陳 毓，張 洪

（1.中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122；3.中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110015）

在露天礦設(shè)計(jì)與實(shí)踐中，單斗-卡車間斷工藝由于機(jī)動(dòng)靈活，建設(shè)速度快，適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外露天礦山得到廣泛應(yīng)用[1-2]。而采裝設(shè)備和運(yùn)輸設(shè)備的合理匹配及設(shè)備能效的發(fā)揮是確定工藝合理性的重要指標(biāo)。就單斗-卡車工藝中自卸卡車（以下簡(jiǎn)稱卡車）數(shù)量的計(jì)算方法、主要參數(shù)的確定和臺(tái)年能力進(jìn)行研究。

1 挖掘機(jī)與卡車數(shù)量匹配及卡車生產(chǎn)能力

國(guó)內(nèi)大型或特大型露天礦的生產(chǎn)規(guī)模與單斗卡車設(shè)備系列[3]情況見(jiàn)表1。

表1 礦山規(guī)模與單斗卡車設(shè)備系列

裝車勺數(shù)的合理范圍應(yīng)為3～8 勺，當(dāng)運(yùn)距L<1.0 km 時(shí)為3 勺；L>4.0 km 時(shí)為8 勺；1.0 km

從表1 可知，隨著采剝總量增加，采裝設(shè)備斗容和運(yùn)輸設(shè)備載重噸位呈上升趨勢(shì)，但是隨著綜合開(kāi)采工藝在露天礦的應(yīng)用，單斗-卡車工藝承擔(dān)不同比例的剝離量。

卡車生產(chǎn)能力確定一般分為類比法、作業(yè)條件法和模擬法，其中模擬法應(yīng)用廣泛，主要按已確定的采裝和運(yùn)輸2 個(gè)方面的設(shè)備類型條件，來(lái)確定運(yùn)輸設(shè)備的生產(chǎn)能力。模擬的變量涉及露天礦煤礦剝離量、裝車和卸車點(diǎn)、裝車、卸載、運(yùn)輸、等待時(shí)間、運(yùn)輸縱斷面條件、運(yùn)行速度、車鏟匹配等變量，涉及變量參數(shù)較多通常需要使用專業(yè)軟件完成。

2 卡車數(shù)量計(jì)算相關(guān)公式

我國(guó)在計(jì)算卡車數(shù)量時(shí)，一般卡車臺(tái)班運(yùn)輸能力可按如下公式[5]計(jì)算。

式中：Ab為臺(tái)班運(yùn)輸能力，萬(wàn)t/班；G 為額定載重量，t；Tz 為周轉(zhuǎn)時(shí)間，min；K1為載重利用系數(shù)；K2為工時(shí)利用系數(shù)。

式中：Qx為有效載重量，t；Qe額定載重量，t；M為挖掘機(jī)裝載卡車斗數(shù)；ρ 為礦巖密度，t/m3；Kh為鏟斗滿斗系數(shù)；Kp為礦巖松散系數(shù)。

式中：Tz為周轉(zhuǎn)時(shí)間，min；tzc為裝車時(shí)間，min；txz為走行時(shí)間，min；txc為卸車時(shí)間，min；ttd為調(diào)車時(shí)間，min；ttc為臨時(shí)停車時(shí)間，min。

式中：tzc為挖掘機(jī)裝滿1 輛卡車時(shí)間，min；txh為挖掘機(jī)作業(yè)循環(huán)時(shí)間，min；M 為挖掘機(jī)裝載卡車斗數(shù)；trh為卡車入換時(shí)間，s。

式中：txh為挖掘機(jī)作業(yè)循環(huán)時(shí)間，min，回轉(zhuǎn)角度為120°；ρ 為礦巖密度，t/m3；E 為挖掘機(jī)鏟斗標(biāo)準(zhǔn)容積，m3。

式中：Txz為行走時(shí)間（往返），min；Vy為平均運(yùn)行速度，km/h；L 為平均運(yùn)輸距離，km。

式中：Vy為平均運(yùn)行速度，km/h；V1為重車方向卡車平均速度，km/h；V2為空車方向卡車平均速度，km/h；β 為行程利用系數(shù)，一般0.3～0.5，當(dāng)?shù)缆?、卡車、管理?xiàng)l件較好時(shí)取0.3。

式中：An為卡車臺(tái)年能力，萬(wàn)t/a；Ab為卡車臺(tái)班能力，萬(wàn)t/班；η 為日工作班數(shù)；Nr為年工作日數(shù)，d;TN為年有效作業(yè)小時(shí)數(shù)，h。

式中：N 為數(shù)量，臺(tái)；Mz為露天礦年運(yùn)輸總量，萬(wàn)t/a；K3為運(yùn)輸不均勻系數(shù)（煤炭系統(tǒng)不考慮此系數(shù)）；Anj為卡車臺(tái)年平均在籍運(yùn)輸能力，萬(wàn)t/a。

式中：Anb為卡車臺(tái)班運(yùn)輸能力，萬(wàn)t/班；G 為卡車額定載重量，t；Tz為每班作業(yè)時(shí)間，h；C 為每日工作班數(shù)；H 為工作小時(shí)數(shù)，h。

式中：Vx為卡車車箱有效容積，m3；Vp為卡車車箱平裝容積，m3；Vg為卡車車箱前后及側(cè)面形成的死角容積，m3；Vd為卡車平裝容積擴(kuò)除死角容積后的頂面以上形成堆尖容積，m3。

4 卡車數(shù)量計(jì)算依據(jù)

1）載重利用系數(shù)。卡車載重利用系數(shù)一個(gè)十分重要的指標(biāo)，是指卡車有效載重量與卡車額定載重量之比，與道路工況、礦巖密度、卡車車箱容積和挖掘機(jī)鏟斗容積等因素有關(guān)。為了充分發(fā)揮自卸卡車的運(yùn)輸能力，減少卡車臺(tái)數(shù)，應(yīng)盡量提高卡車的載重利用系數(shù)，礦、巖運(yùn)輸設(shè)備載重利用系數(shù)一般不小于0.90、0.95，在困難條件下可取0.80，堅(jiān)硬巖石取上限，松軟巖石及土層具中，煤取下限。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有大型露天煤礦在物料密度為2.0 t/m3，松散系數(shù)為1.25情況下，大型卡車（108 t、154 t、177 t、220 t）載重利用系數(shù)均能達(dá)到90%以上[6-7]。

2）裝車時(shí)間。裝車時(shí)間是指挖掘機(jī)裝滿卡車箱斗物料時(shí)間，其主要與挖掘機(jī)作業(yè)循環(huán)時(shí)間、卡車規(guī)格（裝載勺數(shù)）、礦巖性質(zhì)、爆破質(zhì)量及卡車配合作業(yè)方式等因素有關(guān)。一般挖掘機(jī)1 勺循環(huán)時(shí)間為28～40 s，其與車鏟配合裝車方式關(guān)聯(lián)密切，如挖掘機(jī)裝車回轉(zhuǎn)角度均在120 °以內(nèi)，將能有效縮地短裝車循環(huán)時(shí)間。

3）卸載時(shí)間。卡車卸載時(shí)間與卡車車型及卸載礦巖性質(zhì)有關(guān)，在一般正常情況下，卸車時(shí)間取1 min，但當(dāng)物料黏車嚴(yán)重時(shí)或排土場(chǎng)路面松軟時(shí)，卸車時(shí)間可酌情增加。

4）卡車在卸載點(diǎn)調(diào)頭和等待及停留時(shí)間。①卡車在1 個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)，在裝載點(diǎn)等待時(shí)間、在卸載點(diǎn)調(diào)頭時(shí)間與挖掘機(jī)工作面和卸載工作平臺(tái)的布置形式、尺寸大小有關(guān)，等待時(shí)間包括在裝、卸地點(diǎn)和卡車在沿途耽擱時(shí)間；②停留時(shí)間包括待裝、卸載及運(yùn)行中的耽擱時(shí)間，隨汽車類型和運(yùn)距而變化。因影響因素較多，應(yīng)根據(jù)礦山具體情況確定，一般調(diào)頭及等待時(shí)間取2～3 min。但對(duì)卡車車型較大時(shí)，道路交叉干擾多和運(yùn)距較遠(yuǎn)的礦山取3～4 min。

5）平均運(yùn)行車速。露天礦卡車平均車速是指卡車往返于裝載地點(diǎn)至卸載地點(diǎn)所需要的時(shí)間（不含停歇時(shí)間）除以往返所行使的距離。影響因素主要有卡車動(dòng)力特性、制動(dòng)條件、道路條件、路面的種類以及移動(dòng)或固定線長(zhǎng)度比例等，一般情況下，上坡運(yùn)行速度是受卡車動(dòng)力特性的限制，下坡運(yùn)行速度受安全運(yùn)行條件限制?？ㄜ囉?jì)算平均行車速度應(yīng)根據(jù)路況、運(yùn)距及卡車牽引力特性確定[6]，卡車計(jì)算平均行車速度見(jiàn)表2。

表2 卡車計(jì)算平均行車速度

6）卡車箱斗容積和卡車比容量?？ㄜ囅涠啡莘e分為平裝和堆裝2 種，卡車車箱理論容積計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)如圖1?？ㄜ嚤热萘渴侵缚ㄜ囶~定載重量與車箱平裝容積之比，反應(yīng)卡車載重和容積的利用情況與裝載物料重量的關(guān)系，一般情況下，卡車比容量與礦巖松散體容重相適應(yīng)，如比容量偏大，即卡車容積偏小，限制了卡車有效載重，反之則卡車箱斗容積不能充分利用并容易超載。

圖1 卡車車箱理論容積計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)

7）年有效作業(yè)時(shí)間?？ㄜ嚹暧行ё鳂I(yè)時(shí)間可根據(jù)礦山地質(zhì)條件、氣候、檢修制度和機(jī)修設(shè)施、運(yùn)輸系統(tǒng)條件等確定。正常條件下，剝離和煤運(yùn)輸卡車的年有效作業(yè)時(shí)間分別不宜低于4 600 h 和4 400 h。國(guó)內(nèi)外露天礦卡車運(yùn)輸有效作業(yè)時(shí)間計(jì)算方法主要有框圖法和推算法。①框圖法是將日歷時(shí)間分為計(jì)劃外影響和計(jì)劃內(nèi)總時(shí)間，計(jì)劃內(nèi)時(shí)間可劃分為停機(jī)延誤、生產(chǎn)延誤和有效運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間；②推算法是全年日歷日時(shí)間減去各項(xiàng)影響時(shí)間得出有效運(yùn)行時(shí)間，然后乘以時(shí)間利用系數(shù)得出有效作業(yè)時(shí)間。卡車年有效作業(yè)時(shí)間流程如圖2。

圖2 卡車年有效作業(yè)時(shí)間流程

5 實(shí)例分析

巴基斯坦塔爾煤田一區(qū)塊露天煤礦建設(shè)規(guī)模為7.80 Mt/a，剝離采用單斗-卡車開(kāi)采工藝，采煤采用單斗-卡車-可移動(dòng)式破碎站半連續(xù)開(kāi)采工藝，露天礦為坑口電廠的“燃料車間”，是真正意義上的“煤電一體化”企業(yè)。剝離采裝設(shè)備為7 m3液壓?jiǎn)味吠诰驒C(jī)（以下簡(jiǎn)稱反鏟），運(yùn)輸設(shè)備為載重60 t 的卡車。

依據(jù)上述卡車生產(chǎn)能力公式、主要計(jì)算相關(guān)參數(shù)，結(jié)合一區(qū)塊露天礦具體位置煤巖賦存特性，對(duì)載重60 t 卡車生產(chǎn)能力中的主要計(jì)算參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化確定。

1）卡車載重利用系數(shù)。根據(jù)已知一區(qū)塊露天礦的第四系沙土賦存情況、密度以及設(shè)計(jì)推薦的7 m3反鏟裝載60 t 卡車，通過(guò)連續(xù)試算，7 m3反鏟5.4 勺裝滿60 t 卡車，為充分發(fā)揮反鏟的臺(tái)年能力（取5.4勺也是6 次循環(huán)時(shí)間），設(shè)計(jì)取值為5 勺，對(duì)應(yīng)卡車載重利用系數(shù)為0.92。最終確定采購(gòu)反鏟斗容為7.5 m3，計(jì)算5.04 勺，取值為5 勺，對(duì)應(yīng)卡車載重利用系數(shù)為0.99。

2）裝車時(shí)間。設(shè)計(jì)考慮通過(guò)提升現(xiàn)場(chǎng)管理，完善優(yōu)化反鏟裝車程序，將反鏟裝車回轉(zhuǎn)角度控制在120 °以內(nèi)，裝車時(shí)間確定為34 s。經(jīng)相鄰區(qū)塊露天礦實(shí)際生產(chǎn)情況調(diào)研，反鏟循環(huán)時(shí)間為30～35 s，如加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)管理，將反鏟裝車回轉(zhuǎn)角度控制在90 °以內(nèi)，則循環(huán)時(shí)間為30～32 s。

3）卡車卸載時(shí)間及等待時(shí)間。由于第四系沙土層松軟，確定卸載時(shí)間為1.5 min。根據(jù)本區(qū)塊露天礦工況，確定調(diào)頭、等待時(shí)間均為1.5 min。

4）平均行車速度。可研中考慮第四系山沙土影響卡車通行條件，并設(shè)計(jì)采用主要?jiǎng)冸x干道進(jìn)行碎石換填，將露天礦設(shè)計(jì)規(guī)范中3.5 km 運(yùn)距下的卡車運(yùn)輸降低為22 km/h。經(jīng)調(diào)研相鄰區(qū)塊開(kāi)車行車速度情況，在采用采場(chǎng)下部硬巖換填的基礎(chǔ)上，實(shí)測(cè)重車上坡車速10～11 km/h，空車下坡速度最快為35～40 km/h，進(jìn)一步驗(yàn)證了露天礦內(nèi)最高限行車速度應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)中最不利的運(yùn)輸條件和車輛牽引特性確定，得出運(yùn)距在3.0 km 前提下，加權(quán)運(yùn)速為18～19 km/h。因此，后續(xù)設(shè)計(jì)中將3.5 km 運(yùn)距條件下的卡車運(yùn)速再次因地制宜地降低為18～19 km/h。平均行車速度對(duì)計(jì)算的卡車數(shù)量影響較大，設(shè)計(jì)中的及時(shí)調(diào)整，將降低礦建工程運(yùn)輸設(shè)備不足的風(fēng)險(xiǎn)[7]。

5）卡車箱斗容積?？ㄜ囅涠啡莘e一般由設(shè)備廠家給出，設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)具體裝載物料容重進(jìn)行核實(shí)計(jì)算，本項(xiàng)目確定2∶1 堆裝體積為34 m3。

6）卡車年有效作業(yè)時(shí)間?？ㄜ嚹暧行ё鳂I(yè)時(shí)間為4 558 h，設(shè)計(jì)取值為4 500 h，其中未考慮用餐時(shí)間，主要是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)管理，用餐后交接班，以減少交接班時(shí)間。另外法定假日，考慮本項(xiàng)目為“煤電一體化”項(xiàng)目，煤礦為電廠的燃料車間，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際管理可能是工人輪休，設(shè)備不停；單斗-卡車開(kāi)采工藝受大風(fēng)、高溫影響相對(duì)較?。槐卷?xiàng)目設(shè)備有專業(yè)維保隊(duì)伍，在備品備件供應(yīng)及時(shí)條件下，能提高維修保養(yǎng)水平；提高礦山管理水平等因素，露天礦卡車作業(yè)的年有效工作小時(shí)數(shù)可提升至5 000 h。結(jié)合一區(qū)塊露天礦煤巖賦存情況，卡車數(shù)量計(jì)算主要參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表3。

表3 卡車數(shù)量計(jì)算主要參數(shù)對(duì)比

7）卡車數(shù)量計(jì)算。根據(jù)表4 中已確定的主要技術(shù)參數(shù)數(shù)值，以礦建第1 年卡車數(shù)量計(jì)算為例，剝離總量9 010 萬(wàn)m3，運(yùn)距為3.2 km，反鏟斗容為7 m3（招標(biāo)后確定斗容為7.5 m3），物料實(shí)方密度2.09 t/m3，卡車載重為60 t，2：1 堆裝體積為34 m3。計(jì)算設(shè)計(jì)和優(yōu)化參數(shù)后的卡車臺(tái)年能力分別為26 萬(wàn)m3/a和31.30 萬(wàn)m3/a。

6 結(jié)語(yǔ)

露天煤礦設(shè)計(jì)中，設(shè)備能力計(jì)算的準(zhǔn)確性是關(guān)鍵一環(huán)。介紹了自卸卡車生產(chǎn)能力確定的方法、相關(guān)計(jì)算公式以及卡車數(shù)量計(jì)算中主要計(jì)算參數(shù)的確定，以塔爾煤田一區(qū)塊露天煤礦卡車數(shù)量計(jì)算為例，因地制宜的優(yōu)化年有效作業(yè)時(shí)間、卡車載重利用系數(shù)、平均運(yùn)行車速等主要計(jì)算參數(shù)，達(dá)到提升卡車臺(tái)年能力、降低采購(gòu)設(shè)備數(shù)量的目的。