论文部分内容阅读
[摘 要]介绍了露天矿山穿孔、采装、运输、排岩设备配置的计算方法，例举了工程实例的计算过程，对类似工程具有借鉴意义。
[关键词]露天矿山设备 配置计算 穿孔设备 挖掘机 自卸汽车 推土机 经验公式
中图分类号：T025 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）10-0016-02
1.前言
设备是露天矿山采剥生产的基础，矿山生产效率的提高、效益的增长绝大部分以设备的配备与使用为基础，同时大型矿山设备的投资也是矿山企业投资的主要组成部分。设备配备不足或者配备不合理，就不能按照计划完成矿岩采剥任务，满足不了后续工作的正常进行，相反如果设备配备过多，又会造成资本浪费，因此如何合理选择配备设备，一直是矿山生产企业管理的一项重要内容。
2.设备配置计算
2.1 穿孔设备
穿孔工作是金属矿露天开采的第一道工序，穿孔的效率会直接影响后续的爆破、采装等工作，穿孔效率的提高，很大程度上依赖于设备的性能，所以穿孔设备的选择要根据矿岩的物理机械特性、采剥总量、开采工艺、要求的爆破参数、装载设备等工况进行。
2.1.1 牙轮钻机
牙轮钻机是近代比较先进的钻孔设备，是利用旋转冲击破碎岩石形成钻孔的，具有钻孔效率高、作业成本低、安全可靠，适应各种硬度矿岩（f=4～20）钻孔作业等优点，得以在露天矿山广泛应用。
（1）牙轮钻机的台班生产能力
牙轮钻机的台班生产能力是钻机每台班钻进的米数，按照下式计算：式中A--牙轮钻机台班生产能力，m/（台.班）；--牙轮钻的钻进速度，cm/min；--班工作小时数，h；--工作时间利用系数，一般按照0.4～0.5选取。牙轮钻机的机械钻进速度是牙轮钻机的重要技术指标，它与钻机的性能、钻头的形式、钻孔的直径、穿凿矿岩的硬度等因素有关，可按照下述经验公式进行计算：式中P--轴压，N；n--钻具的转速，r/min；D--钻头的直径，cm；f--矿岩的硬度系数。
（2）牙轮钻机配置数量计算
牙轮钻机配置数量取决于矿山的设计年采剥总量、所选定钻机的设计年穿孔效率及每米炮孔的爆破量，可按下式计算：
式中N--所需钻机的数量，台；Q--矿山设计年采剥总量，m3/a；L每台牙轮钻机的年穿孔效率，m/a； q--每米炮孔的爆破量，m3/m；e--费孔率，%。
2.1.2 潜孔钻机
潜孔钻机是利用嵌入孔底的冲击器与钻头对岩石冲击破碎形成钻孔的机械，潜孔钻具有结构简单，重量轻，价格低，机动灵活，使用行走方便，钻孔倾角可调等优点。对于矿岩中硬的中小型矿山及有特殊要求，如打边坡预裂孔、锚索孔、放水孔等选用潜孔钻机更为合适。潜孔钻机已经不是露天矿山的主要穿孔生产设备，只用于辅助穿孔作业，生产能力主要取决于岩石性质、工作风压及钻机性能，配备计算方法与牙轮钻机相似。
2.2 挖掘机
挖掘机是露天采矿的重要设备，挖掘机生产能力是露天矿的重要技术经济指标，是确定采掘设备、运输设备及其它设备数量的基础，其在很大程度上影响着矿山生产能力和矿山的经济效益。单斗挖掘机是露天矿山的最常见的铲装设备，主要根据矿山规模、矿岩采剥总量、开采工艺、矿岩物理力学性质、设备供应情况进行选型。特大型露天矿山一般应选用斗容不小于8～10？的挖掘机；大型露天矿山一般选择4～10？的挖掘机；中型露天矿山一般选择斗容为2～4？的挖掘机。采用汽车运输是，挖掘机铲斗容积与汽车载重量要匹配，一般一车要装4～6斗。露天矿生产配备挖掘机数量一般不考虑备用数量，但不应少于两台。
（1）挖掘机台班生产能力计算
（2）设备配备数量计算
2.3 运输车辆
因为矿用公路修筑快速便捷、矿用自卸汽车爬坡能力大、转弯半径小、机动性强、适应装载地点排棄点经常变换等特点，所以公路汽车运输是目前运用最广的露天矿运输方式。影响露天矿自卸汽车选型的主要因素有矿岩年产量、运距接挖掘机规格。对于年产量大、运距短的矿山，应该选择载重量大的汽车。一个矿选择的车型不宜过多，尽可能选择同一型号的汽车。
（1）汽车运输能力计算
影响自卸车台班运输能力的主要因素是自卸车的载重量、运输周期和台班工作时间，自卸汽车的台班运输能力的计算公式：。；式中Qtb--自卸汽车的台班生产能力，t/台班；q--自卸汽车的载重量，t；Tb--汽车的班工作时间，h；t--汽车作业循环时间，min；k1--汽车载重利用系数，0.9～1.05；--汽车班工作时间利用系数，三班制取0.75、二班制取0.8、一班制取0.9。式中t包括装车时间t1，卸车时间t2，汽车在道路上的往返时间t3，等待、入换停歇时间t4。
（2）汽车需用量计算
①按照班产量计算汽车的需要量：；式中Mb--工作汽车台数；k--运输不均衡系数，1.1～1.15；Ab--露天矿班产量，t/班；k2--汽车出车率，0.65～0.75。②按照挖掘机生产能力计算汽车需用量：；式中Nw--一台挖掘机配车台数；Wb--挖掘机平均台班产量，t。其它符号意义相同。③道路通过能力计算：道路通过能力是指在单位时间内通过某一区段的车辆数，其值大小主要取决于行车道数量、路面状况、平均行车速度和安全行车间距，一般应选择车流集中地点进行计算（出入沟、交叉点等）。计算公式：；式中Nd--道路通过能力，量/h；v--汽车在计算区段平均行车速度，km/h；n--线路数目系数，单车道时0.5，双车道时1；k--道路行车不均衡系数，一般0.5～0.7；s--同方向行驶汽车不追尾最小安全距离，即停车视距，m。（安全及道路验算）
2.4 推土机
汽车—推土机排岩工艺是采用汽车运输的露天矿常用的排岩工艺，具有工序简单、堆置高度达、充分利用排土场容积、基建和经营费用少等优点，因此的到了广泛的应用。推土机在排土场的工作主要包括两部分：一是推排汽车翻卸后残留在平台上的岩土，二是整平下陷的排土场。推排岩土工作量一般占总排岩量的30%～50%，比例与汽车结构、季节气候、汽车司机作业水平有关。 （1）推土机设备选型
推土机的生产能力与推土距离、土岩性质及推土机型号有关，推土机的选型应考虑汽车载重、作业量等参数，可参考下述经验推荐表。
（2）推土机设备数量计算
推土机设备计算公式：；式中Vt--需要推土机推送岩土体积（实方），m3/台班；ks--松散系数，1.3～1.5；kj--设备检修系数，1.2～1.25；Qt--推土机班生产能力，m3/班。
3.工程实例
非洲某金属露天矿山，设计2013年采剥量700万m3，2014年以后年采剥量1100万m3，设计段高15m，岩土容重2.65t/m3，普氏岩石硬度系数f=8～12，设计爆破量为采剥总量的60%，采用公路汽车运输，推土机排岩，当地气候条件分旱季与雨季两个季节。机械配置时由于采购渠道和时间要求，前期只有4.3m3挖掘机可供选择，经过调研该矿山进行了如下设备配置。
3.1 穿孔设备的配置
根据设计采剥量及岩石硬度等因素，选择穿孔设备为阿特拉斯DML内燃牙轮钻，钻孔孔径为250mm，根据经验数据及机械说明书提供的数据，该钻机在岩石硬度f=12时，小时钻进速度为35m/h。
钻机台班产量：=35×8×0.5=140m；年钻孔量=3×140×300×0.8=100800m，式中d为年工作时间取300天，一天工作三个台班，出车率按照0.8考虑。
钻机需要数量计算：考虑钻机订货周期、运输周期较长，配备时按照年采剥量1100万m3配置，爆破参数按照8m×7m布孔，孔深15m，超转2m，则每米爆破方量q=49.4m3。年爆破量为660万m3，费孔率按照5%考虑，则需要钻机数量：
==1.4台，取整配置2台。
考虑矿山边坡预裂、缓冲爆破和二次破碎等其它技术措施，还配置了2台阿特拉斯D55潜孔钻，最大孔径152mm。
3.2 挖掘机配备计算
根据招标工程量和工期要求，开工前无法购到大型挖掘机。经与供货商接洽，前期年产700万3时，可购置到的设备是CAT4.3m3液压挖掘机。台班采装能力计算按式计算，需要台数按照式计算，并考虑挖掘机的出勤率，则得出附表3挖掘机计算表：
2014年产量增加到1100万3，这时经过洽谈、定制设备供应商可生产并在2014年3月出厂103液压铲，则对又有如下计算表。
通过上述计算该矿山在2014年前，配置6台CAT4.3挖掘机进行采装，2台CAT1.2挖掘机进行辅助作业，2014年后到场2台CAT10挖掘机。经实践能够很好的完成采装任务。
3.3 运输车辆计算
考虑当地雨季较长及矿山的地质情况，考虑设备使用周期并兼顾后续工程量，拟选择沃尔沃A40F铰接卡车（有效载重40t）和北方重工TR100（有效载重90t）矿山自卸车。
设备能力按式计算：
（1）循环时间t的计算
①装车时间t1
工作面入换时间根据经验所得，一般情况下入换距离为10～15m，大型车辆进入工作面时间稍长。
②卸车时间t2：卸车时间包括汽车驶入卸载点所消耗的时间、车厢举升时间、车厢降落时间和汽车驶出卸载点时间。本案例沃尔沃A40F取1.0min，TR100取1.5min。
③汽车往返时间t3：按照平均运距和平均速度计算，--平均运距，km；v--平均速度，km/h。根据设计平均运距为2.5km，考虑安全运输要求，平均速度限制取20km/h，则t3=15min。
④汽车等待、停歇及入换时间t4：与生产组织、采场情况及司机操作水平、车辆型号等因素有关，一般取2～6min，本案沃尔沃A40F取2min，TR100取3min。
（2）卡车运输能力计算
（3）自卸汽车需用量计算
先期按照年产700万3配置设备，根据考察需要沃尔沃A40F运输的矿岩占总体的30%，则可以计算出沃尔沃自卸车班产量为5621t，TR100自卸车班产量为13116t。则按照式来配备车辆，需要A40F台数M1=10台，需要TR100台数M2=14台。产量提升到1100万m3时，增加的矿岩考虑全部用TR100进行运输，则需要增配车辆数M3=10台。最终该矿通过分期配置车辆，最终具有A40F铰接式卡车10台，TR100自卸车24台，能够较好完成生产任务，但是由于受前期挖掘机的采购（4.3m3挖掘机较小）影响，TR100自卸车的效率发挥受到限制。
3.3 推土机配备计算
推土机按照年产1100万m3一次配备，选用国产SD320推土机。计算公式：
推土机出勤率按照75%考虑。该矿山考虑修筑道路、采场平整、爆破台阶平整等其它工作，该矿山配備5台推土机，经过实践证明这样配置合理。
4.结束语
大型露天矿山的穿孔、采装、运输、排岩等工序，都是依靠大型设备来完成，在矿山项目开工前期，采剥工程的管理者一定要认真考察、仔细计算，才能达到优化设备配置的目的，从而减少重复投资造成的损失。只有设备配备合理才能最大的发挥每台设备的技术性能，最大限度地发挥其效率，达到效益最大化的目的。
[关键词]露天矿山设备 配置计算 穿孔设备 挖掘机 自卸汽车 推土机 经验公式
中图分类号：T025 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）10-0016-02
1.前言
设备是露天矿山采剥生产的基础，矿山生产效率的提高、效益的增长绝大部分以设备的配备与使用为基础，同时大型矿山设备的投资也是矿山企业投资的主要组成部分。设备配备不足或者配备不合理，就不能按照计划完成矿岩采剥任务，满足不了后续工作的正常进行，相反如果设备配备过多，又会造成资本浪费，因此如何合理选择配备设备，一直是矿山生产企业管理的一项重要内容。
2.设备配置计算
2.1 穿孔设备
穿孔工作是金属矿露天开采的第一道工序，穿孔的效率会直接影响后续的爆破、采装等工作，穿孔效率的提高，很大程度上依赖于设备的性能，所以穿孔设备的选择要根据矿岩的物理机械特性、采剥总量、开采工艺、要求的爆破参数、装载设备等工况进行。
2.1.1 牙轮钻机
牙轮钻机是近代比较先进的钻孔设备，是利用旋转冲击破碎岩石形成钻孔的，具有钻孔效率高、作业成本低、安全可靠，适应各种硬度矿岩（f=4～20）钻孔作业等优点，得以在露天矿山广泛应用。
（1）牙轮钻机的台班生产能力
牙轮钻机的台班生产能力是钻机每台班钻进的米数，按照下式计算：式中A--牙轮钻机台班生产能力，m/（台.班）；--牙轮钻的钻进速度，cm/min；--班工作小时数，h；--工作时间利用系数，一般按照0.4～0.5选取。牙轮钻机的机械钻进速度是牙轮钻机的重要技术指标，它与钻机的性能、钻头的形式、钻孔的直径、穿凿矿岩的硬度等因素有关，可按照下述经验公式进行计算：式中P--轴压，N；n--钻具的转速，r/min；D--钻头的直径，cm；f--矿岩的硬度系数。
（2）牙轮钻机配置数量计算
牙轮钻机配置数量取决于矿山的设计年采剥总量、所选定钻机的设计年穿孔效率及每米炮孔的爆破量，可按下式计算：
式中N--所需钻机的数量，台；Q--矿山设计年采剥总量，m3/a；L每台牙轮钻机的年穿孔效率，m/a； q--每米炮孔的爆破量，m3/m；e--费孔率，%。
2.1.2 潜孔钻机
潜孔钻机是利用嵌入孔底的冲击器与钻头对岩石冲击破碎形成钻孔的机械，潜孔钻具有结构简单，重量轻，价格低，机动灵活，使用行走方便，钻孔倾角可调等优点。对于矿岩中硬的中小型矿山及有特殊要求，如打边坡预裂孔、锚索孔、放水孔等选用潜孔钻机更为合适。潜孔钻机已经不是露天矿山的主要穿孔生产设备，只用于辅助穿孔作业，生产能力主要取决于岩石性质、工作风压及钻机性能，配备计算方法与牙轮钻机相似。
2.2 挖掘机
挖掘机是露天采矿的重要设备，挖掘机生产能力是露天矿的重要技术经济指标，是确定采掘设备、运输设备及其它设备数量的基础，其在很大程度上影响着矿山生产能力和矿山的经济效益。单斗挖掘机是露天矿山的最常见的铲装设备，主要根据矿山规模、矿岩采剥总量、开采工艺、矿岩物理力学性质、设备供应情况进行选型。特大型露天矿山一般应选用斗容不小于8～10？的挖掘机；大型露天矿山一般选择4～10？的挖掘机；中型露天矿山一般选择斗容为2～4？的挖掘机。采用汽车运输是，挖掘机铲斗容积与汽车载重量要匹配，一般一车要装4～6斗。露天矿生产配备挖掘机数量一般不考虑备用数量，但不应少于两台。
（1）挖掘机台班生产能力计算
（2）设备配备数量计算
2.3 运输车辆
因为矿用公路修筑快速便捷、矿用自卸汽车爬坡能力大、转弯半径小、机动性强、适应装载地点排棄点经常变换等特点，所以公路汽车运输是目前运用最广的露天矿运输方式。影响露天矿自卸汽车选型的主要因素有矿岩年产量、运距接挖掘机规格。对于年产量大、运距短的矿山，应该选择载重量大的汽车。一个矿选择的车型不宜过多，尽可能选择同一型号的汽车。
（1）汽车运输能力计算
影响自卸车台班运输能力的主要因素是自卸车的载重量、运输周期和台班工作时间，自卸汽车的台班运输能力的计算公式：。；式中Qtb--自卸汽车的台班生产能力，t/台班；q--自卸汽车的载重量，t；Tb--汽车的班工作时间，h；t--汽车作业循环时间，min；k1--汽车载重利用系数，0.9～1.05；--汽车班工作时间利用系数，三班制取0.75、二班制取0.8、一班制取0.9。式中t包括装车时间t1，卸车时间t2，汽车在道路上的往返时间t3，等待、入换停歇时间t4。
（2）汽车需用量计算
①按照班产量计算汽车的需要量：；式中Mb--工作汽车台数；k--运输不均衡系数，1.1～1.15；Ab--露天矿班产量，t/班；k2--汽车出车率，0.65～0.75。②按照挖掘机生产能力计算汽车需用量：；式中Nw--一台挖掘机配车台数；Wb--挖掘机平均台班产量，t。其它符号意义相同。③道路通过能力计算：道路通过能力是指在单位时间内通过某一区段的车辆数，其值大小主要取决于行车道数量、路面状况、平均行车速度和安全行车间距，一般应选择车流集中地点进行计算（出入沟、交叉点等）。计算公式：；式中Nd--道路通过能力，量/h；v--汽车在计算区段平均行车速度，km/h；n--线路数目系数，单车道时0.5，双车道时1；k--道路行车不均衡系数，一般0.5～0.7；s--同方向行驶汽车不追尾最小安全距离，即停车视距，m。（安全及道路验算）
2.4 推土机
汽车—推土机排岩工艺是采用汽车运输的露天矿常用的排岩工艺，具有工序简单、堆置高度达、充分利用排土场容积、基建和经营费用少等优点，因此的到了广泛的应用。推土机在排土场的工作主要包括两部分：一是推排汽车翻卸后残留在平台上的岩土，二是整平下陷的排土场。推排岩土工作量一般占总排岩量的30%～50%，比例与汽车结构、季节气候、汽车司机作业水平有关。 （1）推土机设备选型
推土机的生产能力与推土距离、土岩性质及推土机型号有关，推土机的选型应考虑汽车载重、作业量等参数，可参考下述经验推荐表。
（2）推土机设备数量计算
推土机设备计算公式：；式中Vt--需要推土机推送岩土体积（实方），m3/台班；ks--松散系数，1.3～1.5；kj--设备检修系数，1.2～1.25；Qt--推土机班生产能力，m3/班。
3.工程实例
非洲某金属露天矿山，设计2013年采剥量700万m3，2014年以后年采剥量1100万m3，设计段高15m，岩土容重2.65t/m3，普氏岩石硬度系数f=8～12，设计爆破量为采剥总量的60%，采用公路汽车运输，推土机排岩，当地气候条件分旱季与雨季两个季节。机械配置时由于采购渠道和时间要求，前期只有4.3m3挖掘机可供选择，经过调研该矿山进行了如下设备配置。
3.1 穿孔设备的配置
根据设计采剥量及岩石硬度等因素，选择穿孔设备为阿特拉斯DML内燃牙轮钻，钻孔孔径为250mm，根据经验数据及机械说明书提供的数据，该钻机在岩石硬度f=12时，小时钻进速度为35m/h。
钻机台班产量：=35×8×0.5=140m；年钻孔量=3×140×300×0.8=100800m，式中d为年工作时间取300天，一天工作三个台班，出车率按照0.8考虑。
钻机需要数量计算：考虑钻机订货周期、运输周期较长，配备时按照年采剥量1100万m3配置，爆破参数按照8m×7m布孔，孔深15m，超转2m，则每米爆破方量q=49.4m3。年爆破量为660万m3，费孔率按照5%考虑，则需要钻机数量：
==1.4台，取整配置2台。
考虑矿山边坡预裂、缓冲爆破和二次破碎等其它技术措施，还配置了2台阿特拉斯D55潜孔钻，最大孔径152mm。
3.2 挖掘机配备计算
根据招标工程量和工期要求，开工前无法购到大型挖掘机。经与供货商接洽，前期年产700万3时，可购置到的设备是CAT4.3m3液压挖掘机。台班采装能力计算按式计算，需要台数按照式计算，并考虑挖掘机的出勤率，则得出附表3挖掘机计算表：
2014年产量增加到1100万3，这时经过洽谈、定制设备供应商可生产并在2014年3月出厂103液压铲，则对又有如下计算表。
通过上述计算该矿山在2014年前，配置6台CAT4.3挖掘机进行采装，2台CAT1.2挖掘机进行辅助作业，2014年后到场2台CAT10挖掘机。经实践能够很好的完成采装任务。
3.3 运输车辆计算
考虑当地雨季较长及矿山的地质情况，考虑设备使用周期并兼顾后续工程量，拟选择沃尔沃A40F铰接卡车（有效载重40t）和北方重工TR100（有效载重90t）矿山自卸车。
设备能力按式计算：
（1）循环时间t的计算
①装车时间t1
工作面入换时间根据经验所得，一般情况下入换距离为10～15m，大型车辆进入工作面时间稍长。
②卸车时间t2：卸车时间包括汽车驶入卸载点所消耗的时间、车厢举升时间、车厢降落时间和汽车驶出卸载点时间。本案例沃尔沃A40F取1.0min，TR100取1.5min。
③汽车往返时间t3：按照平均运距和平均速度计算，--平均运距，km；v--平均速度，km/h。根据设计平均运距为2.5km，考虑安全运输要求，平均速度限制取20km/h，则t3=15min。
④汽车等待、停歇及入换时间t4：与生产组织、采场情况及司机操作水平、车辆型号等因素有关，一般取2～6min，本案沃尔沃A40F取2min，TR100取3min。
（2）卡车运输能力计算
（3）自卸汽车需用量计算
先期按照年产700万3配置设备，根据考察需要沃尔沃A40F运输的矿岩占总体的30%，则可以计算出沃尔沃自卸车班产量为5621t，TR100自卸车班产量为13116t。则按照式来配备车辆，需要A40F台数M1=10台，需要TR100台数M2=14台。产量提升到1100万m3时，增加的矿岩考虑全部用TR100进行运输，则需要增配车辆数M3=10台。最终该矿通过分期配置车辆，最终具有A40F铰接式卡车10台，TR100自卸车24台，能够较好完成生产任务，但是由于受前期挖掘机的采购（4.3m3挖掘机较小）影响，TR100自卸车的效率发挥受到限制。
3.3 推土机配备计算
推土机按照年产1100万m3一次配备，选用国产SD320推土机。计算公式：
推土机出勤率按照75%考虑。该矿山考虑修筑道路、采场平整、爆破台阶平整等其它工作，该矿山配備5台推土机，经过实践证明这样配置合理。
4.结束语
大型露天矿山的穿孔、采装、运输、排岩等工序，都是依靠大型设备来完成，在矿山项目开工前期，采剥工程的管理者一定要认真考察、仔细计算，才能达到优化设备配置的目的，从而减少重复投资造成的损失。只有设备配备合理才能最大的发挥每台设备的技术性能，最大限度地发挥其效率，达到效益最大化的目的。