秦旭忠,宋麗霞,李祖榮,王 偉,張德全,張煜暉

(1.中核礦業(yè)科技集團(tuán)有限公司,北京 101149;2.中核韶關(guān)錦原鈾業(yè)有限公司,廣東 韶關(guān) 512329)

采掘設(shè)備是影響井下采礦效率的重要因素之一[1]。隨著人工智能、數(shù)據(jù)計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的發(fā)展和普及,采掘智能化技術(shù)被廣泛應(yīng)用于礦山,成為礦業(yè)發(fā)展的重要方向之一[2]。針對(duì)某金屬礦山的人工駕駛有軌運(yùn)輸系統(tǒng),采用無(wú)線通信、激光雷達(dá)和安全監(jiān)測(cè)等技術(shù)對(duì)電機(jī)車(chē)進(jìn)行自動(dòng)控制改造,實(shí)現(xiàn)了井下有軌運(yùn)輸系統(tǒng)的智能化、無(wú)人化和高效化[3]。國(guó)內(nèi)某金礦運(yùn)用自動(dòng)化出礦系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了從裝礦、運(yùn)行到卸礦的全流程自動(dòng)化作業(yè),使礦山生產(chǎn)效率大幅上升[4]。

棉花坑礦井目前主要采用上向水平分層充填法和分段深孔采礦法,其生產(chǎn)過(guò)程中的鑿巖、爆破和出礦等工序基本依靠人工來(lái)完成,存在生產(chǎn)效率低和安全性差等問(wèn)題。此外,存在各采掘設(shè)備在性能上和數(shù)量上的配置失衡,這導(dǎo)致井下設(shè)備閑置和礦石留滯現(xiàn)象發(fā)生,制約了礦井的生產(chǎn)效率。針對(duì)棉花坑礦井存在的問(wèn)題,進(jìn)行采掘設(shè)備的合理配置分析和智能化建設(shè)工作,以期實(shí)現(xiàn)礦井的綠色高效生產(chǎn)。

1 采掘設(shè)備配置現(xiàn)狀

目前棉花坑礦井配備的采掘設(shè)備有液壓鑿巖臺(tái)車(chē)、內(nèi)燃鏟運(yùn)機(jī)、運(yùn)礦卡車(chē)等(表1)。

目前采掘設(shè)備配置存在的問(wèn)題主要有:1)采掘設(shè)備配置失衡。如在分層采礦工藝中,使用的主要采掘設(shè)備有BoomerK41型液壓鑿巖臺(tái)車(chē)、ST2K型鏟運(yùn)機(jī)、XYUK-12型運(yùn)礦卡車(chē)和ZK3-6型電機(jī)車(chē),上述設(shè)備的生產(chǎn)能力在配置上存在一定失衡問(wèn)題。2)采掘設(shè)備對(duì)現(xiàn)有采礦工藝的適應(yīng)性較差。如采用分段深孔采礦法開(kāi)采0 m中段破碎礦體時(shí),若使用現(xiàn)有鏟運(yùn)機(jī)在出礦穿脈進(jìn)行出礦作業(yè),則極易因松散礦堆滑落而引起施工人員傷亡。3)設(shè)備自動(dòng)化和智能化程度低。

2 采掘設(shè)備配置優(yōu)化模型構(gòu)建

采掘設(shè)備的配置受礦井生產(chǎn)能力、礦體規(guī)模和施工人員等因素的影響,且各設(shè)備在數(shù)量和性能上存在線性關(guān)系[5]。實(shí)現(xiàn)采掘設(shè)備的最優(yōu)配置,實(shí)質(zhì)上是在生產(chǎn)礦量、礦石流轉(zhuǎn)和主井提升等因素的約束下,求解經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)解的過(guò)程,是典型的線性規(guī)劃問(wèn)題[6]。

2.1 目標(biāo)函數(shù)確定

為提高礦井生產(chǎn)能力,分析優(yōu)化采掘設(shè)備配置,以設(shè)備的生產(chǎn)施工能力為目標(biāo)建立函數(shù)[7]。

maxZi=CiXi,

(1)

式中:Zi—設(shè)備生產(chǎn)能力,t/班;Ci—設(shè)備臺(tái)班生產(chǎn)能力,t/(班·臺(tái));Xi—處于工作狀態(tài)的設(shè)備數(shù)量,臺(tái)。

2.2 設(shè)備施工效率計(jì)算

2.2.1 鑿巖設(shè)備

對(duì)于礦井鑿巖設(shè)備,采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算其施工效率[8]2。

Cd=144WNTK1K2γ/πD2A,

(2)

式中:Cd—鑿巖機(jī)械生產(chǎn)能力,t/(班·臺(tái));W—鑿巖機(jī)械沖擊功,J;N—鑿巖機(jī)械沖擊器頻率,Hz;T—班工作時(shí)間,棉花坑礦井采用四六制,即6 h/班;K1—鑿巖鉆機(jī)沖擊器沖擊能力的利用系數(shù),取0.6;K2—鑿巖鉆機(jī)班工作時(shí)間利用系數(shù),取0.6;γ—礦巖體重,t/m3,根據(jù)棉花坑礦巖體重報(bào)告取2.56 t/m3;D—鉆孔直徑,cm;A—礦巖鑿碎比功,J/m3,取700 J/m3。

將棉花坑礦井現(xiàn)有鑿巖設(shè)備的相關(guān)參數(shù)代入式(2),得出各設(shè)備的臺(tái)班生產(chǎn)能力(表2)。

表2 鑿巖設(shè)備臺(tái)班生產(chǎn)能力Table 2 Production capacity of drilling equipments

2.2.2 鏟運(yùn)設(shè)備

對(duì)于礦井鏟運(yùn)設(shè)備,采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算其施工效率[8]2。

Cc=3600VTK3K4γ/t1K5,

(3)

式中:Cc—鏟運(yùn)機(jī)械生產(chǎn)能力,t/(班·臺(tái));V—鏟運(yùn)機(jī)械鏟斗容積,m3;T—班工作時(shí)間,取6 h/班;K3—鏟運(yùn)機(jī)機(jī)班工作時(shí)間利用系數(shù),取0.8;K4—鏟運(yùn)機(jī)滿斗系數(shù),取0.9;γ—礦巖體重,t/m3,取2.56 t/m3;K5—原巖在鏟斗中的松散系數(shù),取1.5;t1—鏟運(yùn)機(jī)1次循環(huán)所用時(shí)間,s,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況取400 s。

將棉花坑礦井現(xiàn)有鏟運(yùn)機(jī)的相關(guān)性能參數(shù)代入式(3),得出各設(shè)備的臺(tái)班生產(chǎn)能力(表3)。

表3 鏟運(yùn)設(shè)備臺(tái)班生產(chǎn)能力Table 3 Production capacity of shoveling equipments

2.2.3 運(yùn)礦設(shè)備

對(duì)于礦井運(yùn)礦設(shè)備,采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算其施工效率[8]2。

Ce=60TQK6γ/t2,

(4)

式中:Ce—機(jī)車(chē)運(yùn)礦能力,t/(班·臺(tái));Q—機(jī)車(chē)載重,t/次;T—班工作時(shí)間,取6 h/班;K6—機(jī)車(chē)工作時(shí)間利用系數(shù),取0.8;γ—礦巖體重,t/m3,取2.56 t/m3;t2—機(jī)車(chē)運(yùn)行周期,min,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況取20 min。

將棉花坑礦井現(xiàn)有運(yùn)礦車(chē)的相關(guān)性能參數(shù)代入式(4),得出各設(shè)備的臺(tái)班生產(chǎn)能力(表4)。

表4 運(yùn)礦設(shè)備臺(tái)班生產(chǎn)能力Table 4 Production capacity of ore transportation equipments

2.3 模型約束條件設(shè)定

在設(shè)定模型約束條件時(shí),一般需要結(jié)合礦井的實(shí)際情況選取主要影響因素[9-10]。根據(jù)棉花坑礦井生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況,選取4個(gè)方面作為主要約束。

2.3.1 生產(chǎn)礦量約束

為保證礦井的經(jīng)濟(jì)效益,鑿巖設(shè)備、鏟運(yùn)設(shè)備和運(yùn)礦設(shè)備的生產(chǎn)能力均需大于礦井最低生產(chǎn)要求[11]。

(5)

式中:Cd—鑿巖機(jī)械生產(chǎn)能力, t/(班·臺(tái));Nd—鑿巖機(jī)械數(shù)量,臺(tái);Cc—鏟運(yùn)機(jī)械生產(chǎn)能力, t/(班·臺(tái));Nc—鏟運(yùn)機(jī)械數(shù)量,臺(tái);Ce—機(jī)車(chē)生產(chǎn)能力,t/(班·臺(tái));Ne—機(jī)車(chē)數(shù)量,臺(tái);Sm—礦井生產(chǎn)要求處理的礦巖量,t/班,根據(jù)棉花坑礦井三期設(shè)計(jì)要求,每班需處理約150 t礦巖。

2.3.2 礦流量約束

為避免礦石在井下出現(xiàn)留滯現(xiàn)象,要求運(yùn)礦能力不低于鏟運(yùn)能力,鏟運(yùn)能力不低于鑿巖能力[12]。

CdNd≤CcNc≤CeNe,

(6)

式中:Cd—鑿巖機(jī)械生產(chǎn)能力,t/(班·臺(tái));Nd—鑿巖機(jī)械數(shù)量,臺(tái);Cc—鏟運(yùn)機(jī)械生產(chǎn)能力,t/(班·臺(tái));Nc—鏟運(yùn)機(jī)械數(shù)量,臺(tái);Ce—機(jī)車(chē)生產(chǎn)能力,t/(班?臺(tái));Ne—機(jī)車(chē)數(shù)量,臺(tái)。

2.3.3 設(shè)備利用率約束

富裕系數(shù)為設(shè)備生產(chǎn)能力與礦井生產(chǎn)要求產(chǎn)能的比值,若其值小于1,則設(shè)備生產(chǎn)能力無(wú)法滿足礦井生產(chǎn)要求;若其值過(guò)大,則會(huì)出現(xiàn)設(shè)備閑置情況。為了充分利用各設(shè)備,將富裕系數(shù)約束在1～1.5[13]。

(7)

式中各符號(hào)含義與式(3)～(6)一致。

2.3.4 主井提升約束

目前棉花坑礦井只有1個(gè)主井,為了避免在井下儲(chǔ)存過(guò)量礦石,要求井下生產(chǎn)與主井提升的礦石量大致相等[14]。

CeNe≈R,

(8)

式中:Ce—機(jī)車(chē)生產(chǎn)能力,t/(班·臺(tái));Ne—機(jī)車(chē)數(shù)量,臺(tái);R—主井提升能力平均值,t/班,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查統(tǒng)計(jì)約為310 t/班。

3 模型應(yīng)用及分析

3.1 上向水平分層充填法

上向水平分層充填法主要用于棉花坑礦井-150 m水平以下的礦體,采礦的基本工藝流程為:鑿巖→裝藥爆破→通風(fēng)→松石處理→采場(chǎng)出礦(大塊巖石進(jìn)行二次破碎)→充填→下一分層回采,回采過(guò)程中涉及的采掘設(shè)備及其富裕系數(shù)見(jiàn)表5。

表5 上向水平分層充填法采掘設(shè)備及富裕系數(shù)Table 5 Mining and driving equipment and affluence factor of upward horizontal slicing and filling method

由表5和模型可得出:1)當(dāng)BoomerK41型鑿巖臺(tái)車(chē)數(shù)量為1臺(tái)時(shí),完全能滿足礦井生產(chǎn)要求,通過(guò)利用率約束可知,該設(shè)備存在一定閑置。2)YT28型氣腿式鑿巖機(jī)作為鑿巖工序的輔助性設(shè)備,其數(shù)量為3臺(tái)時(shí),基本能滿足礦井生產(chǎn)要求。3)當(dāng)ST2K型鏟運(yùn)機(jī)數(shù)量為1臺(tái)時(shí),其富裕系數(shù)為1.00,說(shuō)明在生產(chǎn)中需要適當(dāng)增加設(shè)備數(shù)量或性能。4)當(dāng)UK-8和XYUK-12型運(yùn)礦卡車(chē)的數(shù)量均為2臺(tái)時(shí),完全滿足礦井生產(chǎn)要求。5)根據(jù)礦流量約束,要求BoomerK41型鑿巖臺(tái)車(chē)和ST2K型鏟運(yùn)機(jī)的數(shù)量比約為1∶2;但考慮到棉花坑礦井采場(chǎng)規(guī)模較小,無(wú)法實(shí)現(xiàn)多輛鏟運(yùn)機(jī)同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn),因此只能通過(guò)提高單臺(tái)鏟運(yùn)機(jī)的生產(chǎn)能力來(lái)實(shí)現(xiàn)采掘設(shè)備間的合理配置。6)根據(jù)主井提升約束,要求XYUK-12型運(yùn)礦卡車(chē)的數(shù)量約為2臺(tái);但隨著開(kāi)采深度的增加,運(yùn)距不斷增大,相應(yīng)的富裕系數(shù)會(huì)逐漸變小,最終會(huì)出現(xiàn)主井閑置的現(xiàn)象,因此必要時(shí)需增加運(yùn)礦卡車(chē)的數(shù)量。

3.2 分段深孔采礦法

分段深孔采礦法主要用于0 m水平南部的破碎礦體,采礦的基本工藝流程為:鑿巖→裝藥爆破→通風(fēng)→松石處理→鏟運(yùn)機(jī)出礦(大塊巖石進(jìn)行二次破碎)→最終集中充填,回采過(guò)程中涉及的采掘設(shè)備及其富裕系數(shù)見(jiàn)表6。

表6 分段深孔采礦法采掘設(shè)備及富裕系數(shù)Table 6 Mining and driving equipment and affluence factor of sublevel deep hole mining method

由表6和模型可得出:1)當(dāng)YGZ-90型鑿巖機(jī)數(shù)量為4臺(tái)時(shí),完全滿足礦井生產(chǎn)要求,且存在一定的閑置情況。2)當(dāng)ST2K型鏟運(yùn)機(jī)數(shù)量為1臺(tái)時(shí),其富裕系數(shù)為1.28,基本滿足礦井生產(chǎn)要求。3)根據(jù)礦流量的約束,要求YGZ-90型鑿巖機(jī)和ST2K型鏟運(yùn)機(jī)的數(shù)量比約為1∶3;考慮到現(xiàn)場(chǎng)操作YGZ-90型鑿巖機(jī)的人員較少,僅能保證1～2臺(tái)設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn),因此鏟斗容積為2 m3的鏟運(yùn)機(jī)基本能滿足礦流量約束。4)根據(jù)該工藝的要求,鏟運(yùn)機(jī)需要在破碎礦堆下完成出礦,必要時(shí)還需進(jìn)入采空區(qū)內(nèi)部完成最后礦體的清理和廢石充填工作,極易出現(xiàn)松散礦堆滑落、采空區(qū)頂板冒落等危害,因此需提高鏟運(yùn)機(jī)施工的智能化和無(wú)人化程度。

4 采掘設(shè)備配置優(yōu)化方案

4.1 主要采掘設(shè)備智能化建設(shè)總體方案

4.1.1 鏟運(yùn)設(shè)備無(wú)線遠(yuǎn)程控制

通過(guò)分析可知,在分層充填采礦工藝中,需提高鏟運(yùn)機(jī)的生產(chǎn)能力以實(shí)現(xiàn)采掘設(shè)備的合理配置;在分段深孔采礦工藝中,需提高鏟運(yùn)機(jī)的智能化程度以保證施工人員的安全。因此,對(duì)現(xiàn)有的鏟運(yùn)機(jī)進(jìn)行無(wú)線遠(yuǎn)程控制改裝,在不改變鏟運(yùn)機(jī)手動(dòng)操作習(xí)慣的前提下,通過(guò)無(wú)線通信、電子控制、低延時(shí)視頻傳輸?shù)燃夹g(shù)實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的遠(yuǎn)程無(wú)線遙控駕駛。

改裝后的鏟運(yùn)機(jī)可完成:1)分層充填采礦工藝下的高效出礦;2)分段深孔采礦工藝中破碎礦堆下的鏟運(yùn)出礦;3)危險(xiǎn)采空區(qū)下充填廢石的鏟運(yùn)和平場(chǎng)等。

4.1.2 掘進(jìn)設(shè)備精準(zhǔn)導(dǎo)向控制

棉花坑礦井的礦體具有厚度薄、品位低、規(guī)模小和破碎等特點(diǎn),在開(kāi)采過(guò)程中極易因爆破質(zhì)量低而導(dǎo)致大量資源的貧化和損失[15]。因此,為了提高爆破質(zhì)量,實(shí)現(xiàn)該類(lèi)礦體的精細(xì)化開(kāi)采,運(yùn)用無(wú)線通信、電子控制和計(jì)算機(jī)等技術(shù)對(duì)礦井現(xiàn)有的Boomer系列鑿巖臺(tái)車(chē)進(jìn)行智能化控制改裝,通過(guò)提高鉆孔精度改善爆破質(zhì)量。

設(shè)備改裝完成后可實(shí)現(xiàn)以下功能:1)施工人員無(wú)需進(jìn)入危險(xiǎn)工作面,只需在巷道外或地表通過(guò)計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程操作,進(jìn)一步提高了井下施工的安全性;2)系統(tǒng)可自動(dòng)識(shí)別設(shè)計(jì)參數(shù),并根據(jù)參數(shù)自動(dòng)調(diào)整鉆桿完成鉆孔;3)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控鉆孔進(jìn)度,并在顯示器上顯示孔軸的傾向、傾角、孔深和孔位坐標(biāo)等重要參數(shù)。

4.1.3 井下電機(jī)車(chē)有軌智能無(wú)人運(yùn)輸

目前棉花坑礦井在-150 m水平集中出礦。為提高井下的出礦效率,實(shí)現(xiàn)礦石的高效運(yùn)轉(zhuǎn),對(duì)現(xiàn)有的電機(jī)車(chē)出礦系統(tǒng)進(jìn)行改裝升級(jí),綜合運(yùn)用無(wú)線通信、自動(dòng)化和網(wǎng)絡(luò)等多個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能化和無(wú)人化出礦。升級(jí)改裝完成后電機(jī)車(chē)具有無(wú)人駕駛、自動(dòng)裝礦、自動(dòng)運(yùn)輸、智能避讓和故障監(jiān)測(cè)等功能。

4.2 主要采掘設(shè)備配置優(yōu)化

采掘設(shè)備的配置優(yōu)化可從設(shè)備數(shù)量、設(shè)備性能和設(shè)備安全性等方面考慮[16]。通過(guò)模型分析可看出,在目前的采礦工藝下,棉花坑礦井的各采掘設(shè)備除鏟運(yùn)機(jī)外富裕系數(shù)均大于1,說(shuō)明在數(shù)量和性能上基本滿足礦井的日常生產(chǎn)要求。因此,主要從設(shè)備安全性方面進(jìn)行采掘設(shè)備的配置優(yōu)化研究。通過(guò)運(yùn)用遠(yuǎn)程智能控制等技術(shù)對(duì)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行智能化改裝,實(shí)現(xiàn)設(shè)備的無(wú)人化、遠(yuǎn)程化和精細(xì)化操作,從而提高井下的施工質(zhì)量和安全程度[17]。

4.2.1 上向水平分層充填法

在該采礦工藝下改裝優(yōu)化的采掘設(shè)備主要有鑿巖臺(tái)車(chē)、鏟運(yùn)機(jī)和電機(jī)車(chē),優(yōu)化后單一采場(chǎng)所需的主要采掘設(shè)備見(jiàn)表7,采礦的基本工藝流程為:設(shè)計(jì)人員完成炮孔設(shè)計(jì)→改裝后的BoomerK41型鑿巖臺(tái)車(chē)識(shí)別參數(shù)并完成精準(zhǔn)鉆孔→裝藥→爆破→通風(fēng)→松石處理→ST2K型鏟運(yùn)機(jī)遠(yuǎn)程鏟運(yùn)礦石→ST2K型鏟運(yùn)機(jī)遠(yuǎn)程充填廢石→運(yùn)礦卡車(chē)運(yùn)礦石至溜井→-150 m有軌智能電機(jī)車(chē)統(tǒng)一出礦。

表7 優(yōu)化后上向水平分層充填法單一采場(chǎng)主要采掘設(shè)備Table 7 Optimized single stope mining equipment of upward horizontal slicing and filling method

4.2.2 分段深孔采礦法

在該采礦工藝下改裝優(yōu)化的采掘設(shè)備主要為鏟運(yùn)機(jī)和電機(jī)車(chē),優(yōu)化后單一采場(chǎng)所需的主要采掘設(shè)備見(jiàn)表8,采礦的基本工藝流程為:施工中深孔→裝藥→爆破→通風(fēng)→松石處理→ST2K型鏟運(yùn)機(jī)遠(yuǎn)程鏟運(yùn)礦石至溜井→-150 m有軌智能電機(jī)車(chē)統(tǒng)一出礦→統(tǒng)一集中充填。

表8 優(yōu)化后分段深孔采礦法單一采場(chǎng)主要采掘設(shè)備Table 8 Optimized single stope mining equipment of sublevel deep hole mining method

5 結(jié)論

1)根據(jù)采掘設(shè)備配置優(yōu)化的特點(diǎn),結(jié)合棉花坑礦井的實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)狀,構(gòu)建了基于線性理論的設(shè)備配置優(yōu)化模型;并運(yùn)用優(yōu)化模型分析得出礦井現(xiàn)有的各采掘設(shè)備在性能和數(shù)量上基本滿足礦井的生產(chǎn)要求,甚至存在一定富裕。

2)從采掘設(shè)備的安全性方面考慮,提出了鏟運(yùn)設(shè)備無(wú)線遠(yuǎn)程控制、掘進(jìn)設(shè)備精準(zhǔn)導(dǎo)向控制和井下電機(jī)車(chē)有軌智能無(wú)人運(yùn)輸?shù)牡V井采掘設(shè)備智能化建設(shè)總體方案;并針對(duì)不同采礦工藝,給出了單一采場(chǎng)的主要采掘設(shè)備配置優(yōu)化方案。