，東南稍厚與下伏新近系不整合接觸，厚度3～39 m，平均厚度22 m；新近系呈條帶狀分布，以楔形插入伊敏組和第四系之間，向西北變薄，厚度為8～84 m，平均厚度31 m。

伊敏露天礦連續(xù)系統(tǒng)輪斗挖掘機(jī)主要用于開(kāi)采露天礦上部的剝離物，其主要由第四紀(jì)層及少量泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖等組成，硬度相對(duì)較軟。

2 臺(tái)階參數(shù)確定

2.1 臺(tái)階高度及臺(tái)階坡面角

臺(tái)階高度主要受連續(xù)系統(tǒng)年能力、工作線平均長(zhǎng)度、臺(tái)階分層厚度、輪斗挖掘機(jī)的最大挖掘高度及地表年平均推進(jìn)度等因素影響。連續(xù)系統(tǒng)年生產(chǎn)能力1 100 萬(wàn)m3、露天礦地表年平均推進(jìn)度約450 m、有效工作線長(zhǎng)度約1 100 m、輪斗挖掘機(jī)的最大挖掘高度為21 m，綜合考慮輪斗挖掘機(jī)運(yùn)行初期臺(tái)階高度選為18 m。確定由于上部剝離物強(qiáng)度較軟，特別是第四系更為松散，輪斗挖掘機(jī)的工作幫臺(tái)階坡面角確定為47°。

2.2 臺(tái)階分層原則

輪斗挖掘機(jī)作業(yè)時(shí)，臺(tái)階的分層數(shù)越多，則輪斗挖掘機(jī)挖掘1 個(gè)塊區(qū)循環(huán)所需的走行距離就大，消耗的時(shí)間就長(zhǎng)；同時(shí)，斗輪轉(zhuǎn)動(dòng)作業(yè)時(shí)易發(fā)生物料撒落，臺(tái)階的分層數(shù)越多，堆積于坡底的物料就越多，使輪斗挖掘機(jī)不能最大限度的靠近坡底作業(yè)，減少了單個(gè)塊區(qū)的推進(jìn)距離，減少了循環(huán)采掘量，從而會(huì)降低生產(chǎn)效率，造成生產(chǎn)能力下降[5]。所以，在一定的臺(tái)階高度下，臺(tái)階的分層越少，輪斗挖掘機(jī)的作業(yè)效率越高。當(dāng)輪斗挖掘機(jī)的作業(yè)臺(tái)階高度為18 m時(shí)，斗輪切削半徑為6.3 m，按斗輪切削半徑分層，作業(yè)面分為3 層效率最高。

2.3 分層高度確定

1）最上分層高度。當(dāng)輪斗挖掘機(jī)挖掘主臺(tái)階時(shí)，增加臺(tái)階最上分層的高度，可以提高1 個(gè)塊區(qū)循環(huán)體的挖掘量、減少設(shè)備對(duì)位次數(shù)，發(fā)揮輪斗挖掘機(jī)的有效生產(chǎn)能力。根據(jù)輪斗挖掘機(jī)挖掘的物料性質(zhì)，作業(yè)臺(tái)階的最上分層高度一般大于斗輪的切削半徑8.4 m。但是，通過(guò)對(duì)斗輪挖掘物料的機(jī)理分析及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際觀察，輪斗挖掘機(jī)挖掘上分層時(shí)，當(dāng)臺(tái)階分層高度小于斗輪的切削半徑時(shí)，斗輪對(duì)物料的挖掘主要是切削，這樣挖掘的物料塊度小，容易進(jìn)入鏟斗，向外撒落的物料較少；當(dāng)臺(tái)階分層高度大于斗輪的切削半徑時(shí)，大于斗輪半徑的部分，斗輪對(duì)物料的挖掘主要是撬動(dòng)，作業(yè)過(guò)程中容易出現(xiàn)大塊、頂部發(fā)生塌落，容易砸碰發(fā)生[6]，輔助設(shè)備需頻繁清理塌落物料，降低了輪斗挖掘機(jī)的作業(yè)效率。結(jié)合伊敏礦區(qū)氣候條件，由于凍冰期較長(zhǎng)，連續(xù)系統(tǒng)在頂部物料將發(fā)生凍結(jié)時(shí)，切割阻力變大，增加輪斗挖掘機(jī)的挖掘難度，挖掘時(shí)易形成大塊及發(fā)生物料塌落，影響輪斗挖掘機(jī)的正常作業(yè)。當(dāng)頂部物料為無(wú)膠結(jié)、松散、易崩解狀態(tài)時(shí)，將上分層高度控制在8.4 m，輪斗挖掘機(jī)的作業(yè)效率較高；當(dāng)頂部物料為膠結(jié)狀態(tài)、形成凍頂或大塊較多時(shí)，應(yīng)降低上分層的高度，避免頂部物料的塌落，減少輔助設(shè)備維護(hù)場(chǎng)地的次數(shù)，將上分層高度控制在6.5 m（斗輪的可切削作業(yè)高度），輪斗挖掘機(jī)的作業(yè)效率較高。

2）最下分層高度。由于輪斗挖掘機(jī)在挖掘臺(tái)階最下分層時(shí)斗輪臂與行走中心線之間的夾角往往小于斗輪臂的自由切割角，即確定的臺(tái)階分層高度應(yīng)小于斗輪體兩側(cè)的結(jié)構(gòu)件高度，以保證在作業(yè)過(guò)程中斗輪的結(jié)構(gòu)體不與臺(tái)階的礦體發(fā)生碰撞。所以，此時(shí)的臺(tái)階分層高度應(yīng)小于斗輪的切削半徑，一般下分層高度為4.2 m。

3）輪斗挖掘機(jī)的作業(yè)臺(tái)階高度18 m，主采臺(tái)階分為3 層作業(yè)，可根據(jù)地表地質(zhì)情況對(duì)臺(tái)階分層高度進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)上分層高度為8.4 m 時(shí)，中間分層高度為5.4 m、下分層高度為4.2 m；當(dāng)上分層高度為6.5 m 時(shí)，中間分層高度為7.3 m、下分層高4.2 m。

3 采掘帶寬度確定

在輪斗挖掘機(jī)生產(chǎn)作業(yè)過(guò)程中，為保證輪斗挖掘機(jī)的推進(jìn)，輪斗挖掘機(jī)在端工作面上每完成1 個(gè)塊區(qū)（即上、中、下分層）的循環(huán)采掘后，都要由推土機(jī)設(shè)備配合平整工作面。因此，采掘帶寬度的大小，將影響工作面的平整時(shí)間及頻次[7-8]，對(duì)輪斗挖掘機(jī)的作業(yè)效率影響較大，選取合理的采掘帶寬度十分必要。

根據(jù)工作面情況，斗輪體中心距機(jī)械回轉(zhuǎn)中心距離L 為25 m；斗輪臂鉸點(diǎn)軸距地面高度h1為13.3 m；斗輪體中心距地面最大高度h2為15.8 m；斗輪體中心距地面最小高度h3為6.3 m。

在輪斗挖掘機(jī)剝離最上分層時(shí)斗輪臂在水平面上的投影長(zhǎng)度L1為：

在輪斗挖掘機(jī)剝離最下分層時(shí)斗輪臂在水平投影上的長(zhǎng)度L2為：

將各參數(shù)代入式（1）、式（2）可得：L1=24.88 m，L2= 24 m。

輪斗挖掘機(jī)采上、下分層的回轉(zhuǎn)角度如圖1。

圖1 輪斗挖掘機(jī)采上、下分層的回轉(zhuǎn)角度

采掘帶寬Amax為：

式中：Amax為采掘帶寬度，m；γ1為斗輪剝離臺(tái)階上分層時(shí)，斗輪臂向臺(tái)階一側(cè)的回轉(zhuǎn)角度，取80°；γ2為斗輪剝離臺(tái)階下分層時(shí)，斗輪臂向采空區(qū)-側(cè)的最大回轉(zhuǎn)角度，取50°；H 為臺(tái)階高度，18 m；r 為斗輪半徑，6.3 m；α 為臺(tái)階坡面角，取47°。

將各參數(shù)代入式（3）可得：Amax=37.43 m。當(dāng)輪斗挖掘機(jī)剝離下分層時(shí)，斗輪臂向采空區(qū)一側(cè)的的回轉(zhuǎn)角度越小，臺(tái)階底部挖掘剩余量較多，設(shè)備維護(hù)時(shí)間越長(zhǎng)，作業(yè)效率降低；回轉(zhuǎn)角度為34 °、采掘帶寬度為30.86 m 時(shí)生產(chǎn)效率較高；因此，輪斗挖掘機(jī)的合理采掘帶寬度在30～37 m 之間時(shí)，輪斗挖掘機(jī)的作業(yè)效率較高。

4 移設(shè)步距的確定

在連續(xù)系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中，隨著地表的推進(jìn)，工作面帶式輸送機(jī)需要跟隨移設(shè)，以確保系統(tǒng)的連續(xù)作業(yè)。當(dāng)輪斗挖掘機(jī)在同一采寬條件下，帶式輸送機(jī)的移設(shè)步距越大，采掘同等剝離量時(shí)的移設(shè)次數(shù)就越少，輪斗挖掘機(jī)的有效作業(yè)時(shí)間就越長(zhǎng)，連續(xù)系統(tǒng)的生產(chǎn)效率就越大。移設(shè)步距的大小與輪斗挖掘機(jī)和轉(zhuǎn)載機(jī)的線形尺寸、帶式輸送機(jī)移設(shè)周期內(nèi)剝離的條幅數(shù)有關(guān)。

輪斗挖掘機(jī)作業(yè)時(shí)與工作面帶式輸送機(jī)垂直方向的有效尺寸為38 m（斗輪臂與排料臂最大作業(yè)夾角為±105 °，輪斗挖掘機(jī)作業(yè)時(shí)斗輪臂有效線性長(zhǎng)度24.6 m、排料臂有效線性長(zhǎng)度13.5 m），轉(zhuǎn)載機(jī)與工作面帶式輸送機(jī)垂直方向的有效尺寸為79 m，因此在1 個(gè)移設(shè)周期內(nèi)，輪斗挖掘機(jī)的最大采寬可達(dá)到117 m，由于工作幫與帶式輸送機(jī)間留有的安全距離（帶式輸送機(jī)中心線距離上分臺(tái)階坡底線10 m），最大的有效采寬為107 m。

結(jié)合輪斗挖掘機(jī)的作業(yè)特點(diǎn)，采用“三采一移”的作業(yè)方式，通過(guò)調(diào)整輪斗挖掘機(jī)的采掘帶寬度，將帶式輸送機(jī)的移設(shè)步距控制在90～107 m 之間。通過(guò)控制每次的移設(shè)步距，可調(diào)節(jié)剝離工作面帶式輸送機(jī)與下部臺(tái)階的相對(duì)距離，以確保露天礦生產(chǎn)的穩(wěn)定推進(jìn)。

5 結(jié) 語(yǔ)

結(jié)合伊敏露天礦的地質(zhì)、氣象條件，針對(duì)輪斗挖掘機(jī)設(shè)備性能及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，確定輪斗挖掘機(jī)合理的臺(tái)階高度、采掘帶寬度及移設(shè)步距等作業(yè)參數(shù)，充分發(fā)揮了輪斗挖掘機(jī)的作業(yè)效率，提高了連續(xù)系統(tǒng)的生產(chǎn)能力。