采場(chǎng)爆破塊度分布對(duì)鏟裝運(yùn)輸工藝能耗影響

王鳳林　陳　超　李洪寶　李　鵬

(1.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院；2.河北省礦業(yè)開(kāi)發(fā)與安全技術(shù)實(shí)驗(yàn)室；3.河北鋼鐵集團(tuán)礦業(yè)有限公司)

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采場(chǎng)爆破塊度分布對(duì)鏟裝運(yùn)輸工藝能耗影響

王鳳林1,2,3陳超1,2李洪寶1,2李鵬1,2

(1.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院；2.河北省礦業(yè)開(kāi)發(fā)與安全技術(shù)實(shí)驗(yàn)室；3.河北鋼鐵集團(tuán)礦業(yè)有限公司)

摘要在資源開(kāi)采的過(guò)程中，由于開(kāi)采的主體工序能耗分配不合理、設(shè)備的能量利用率較低等原因?qū)е碌V山企業(yè)能耗過(guò)高。為此，以司家營(yíng)礦山露天坑爆破塊度為研究對(duì)象，進(jìn)行二維矢量化分析處理，統(tǒng)計(jì)并分析采場(chǎng)爆破塊度分布的規(guī)律，研究爆堆巖體的塊度分布對(duì)于鏟裝、運(yùn)輸作業(yè)中能耗分布規(guī)律的影響。統(tǒng)計(jì)分析表明，爆堆塊度對(duì)露天機(jī)械能耗的影響近似符合線性規(guī)律，塊度越大，鏟裝和運(yùn)輸能耗越高，鏟裝和運(yùn)輸工作條件對(duì)工序能耗分布差異有較大影響。

關(guān)鍵詞爆破塊度大塊率鏟運(yùn)能耗

司家營(yíng)鐵礦位于河北省灤縣東南，是冀東地區(qū)特大型露天鐵礦之一，設(shè)計(jì)年產(chǎn)鐵礦石1 500萬(wàn)t。其露天采場(chǎng)面積大、地質(zhì)條件復(fù)雜，礦石品位和物理特性變化較大，采礦工序技術(shù)管理工作量大，尤其是鏟裝和運(yùn)輸功耗的波動(dòng)較大[1]。鏟裝運(yùn)輸系統(tǒng)是露天礦山生產(chǎn)的動(dòng)脈，設(shè)備投資比例往往超過(guò)50%，能耗占比甚至超過(guò)60%。鏟裝運(yùn)輸系統(tǒng)的改進(jìn)是礦山節(jié)能優(yōu)化的重點(diǎn)，尤其是對(duì)于深凹陷露天礦山，鏟裝運(yùn)輸成本是控制采礦成本的重要環(huán)節(jié)。根據(jù)不同礦山的礦石賦存條件和開(kāi)采技術(shù)條件，合理優(yōu)化開(kāi)采工藝，降低采礦工序能耗，可為礦山節(jié)約20%～30%的能源消耗，顯著降低礦山開(kāi)采成本。分析統(tǒng)計(jì)表明，采場(chǎng)爆破塊度是影響露天采場(chǎng)鏟裝運(yùn)輸過(guò)程能耗的主要因素，合理控制、優(yōu)化采場(chǎng)爆破塊度，是提高鏟裝運(yùn)輸效率、降低鏟裝運(yùn)輸能耗的重要手段。針對(duì)國(guó)內(nèi)冶金礦山采礦工序能耗分配不合理、設(shè)備能量利用率較低而導(dǎo)致的能耗過(guò)高的現(xiàn)狀，從采礦工序節(jié)能的角度，研究司家營(yíng)鐵礦爆破塊度對(duì)后續(xù)生產(chǎn)工藝能耗分布規(guī)律的影響，構(gòu)建鏟裝運(yùn)輸能耗與爆破粒度分布的關(guān)系模型，分析爆破塊度分布對(duì)鏟裝、運(yùn)輸工藝能耗的影響。

1爆堆塊度圖像分析

應(yīng)用MAPGIS對(duì)爆堆巖體塊度的圖片進(jìn)行矢量化處理，進(jìn)而得到爆堆塊度分布。為確保樣本的可靠性，照片面積不小于完整爆堆面積的15%，并采用平面傾斜照相法(圖1)，將照片導(dǎo)入MAPGIS進(jìn)行矢量化處理(圖2)，通過(guò)標(biāo)尺的刻度換算實(shí)際比例，對(duì)圖像進(jìn)行配準(zhǔn)。配準(zhǔn)公式為

(1)

式中，x為矯正后實(shí)地水平長(zhǎng)度，mm；y為矯正后實(shí)地垂直長(zhǎng)度，mm;A為照片水平長(zhǎng)度,mm；B為照片垂直長(zhǎng)度,mm；C為標(biāo)尺圖上單位長(zhǎng)度,mm。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)爆塊 圖2 矢量化處理的爆塊照片

將配準(zhǔn)照片的數(shù)值(即目標(biāo)點(diǎn)的數(shù)值)進(jìn)行修正，替換成標(biāo)準(zhǔn)比例的數(shù)據(jù)，保持原點(diǎn)數(shù)據(jù)不變，得到配準(zhǔn)后的標(biāo)準(zhǔn)比例照片。將配準(zhǔn)后的圖像數(shù)據(jù)導(dǎo)出，根據(jù)巖體體積經(jīng)驗(yàn)公式處理數(shù)據(jù)。

(2)

式中，S為巖塊面積,m2；P為巖塊周長(zhǎng)，m；D為巖塊的篩網(wǎng)尺寸，m；a為最佳橢圓的最大半徑,m；b為最佳橢圓的最小半徑，m；V為巖塊體積,m3。

爆破塊度統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1　爆破塊度統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

2爆堆大塊率預(yù)測(cè)模型

2.1影響爆破塊度的因素

2.1.1孔網(wǎng)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)表明，增加炮孔密集系數(shù)m，爆破后塊度分布效果好，其平均塊度明顯減小，同時(shí)大塊率降低。一般情況下，m應(yīng)該在1～2。

2.1.2裝藥結(jié)構(gòu)和堵塞

裝藥越均勻，爆堆塊度越均勻，但常規(guī)生產(chǎn)爆破中其對(duì)爆破塊度影響不大;堵塞炮孔的爆破效果較好。

2.1.3炮孔直徑及炸藥單耗

研究表明，炮孔直徑與臺(tái)階高度之間有著緊密的聯(lián)系，在一定合理的范圍內(nèi)，增加孔徑可以獲得良好的爆破巖體塊度分布，如果孔徑超過(guò)一定范圍，會(huì)增加大塊率。炸藥單耗對(duì)爆破塊度的影響主要體現(xiàn)在平均塊度方面，影響較大的是爆破巖石中塊度為中小粒的顆粒，單純地增減單耗不能減少大塊率。

2.2預(yù)測(cè)模型建立

將巖體塊度大于ymax的視作大塊，采用KUZ-RAM模型分析爆破參數(shù)與爆堆塊度分布的函數(shù)關(guān)系[2-3]。

(1)大塊率：

(3)

式中,YD為大塊率，%；ymax為大塊巖體尺寸，m；x0為特征粒徑值，m；n為塊度均勻性指數(shù)。

(2)平均塊度：

(4)

式中，X為平均塊度,m；A為巖石硬度系數(shù)，受巖體節(jié)理裂隙發(fā)育程度影響；Q為單孔裝藥量，kg；V為單孔爆破的巖石體積，m3；E為炸藥相對(duì)威力。

(3)塊度均勻性指數(shù)：

(5)

式中，n為均勻性指數(shù)；w為最小抵抗線，m；d為炮孔直徑，mm；δ為炮孔孔位標(biāo)準(zhǔn)差，一般為0.3～1.0；m為炮孔密集系數(shù)；L為裝藥長(zhǎng)度，m；H為臺(tái)階高度，m。

根據(jù)礦山的實(shí)際情況，確定巖體塊度大于0.6 m 的巖體為大塊。實(shí)驗(yàn)礦山原巖屬于節(jié)理裂隙不發(fā)育的硬巖，故取A=14。則爆堆巖體平均塊度X=63.708 mm，塊度均勻性指數(shù)n=1.11，爆堆的大塊率為4.37%。

3露天采場(chǎng)鏟運(yùn)工藝能耗分析

3.1鏟裝能耗分析

采用錄像統(tǒng)計(jì)分析研究鏟裝效率和能耗，選擇鏟裝工作開(kāi)始、中期、末期3個(gè)節(jié)點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2　鏟裝裝載時(shí)間統(tǒng)計(jì)

在鏟裝初期，電鏟裝滿(mǎn)一車(chē)所用的次數(shù)、總時(shí)間和平均時(shí)間較小;鏟裝中期裝滿(mǎn)一車(chē)所需要的次數(shù)明顯增大，總時(shí)間提高，工作周期的平均時(shí)間相對(duì)于初期有顯著增大；末期裝滿(mǎn)一車(chē)所用次數(shù)再次降低，裝載機(jī)工作一周期的平均時(shí)間會(huì)增大，使得裝滿(mǎn)一車(chē)總時(shí)間增大。

影響一次采裝循環(huán)時(shí)間的因素主要是回轉(zhuǎn)角度和大塊率。當(dāng)工作面離卸料口距離較遠(yuǎn)，使得回轉(zhuǎn)角度較大，增加了采掘工作時(shí)間；大塊率高，剔除大塊額外消耗時(shí)間，降低了工作效率。在鏟裝初期，大塊少、回轉(zhuǎn)角度小，裝滿(mǎn)一車(chē)所用的次數(shù)、總時(shí)間和平均時(shí)間都較小。在鏟裝末期，回轉(zhuǎn)角度逐漸增大，同時(shí)大塊增多，導(dǎo)致裝載平均時(shí)間增大。

3.2運(yùn)輸能耗分析

爆破塊度對(duì)運(yùn)輸油耗的影響隨運(yùn)距有明顯變化,見(jiàn)圖3?？梢钥闯?汽車(chē)單位運(yùn)距油耗總體上在15～20 L/km波動(dòng)。采場(chǎng)內(nèi)爆堆塊度越小，裝載效率越高，裝滿(mǎn)一車(chē)所用的時(shí)間越少，在一個(gè)班的時(shí)間內(nèi)，汽車(chē)運(yùn)輸次數(shù)越多，運(yùn)距也越長(zhǎng)，單位運(yùn)距油耗越低。運(yùn)距短，待裝時(shí)間油耗相對(duì)占比較大，單位距離油耗波動(dòng)較大；運(yùn)距長(zhǎng)，待裝時(shí)間油耗相對(duì)占比較小，單位距離油耗反而較為穩(wěn)定。

圖3　不同爆破塊度條件下單位運(yùn)距油耗變化

運(yùn)輸工況條件對(duì)運(yùn)輸能耗的影響較大，見(jiàn)表3。紅礦因單位體積礦石質(zhì)量大，油耗略微增加。汽車(chē)白班、中班和夜班的單位運(yùn)距油耗，依次遞減，幅度較大。在中班和夜班，尤其夜班，汽車(chē)在采場(chǎng)的運(yùn)輸干擾小，運(yùn)輸能耗低。

表3　不同工況條件單位距離油耗平均值的變化

4結(jié)論

以司家營(yíng)鐵礦露天開(kāi)采為工程實(shí)例，通過(guò)統(tǒng)計(jì)露天爆堆的塊度分布規(guī)律，并對(duì)其大塊率進(jìn)行建模預(yù)測(cè)，與實(shí)際爆堆塊度分布較接近。在不同爆堆條件下采用錄像統(tǒng)計(jì)分析研究鏟裝效率和能耗關(guān)系，分析了汽車(chē)運(yùn)輸距離工況條件與能耗的關(guān)系，得出相關(guān)結(jié)論：

(1)由KUZ-RAM模型求得爆堆巖體平均塊度X=63.708 mm,塊度均勻性指數(shù)n=1.11,爆堆實(shí)際大塊率為4.37%。

(2)影響一次采裝循環(huán)時(shí)間的因素主要是回轉(zhuǎn)角度和大塊率。當(dāng)工作面離卸料口距離較遠(yuǎn)，使得回轉(zhuǎn)角度較大，鏟斗作業(yè)時(shí)回轉(zhuǎn)速度一定，回轉(zhuǎn)時(shí)間增加，增加采掘工作時(shí)間；大塊率高，電鏟鏟裝效率降低，能耗增加。

(3)汽車(chē)單位運(yùn)距油耗在15～20 L/km波動(dòng)，運(yùn)距越短，爆破塊度對(duì)單位油耗的影響越大;爆破塊度小，單位運(yùn)輸能耗減少；運(yùn)輸工況對(duì)能耗影響也較大。

參考文獻(xiàn)

[1]李欣.司家營(yíng)鐵礦北區(qū)礦體地質(zhì)與深部找礦的探討[J].金屬礦山,2009(6):113-116.

[2]張?jiān)迄i.露天臺(tái)階爆破巖石破碎與拋擲的計(jì)算機(jī)模擬[D].北京：北京科技大學(xué)，1994.

[3]李長(zhǎng)洪.爆破碎塊分布的分形模型研究及爆破模型優(yōu)選[J].爆破，1997(2)：9-12.

(收稿日期2016-01-18)

王鳳林(1983—)，男，主任，工程師，063799 河北省唐山市。