露天采礦機(jī)復(fù)合切割軌跡對(duì)比研究*

孫 寬 李 鑫 韓 流 周 偉 鄧有燃

（中煤平朔集團(tuán)有限公司安家?guī)X露天礦）

·機(jī)電與自動(dòng)化·

露天采礦機(jī)復(fù)合切割軌跡對(duì)比研究*

孫 寬 李 鑫 韓 流 周 偉 鄧有燃

（中煤平朔集團(tuán)有限公司安家?guī)X露天礦）

為了研究露天采礦機(jī)的實(shí)際切割軌跡，總結(jié)了露天采礦機(jī)的基本作業(yè)方式，分析了切割軌跡的影響因素，綜合x(chóng)、y方向的分速度進(jìn)行積分得到了順時(shí)針和逆時(shí)針2種切割方式的軌跡計(jì)算模型，確立了切割軌跡長(zhǎng)度L與水平方向速度v、開(kāi)采深度h、滾筒半徑R、轉(zhuǎn)速ω之間的函數(shù)關(guān)系，并對(duì)T1255露天采礦機(jī)進(jìn)行研究，得到了2種切割軌跡的長(zhǎng)度、差值與h、R及ω的關(guān)系。研究結(jié)果表明：順時(shí)針比逆時(shí)針切割軌跡長(zhǎng)，單位切割次數(shù)功耗最大相差達(dá)到6.83 kN·m；固定轉(zhuǎn)速時(shí)，2種切割軌跡隨h增加而增加，變動(dòng)轉(zhuǎn)速時(shí)，順時(shí)針切割軌跡隨采深增加先增大后減小，在h＝0.5 m時(shí)達(dá)到最大，逆時(shí)針切割軌跡隨著采深變化持續(xù)增加，在最大采深處達(dá)到最大。

露天采礦機(jī) 切割軌跡 切割方式 選采深度

隨著技術(shù)和裝備的不斷發(fā)展和完善，露天開(kāi)采在世界各地不同類型礦山上的應(yīng)用越來(lái)越廣泛［1］。我國(guó)中西部地區(qū)埋藏著豐富的礦產(chǎn)資源，而且多數(shù)礦產(chǎn)埋藏較淺、礦體較厚且賦存條件良好，非常適合采用露天開(kāi)采。經(jīng)過(guò)近幾十年的發(fā)展，露天礦的生產(chǎn)規(guī)模發(fā)展了巨大的變化，從早期年產(chǎn)幾百萬(wàn)t到現(xiàn)在年產(chǎn)2 000～3 000萬(wàn)t［2］，如此驚人的產(chǎn)量邁進(jìn)都?xì)w功于科技的進(jìn)步和機(jī)械設(shè)備的不斷發(fā)展。先進(jìn)的開(kāi)采工藝和管理系統(tǒng)可以讓礦山生產(chǎn)作業(yè)更加高效連續(xù)，大型、特大型設(shè)備的應(yīng)用［3］讓露天礦的生產(chǎn)能力不斷提升，這些是保障露天礦生產(chǎn)規(guī)模不斷增加的基礎(chǔ)動(dòng)力。

1 露天采礦機(jī)應(yīng)用現(xiàn)狀

露天開(kāi)采除了生產(chǎn)高效化、設(shè)備大型化等特點(diǎn)之外，還具備細(xì)節(jié)處理準(zhǔn)確化等優(yōu)勢(shì)。對(duì)于層數(shù)較多，賦存較薄的煤層群［4］，無(wú)法采用主流的開(kāi)采工藝進(jìn)行高效開(kāi)采，更無(wú)法保證煤炭資源的回收率而且極易造成采出煤炭的混矸。對(duì)于薄煤層的開(kāi)采，現(xiàn)在多采用露天采礦機(jī)，這是從道路機(jī)械和井下綜采機(jī)組移植開(kāi)發(fā)的一種新型露天采礦設(shè)備。根據(jù)作業(yè)方式及原理的不同，露天采礦機(jī)可以分為很多種類。按照滾筒旋轉(zhuǎn)方向的不同可以分為逆時(shí)針切割作業(yè)和順時(shí)針切割作業(yè)；按照滾筒在機(jī)體上的位置不同可以分為前置式、中置式和后置式［5］；按機(jī)體結(jié)構(gòu)可分為有膠帶和無(wú)膠帶2種。自1981年在一些國(guó)家露天礦開(kāi)始使用以來(lái)，在開(kāi)采薄礦層及復(fù)合層狀礦床的選采方面日益顯示其優(yōu)越性［6］。為了進(jìn)一步剖析露天采礦機(jī)的作業(yè)原理并為其選采效果的理論分析奠定基礎(chǔ)，有必要對(duì)露天采礦機(jī)的切割軌跡進(jìn)行綜合分析，建立露天采礦機(jī)在正常開(kāi)采走形時(shí)，滾筒上切齒的運(yùn)行軌跡。該研究對(duì)于露天采礦機(jī)的切割阻力、選采效率以及選采塊度的分析有積極效果。

2 切割軌跡的影響因素

露天采礦機(jī)在進(jìn)行開(kāi)采作業(yè)時(shí)，依靠滾筒快速轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)其上安裝的切齒將完整的煤層刨碎，然后將煤塊推集到后方。對(duì)于帶有膠帶的露天采礦機(jī)，采出的煤炭資源直接被推集到膠帶上，通過(guò)膠帶的運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)煤炭的轉(zhuǎn)移和裝車［7］；對(duì)于無(wú)膠帶的采礦機(jī)，采出的煤炭直接松散的堆放在已采條區(qū)中。除了滾筒的轉(zhuǎn)動(dòng)，還有機(jī)體向前運(yùn)動(dòng)，這種復(fù)合形式的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)于煤層的有效開(kāi)采［8］。因此，影響采礦機(jī)切割軌跡的兩個(gè)主要因素是機(jī)體走行和滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)。

（1）機(jī)體走行。露天采礦機(jī)為了實(shí)現(xiàn)開(kāi)采作業(yè)的有效推進(jìn)，要保持采礦機(jī)以一定的速度向前運(yùn)行。當(dāng)采礦機(jī)達(dá)到最佳切割深度且運(yùn)行穩(wěn)定時(shí)，整機(jī)功率的分配達(dá)到最佳狀態(tài)，即滾筒部分的功率與機(jī)體走行部分的功率達(dá)到了最佳匹配效果。滾筒以固定的轉(zhuǎn)速ω連續(xù)切割煤層，采礦機(jī)以某一速度v勻速向前行駛。此時(shí)，機(jī)體走形對(duì)于滾筒切齒的切割軌跡產(chǎn)生沿走行方向的影響，在時(shí)間t內(nèi)的積累最終變?yōu)関t的位移量。

（2）滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)。采礦機(jī)是通過(guò)其切削轉(zhuǎn)子，高度選擇性的開(kāi)采有用礦藏。對(duì)于滾筒式的露天采礦機(jī)，滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)是采礦機(jī)切割軌跡的主要組成部分，當(dāng)采礦機(jī)沿著煤矸分界線開(kāi)采時(shí)，切削轉(zhuǎn)子沿此分界線不斷切削，形成連續(xù)的切割弧線［9］，由于滾筒自身做圓周運(yùn)動(dòng)切割軌跡的方向時(shí)刻發(fā)生變化，與機(jī)體走行產(chǎn)生的軌跡相疊加形成一個(gè)復(fù)雜的復(fù)合曲線。研究采礦機(jī)復(fù)合切割軌跡將會(huì)對(duì)采礦機(jī)的高效使用形成科學(xué)的指導(dǎo)，并準(zhǔn)確地確定切割中線的位置，降低選采時(shí)的混矸率［10］。

3 不同切割方式采礦機(jī)的切割軌跡分析

露天采礦機(jī)的切割軌跡是水平方向的速度v和滾筒的圓周軌跡疊加形成的復(fù)合曲線，將2個(gè)速度累加在一起，并對(duì)時(shí)間積分，便可得到該采礦機(jī)的真實(shí)切割軌跡。下面結(jié)合不同滾筒旋轉(zhuǎn)方向的采礦機(jī)來(lái)進(jìn)行分別的研究。

3.1 順時(shí)針切割

由于滾筒旋轉(zhuǎn)方式有順時(shí)針與逆時(shí)針之分，不同的旋轉(zhuǎn)切割效果不同。對(duì)于滾筒順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的露天采礦機(jī)，則切齒從最低點(diǎn)切割到煤層頂面所需的時(shí)間t為

式中，R為滾筒半徑，cm；h為切割深度，m；ω為滾筒切割轉(zhuǎn)速，rad／s。

滾筒順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的切割軌跡（見(jiàn)圖1）為一條不規(guī)則的緩和曲線，該曲線的長(zhǎng)度是滾筒旋轉(zhuǎn)和機(jī)體勻速向前運(yùn)行共同作用的結(jié)果。

圖1 順時(shí)針切齒切割軌跡

則疊加的速度為

曲線AB范圍內(nèi)的任意一點(diǎn)的速度可以分解為

對(duì)于該曲線的長(zhǎng)度，可以由積分的方式求得

積分后得到

則切齒從滾筒最低點(diǎn)A運(yùn)轉(zhuǎn)到煤層頂面B點(diǎn)這段時(shí)間內(nèi)，所有切齒切割煤層的總距離為

3.2 逆時(shí)針切割

滾筒按照逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)切割煤層的露天采礦機(jī)，滾筒的切割軌跡（見(jiàn)圖2）為一條壓縮的緩和曲線。對(duì)該方式的速度進(jìn)行分解，得到瞬時(shí)分速度為

圖2 逆時(shí)針切齒切割軌跡

逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)滾筒的疊加速度為

其長(zhǎng)度仍通過(guò)積分的方式求得：

切齒從滾筒煤層頂面A運(yùn)轉(zhuǎn)到最低點(diǎn)B點(diǎn)這段時(shí)間內(nèi)，所有切齒切割煤層的總距離為

對(duì)于2種不同切割方向的露天采礦機(jī)，其真實(shí)的切割軌跡也存在一定的區(qū)別，從切割總距離來(lái)看，逆時(shí)針切割方式的切割距離更短，對(duì)應(yīng)的體切割阻力也會(huì)較小，能耗相對(duì)較低；當(dāng)滾筒的轉(zhuǎn)速相同時(shí)，順時(shí)針切割方式的開(kāi)采效率更高，生產(chǎn)能力更大［11］。

4 實(shí)例驗(yàn)證

4.1 切割軌跡對(duì)比

為了測(cè)試露天采礦機(jī)的實(shí)際開(kāi)采軌跡和效果，選定了Vermeer公司的T1255露天采礦機(jī)進(jìn)行測(cè)試，該設(shè)備的具體參數(shù)如表1所示。

表1 T1255型露天采礦機(jī)參數(shù)

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)結(jié)合式（6）和式（11）計(jì)算T1255采礦機(jī)順時(shí)針和逆時(shí)針切割時(shí)的理論切割軌跡長(zhǎng)度。得到二者隨切割深度變化的曲線見(jiàn)圖3。

圖3 2種切割方式不同深度時(shí)的軌跡長(zhǎng)度

從圖3中可以看出，隨著切割深度h的不斷增加，滾筒切割軌跡長(zhǎng)度也不斷增加，二者存在明顯的正相關(guān)性；正常選采作業(yè)時(shí)（h≠0），順時(shí)針切割方式比逆時(shí)針的切割軌跡長(zhǎng)度要大，h從0～0.4 m，二者切割軌跡的差值逐漸增大，h從0.4～0.7 m，差值又逐漸減小。

為了研究2種不同切割方式的切割軌跡差異，計(jì)算不同滾筒半徑R時(shí)2種切割軌跡的數(shù)值，見(jiàn)圖4。

圖4 不同半徑下2種切割軌跡差值曲線1—R＝0.7 m；2—R＝0.8 m；3—R＝0.9 m；4—R＝1.0 m；5—R＝1.1 m；6—R＝1.2 m

統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，在不同的滾筒半徑下，順時(shí)針和逆時(shí)針2種切割方式的最大差值出現(xiàn)在滾筒半徑一半以上的位置，即h＞R／2，對(duì)每個(gè)滾筒半徑級(jí)別下，兩種切割軌跡的最大差值LΔ及切割深度h進(jìn)行回歸分析，見(jiàn)圖5，得到滾筒半徑R與最大差值LΔ的函數(shù)關(guān)系為

滾筒半徑R與出現(xiàn)最大差值LΔ時(shí)的切割深度h之間的函數(shù)關(guān)系為

圖5 滾筒半徑R與最大差值LΔ和切割深度h的關(guān)系曲線

4.2 切割功耗對(duì)比

均勻煤層可看作各向同性的均質(zhì)軟巖，采礦機(jī)在煤層中進(jìn)行切割時(shí)，在任意方向上的阻力f均相同，不同的切割軌跡長(zhǎng)度，必然會(huì)造成能耗的不同，基于以上對(duì)于順時(shí)針和逆時(shí)針2種切割方式切割軌跡的對(duì)比研究，下面對(duì)于2種方式作業(yè)時(shí)的能耗進(jìn)行比較，以從能量的角度進(jìn)一步衡量二者的優(yōu)劣性。根據(jù)做功的基本計(jì)算原理，開(kāi)采過(guò)程中的功耗核算為f·L，其中L為滾筒的切割軌跡長(zhǎng)度。褐煤的線切割阻力為51 kN／m［12］，對(duì)于T1255，在不同的切割深度下，順、逆時(shí)針2種切割方式進(jìn)行選采作業(yè)，所做有效功的差異見(jiàn)表2。

表2 不同切割深度下2種切割方式的功耗

從表2中可以看出，在切割深度h為0.4 m時(shí)，單位切割次數(shù)時(shí)，順時(shí)針切割方式比逆時(shí)針切割方式增加能耗為6.83 kN·m，由此可見(jiàn)，切割軌跡延長(zhǎng)會(huì)引發(fā)整體切割能耗的加大。

4.3 轉(zhuǎn)速與切割軌跡的關(guān)系

T1255露天采礦機(jī)和其他采礦設(shè)備類似，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速都存在一個(gè)波動(dòng)范圍，在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)，當(dāng)設(shè)備空轉(zhuǎn)時(shí)，可以達(dá)到最大轉(zhuǎn)速50 r／min，當(dāng)設(shè)備按照最大采深作業(yè)時(shí)，則降低至最小轉(zhuǎn)速25 r／min。當(dāng)采礦機(jī)按照某一轉(zhuǎn)速ω切割煤層時(shí)，對(duì)應(yīng)2種不同切割方式的軌跡的變化曲線見(jiàn)圖6。

圖6 固定轉(zhuǎn)速下切割軌跡和切割深度的關(guān)系曲線

從圖6可以看出，在某一固定轉(zhuǎn)速ω下，順時(shí)針和逆時(shí)針2種切割方式的切割軌跡長(zhǎng)度隨著切割深度的增大而不斷增大；順時(shí)針切割軌跡的增長(zhǎng)速率隨切割深度h的變化表現(xiàn)的較為平緩、均勻，逆時(shí)針切割軌跡增長(zhǎng)速率隨著h的增大而不斷提高；2種切割方式的最大差值LΔ仍然出現(xiàn)在h＝R／2附近。

露天采礦機(jī)固定轉(zhuǎn)速ω進(jìn)行選采作業(yè)時(shí)，必然會(huì)造成一定程度的能力浪費(fèi)，因?yàn)椴煌倪x采深度對(duì)應(yīng)著不同的切割轉(zhuǎn)速ω，當(dāng)選采深度小于與ω對(duì)應(yīng)的切割深度時(shí)，采礦機(jī)的能力便無(wú)法得到充分的發(fā)揮。因此，在保持采礦機(jī)以額定功率運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，該設(shè)備的轉(zhuǎn)速ω隨開(kāi)采深度h呈線性變化，即按照這一公式修正2種切割方式時(shí)的轉(zhuǎn)速參數(shù)，計(jì)算得到修正后順時(shí)針、逆時(shí)針2種切割軌跡的修正曲線，見(jiàn)圖7。

圖7 修正轉(zhuǎn)速下的切割軌跡曲線

通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)速ω進(jìn)行修正，計(jì)算得到順時(shí)針、逆時(shí)針2種切割方式的軌跡曲線與固定轉(zhuǎn)速時(shí)（圖3）的曲線存在明顯的區(qū)別：

（1）隨著切割深度h的不斷增加，切割軌跡逐漸增長(zhǎng)，并在0～0.2 m之間呈現(xiàn)加速增長(zhǎng)趨勢(shì)，在0.2～0.6 m之間呈現(xiàn)減速增長(zhǎng)的趨勢(shì)。

（2）順時(shí)針切割方式，切割軌跡長(zhǎng)度與h存在密切關(guān)系，從0～0.5 m，切割軌跡長(zhǎng)度不斷增加，在h＝0.5 m時(shí)達(dá)到最大值，從0.5 m至最大采深，切割軌跡長(zhǎng)度出現(xiàn)下降趨勢(shì)，在最大采深時(shí)，切割軌跡長(zhǎng)度為0.803 m。

（3）逆時(shí)針切割方式，在整個(gè)采深h的變化范圍內(nèi)，逆時(shí)針切割軌跡長(zhǎng)度不斷增加，并在最大切割深度時(shí)達(dá)到最大值，為0.743 m。

（4）將T1255應(yīng)用于神華集團(tuán)哈爾烏素露天煤礦，該礦包含多個(gè)可采煤層，其中5＃煤層平均厚度為1.9 m，屬局部可采煤層，適合于使用露天采礦機(jī)進(jìn)行開(kāi)采。通過(guò)在該礦對(duì)T1255進(jìn)行切割軌跡測(cè)試，采深0.5 m時(shí)，測(cè)量得到現(xiàn)場(chǎng)的切割軌跡線長(zhǎng)度為0.693 m，與理論計(jì)算得到的0.700 m非常接近。

5 結(jié) 論

（1）通過(guò)總結(jié)露天采礦機(jī)的作業(yè)方式，分析露天采礦機(jī)的作業(yè)原理及過(guò)程，分別建立了順時(shí)針和逆時(shí)針2種切割方式時(shí)的分解速度表達(dá)式，并積分得到了2種切割方式對(duì)應(yīng)的軌跡長(zhǎng)度計(jì)算模型，確立了L與v、h、R、ω之間的函數(shù)關(guān)系。

（2）根據(jù)計(jì)算公式，選定T1255露天采礦機(jī)，計(jì)算并對(duì)比2種作業(yè)方式的切割軌跡，在固定轉(zhuǎn)速ω下，2種切割軌跡隨h增加而增加，且順時(shí)針比逆時(shí)針切割軌跡長(zhǎng)，二者的差值在h＝R／2附近達(dá)到最大。

（3）采礦機(jī)切割過(guò)程中，功耗隨著切割軌跡增加呈線性增加，2種方式在軌跡最大差值時(shí)，單位切割次數(shù)功耗相差最大，達(dá)到6.83 kN·m。

（4）根據(jù)T1255采礦機(jī)作業(yè)過(guò)程中轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律，按照切割深度h與轉(zhuǎn)速ω的函數(shù)關(guān)系，對(duì)切割軌跡中的轉(zhuǎn)速ω進(jìn)行修正，得到了修正后的切割軌跡曲線，順時(shí)針切割軌跡隨采深增加先增大后減小，在h＝0.5 m時(shí)達(dá)到最大，逆時(shí)針切割軌跡隨著采深變化持續(xù)增加，在最大采深處達(dá)到最大。

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Comparative Research on Com posite Cutting Trajectory of Surface M iners

Sun Kuan Li Xin Han Liu Zhou Wei Deng Youran
（Anjialing Surface Mine，China Coal Pingshuo Group Co.，Ltd.）

In order to study the actual cutting trajectory of surfaceminer，the basic operating type of surfaceminerwas summarized，and the influence factors of the cutting trajectory were analyzed.By integrating the component of velocity on x and y direction，the trajectory calculationmodelwas obtained in both clockwise and counterclockwise cuttingmode，and the functional relationship between the cutting trajectory length L and horizontal velocity v，mining depth h，roll radius R and rotational speedωwas established.By studying the surferminer of T1255，the relationship between length and difference of the two kinds of cutting trajectory and h，R andω.The results show that the cutting trajectory of clockwise type is longer than counterclockwise，and the largest difference of power consumption is 6.83 kN·m.The two kinds of cutting trajectory increase with h increasing when rotational speed is fixed.While rotational speed is variable，cutting trajectory of clockwise increases firstly with themining depth increasing，and reachesmaximum when h＝0.5 m，then decreases with themining depth increase.The counterclockwise cutting trajectory changes along with the mining depth increasing，and reaches the maximum at the largestmining depth.

Surfaceminer，Cutting trajectory，Cutting ways，Selected mining depth

2013-08-05）

*國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）項(xiàng)目（編號(hào)：2012AA062004），國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（編號(hào)：51034005），高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金項(xiàng)目（編號(hào)：20100095110019）。

孫 寬（1968—），男，副礦長(zhǎng)，高級(jí)工程師，036800山西省朔州市。