拉斗铲倒堆工艺是国外露天矿的主流开采工艺之一,该工艺系统得到广泛应用的主要原因在于拉斗铲集采运排作业于一体、系统运行可靠性高,拉斗铲靠电力驱动不消耗燃油、生产成本低、设备生产能力大,生产效率高。2007年神华集团准格尔能源公司黑岱沟露天煤矿首次引进了斗容90m3的特大型拉斗铲,经过多年的实际应用,取得了显著的效益,推动了我国露天煤矿开采新工艺设计理论和生产实践的发展。由于这是国内拉斗铲无运输倒堆新工艺的首次应用,其设计理论、作业优化方法的研究不多,生产管理和安全管控、作业规程也几乎是空白。为此,本论文基于黑岱沟露天煤矿作业环境,对拉斗铲设备的作业特性、作业方式、拉斗铲倒堆工艺设计理论、工作面参数优化、安全作业规程与多工艺协同作业优化等方面进行了系统深入的研究,形成如下的研究成果,并且在黑岱沟露天煤矿得到成功的应用;同时对我国拉斗铲工艺设计理论、开采技术和生产实践有所发展和创新。论文的主要研究工作及结论如下:(1)系统收集并研究了黑岱沟露天煤矿目前拉斗铲拉斗铲倒堆工艺系统的生产经济数据及基本作业流程,首先统一规范了拉斗铲拉斗铲倒堆工艺系统中各作业要素的组成、作业单元的专业术语;进而展开论文的理论研究、实验模拟研究和现场工程研究工作。(2)针对露天矿原煤生产能力由25Mt/a提高至32Mt/a的变化,分析了露天矿剥采关系以及对倒堆工艺参数、煤层开采工作面与剥离工作面接续关系,进而对原煤产量、拉斗铲系统作业量、作业费用、拉斗铲作业平盘参数等指标进行了详细的分析计算,初步得到以下结论:随着拉斗铲作业平盘高度的升高,整体剥离费用不断降低;受限于拉斗铲生产能力,保持与上下剥离和采煤工艺系统的同步推进,必须降低拉斗铲的作业平盘高度;当年产量由25Mt/a提高至32Mt/a时,拉斗铲系统单位剥离费用由14.59元/m3增加至15.19元/m3,单位物料剥离成本提高4.11%,适宜的平盘高度为11m。(3)研究中引入传感器技术实现了现场拉斗铲作业关键工况参数的自动化采集,通过对大量实际作业数据序列的分析掌握了拉斗铲作业耗时分布规律。结合现场作业情况,研究分析得出了各作业环节的效率制约因素,并提出相应的措施以提高设备作业效率。主要包括:挖掘方式与岩土台阶几何形状是影响挖掘效率的主要因素,研究提出组合式挖掘方法、改变岩土局部几何形状两大措施,提高设备挖掘环节作业效率;设备转动平均耗时是影响一次作业循环效率的主要因素,提高操作人员对设备加速减速转折点判断的准确性可有效提高设备效率,因此满载旋转、空载返回环节中,应保持设备加速、减速的转动角度比值分别为3/2、4/5;铲斗提升耗时是制约挖掘煤沟作业效率的关键因素,研究根据“提升—旋转”制约关系制定了拉斗铲挖掘-排弃位置参考表,可有效提高设备作业效率;研究还制定了设备操作技术水平的考核办法,为司机作业水平的评定提供依据。(4)拉斗铲作为拉斗铲倒堆工艺的关键设备,因其线性尺寸大、移动缓慢,不宜在采场频繁走行、作业半径随运行状态动态变化,掌握不同作业条件的设备作业基本参数对工艺的设计优化至关重要。主要研究结论:不同作业条件下,拉斗铲的作业半径不尽相同:平均刷帮作业半径约为94m,初始平挖状态下最小挖掘半径为28.4m、挖掘台阶时最大合理挖掘半径约为80m,挖掘煤沟时最大合理挖掘半径约为70m;这是矿山技术决策、生产计划和管理的关键性数据依据。(5)现场生产中,拉斗铲作业平盘高度、挖掘作业时移设距离、移设步数等参数是动态变化的,因此研究根据8750-65型拉斗铲的设备参数与现场具体作业条件,对不同作业条件下拉斗铲初始状态、反向移设、单向推进、往返推进等各类作业方式进行了推演,得出了上述参数之间的关系;并根据拉斗铲移设的方式将其推进方式划分为“单向推进式”和“往返推进式”,结合8750-65型拉斗铲的设备参数与台阶高度、推进度关系,推荐黑岱沟露天矿采用“往返推进式”作业。(6)研究针对不同工艺布置方式下最大排土空间、新增物料量、二次倒堆量等参数进行了定量计算与对比分析,确定了抛掷爆破-无运输倒堆联合开采工艺中拉斗铲作业中心线的位置第一条作业中心线距离实体高台阶坡底线97m~98m,第二条作业中心线距离拉斗铲站立台阶坡顶线15.6m;综合考虑移设时间、设备作业特性、岩土台阶性质等,为拉斗铲挖掘不同区域的作业设计了4个作业机位,同时提出了相应的“绕圈式”周期移设路线;综合考虑煤层赋存条件的变化,研究对拉斗铲升降段作业、出入沟作业等进行了分析,设计了合理的作业方案。(7)以物料流量流向优化理论与工艺系统模拟为基础,研究提出重心圆投影模型优化方法,并对拉斗铲倒堆工艺的流量流向优化模型进行了理论推导。结果显示:拉斗铲倒堆工艺中,当工作面物料赋存与排土场空间的尺寸、位置关系确定后,物料的总转距为定值,与物料迁移次序、路径无关;根据设备运输环节耗时与转距的关系可将耗时函数划分为凸函数与凹函数两类。研究以总耗时最低为优化目标对物料迁移次序、路径进行了模拟计算,计算结果显示:拉斗铲转距与耗时符合凹函数非线性关系,应采用“差距排弃”作业方式。(8)基于重心圆投影优化模型,开展了拉斗铲倒堆工艺仿真优化研究。根据现场工艺情况建立了作业基本单元体三维模型、确定了重心圆投影模型圆心,通过长期统计与检验得到了拉斗铲作业耗时所服从的概率分布规律,为不同工作面参数条件下作业效率的模拟计算提供依据。模拟计算结果显示,拉斗铲作业平盘高度约为13m时,拉斗铲作业效率最高;在此平盘高度条件下,拉斗铲额外自行拓展平盘反而降低作业效率,因此不建议拉斗铲再自行拓展平盘,模拟结论与现场实验结论一致,验证了模拟模型的可靠性。(9)对优化仿真结果的现场应用进行了研究,结论显示:由于拉斗铲生产能力是系统剥离能力的制约因素,研究提出了拉斗铲变速开采方案,通过改变拉斗铲系统内不同区域物料量的任务指派,动态调节拉斗铲设备作业工作线的推进速度,实现拉斗铲作业效率的提高与剥离成本的降低。