基于巖石截割試驗的懸臂式掘進機設備優化選型

鄭志杰，楊小聰，王 勇，黃 丹，王 想，魏 征

(1.礦冶科技集團有限公司，北京 100160； 2.國家金屬礦綠色開采國際聯合研究中心，北京 102628； 3.西部黃金伊犁有限責任公司，新疆 伊寧 835100； 4.重慶理工大學 機械工程學院，重慶 400054)

隨著安全生產壓力與日俱增，提高井下生產的機械化率、減少人員投入、提高本質安全性已勢在必行。懸臂式掘進機是常見的煤礦采掘設備，目前我國自主研發制造的主流成熟機型的設備性能已達到國外領先水平，懸臂式掘進機及連采機在煤礦、鉀鹽礦的應用技術已成熟[1-2]。懸臂式巷道掘進機是一種集切割、裝運、轉運石渣、降塵等于一體的高效掘進設備，廣泛用于交通、隧道、采礦等領域，與常規鉆爆法相比，具有破巖、出碴、支護一條龍連續化作業，開挖速度快，效率高，施工質量好，超挖量少，可減少支護工程量，降低工程費用，且不破壞周邊巖層的穩定性，施工安全等優點。但懸臂式掘進機也存在著適用能力較差等問題，若選擇不當，不僅導致其成巷速度與生產效率顯著下降，而且影響礦山生產和企業經濟效益的提高。如何將掘進機與金屬礦巖石及巖體特性、采礦方法、采礦工藝相結合，成為制約掘進機在該礦區順利使用及效率發揮的重點[3]。因此，有必要針對礦山的實際情況，選擇確定合理的掘進機型號與類型。

因此，本文在對懸臂式掘進機截齒截割破巖過程分析基礎上，通過單截齒截割破巖試驗，獲取礦山巖樣截齒破巖的最大截割力與比能耗。進一步，將掘進機截割頭截齒截割力轉化為單截齒截割破巖力，并與試驗結果進行對比，以此推薦滿足破巖能力要求的掘進機截割功率。懸臂式掘進機僅滿足破巖能力要求還不夠，一般來說掘進機截割能力越高，其設備截割效率越高，但設備價格也越高。因此需對其采礦作業技術經濟指標詳細測算對比，從而實現對懸臂式掘進機進行優選，最終推薦適用于礦山的懸臂式掘進機設備型號。

1 礦山概況

新疆某金礦礦區內礦帶長約1 280 m，控制最大斜深425 m，總體為上寬下窄。礦帶北部走向近南北，向南漸變為140°方向，傾向北東，傾角60°～80°。整體上礦體受F2斷裂控制，F2斷裂沿火山管道壁內側邊緣分布，全長大于1 300 m，總體呈向西南凸出的弧形展布。F2斷裂巖組分布于礦體下盤，部分地段嚴重影響礦體開采。

根據以往巖石力學資料可知，礦體及其頂底板圍巖大部分屬中等穩固類型，局部不穩固—極不穩固。上盤圍巖和上盤礦體，遠離破碎帶，屬中等穩固。礦體下盤礦巖，遠離破碎帶地段中等穩固，離破碎帶較近地段，礦巖不穩固，破碎帶穿插的地段，礦巖極不穩固?？傮w看來，遠離F2斷層的礦體和上盤圍巖的穩定性好，礦體底板和底板斷裂帶穩定性差，同時，南礦段勘探報告給出的圍巖抗壓強度比北礦段的低。從區域構造背景來看，礦床所在地區的新構造運動強烈，地震較頻繁，礦區的區域穩定性屬于不穩定區。

礦山目前主要采用上向分層進路式充填采礦法回采，中段高度50～55 m。深部礦體因巖體質量較差，局部遇水泥化，巖性及品位變化較大等原因導致現有采礦方法出現生產效率低、成本高、安全性較差等問題。通過調研、論證及分析，礦山計劃變革傳統鑿巖爆破采礦模式，采用懸臂式掘進機機械采礦技術，以解決礦山生產目前面臨的眾多問題。

2 截齒截割破巖過程分析

懸臂式掘進機常用的截齒包括鎬形截齒和刀型截齒，如圖1所示。早期，刀型截齒是采掘機械最常用的破巖刀具，其在理論和試驗等方面得到了較深入的研究。鎬形截齒在使用過程中，若角度設計合理會繞其軸線自轉，使錐面均勻磨損，被稱為鎬型截齒的自銳性，使其有更長的使用壽命，因此得到了更廣泛的應用，現已成為采掘機械主流的破巖刀具。

圖1 常用的破巖刀具Fig.1 Commonly used rock cutting tools

掘進機破巖落礦過程中，截齒提供截割力、法向力、側向力三力作用。截齒破巖時，其齒尖擠壓巖體誘發壓應力、剪切應力和拉伸應力等形成復雜的應力場。當應力達到巖石強度極限時巖石產生裂紋，進而形成巖屑。截齒作用下破巖過程可以分為彈性變形、裂紋產生、密實核形成以及大巖屑崩落等四個階段，如圖2所示。截齒破巖過程的四個階段在瞬間完成，在發生大塊巖體剝落以前，它們也將造成局部小塊巖體剝落。因此，在截割過程中，截割力是波動變化的。巖石的連續破碎過程是上述四個階段的反復循環。

圖2 截割破巖過程Fig.2 Rock cutting process

3 截齒截割試驗研究

3.1 巖石截割試驗平臺

國內外已有多家單位擁有巖石直線截割試驗裝置，截割參數(主要是截割厚度)保持不變，非常適合研究截割參數對力學參數和比能耗的影響，并且設備相對簡單，建設的費用較低，但其缺點是要求較大并且完整性好的巖石試樣[4-8]。

本次采用礦冶集團自主研發的多功能巖石截割試驗平臺(見圖3)，研究從截齒接觸巖石到大塊巖石崩落這一個過程。截割試驗的優勢是可將設備、刀具、截割參數及試驗流程等標準化，使試驗更具有可重復性，并且試驗用巖樣的尺寸要求相對較小。

圖3 多功能巖石截割試驗平臺Fig.3 Multifunctional rock cutting test platform

3.2 最大截割力與比能耗測試

根據礦山實際生產、工程地質條件并綜合考慮本次研究目的及研究需要，確定此次可截割試驗所取巖樣采取現場大塊方式取樣，室內加工為標準試驗巖樣?，F場取得巖塊試樣，使用水冷巖石切割機對不規則巖樣進行整理切制，共計加工100 mm×100 mm×100 mm的立方體3塊。使用同一支截齒，在巖樣的不同位置和方向上進行試驗，3塊巖樣共計截割10次。采用截割標準試驗參數進行測試，根據試驗記錄的力-位移曲線可得到最大截割力，并進一步計算出外力功[9]。對于截割破落的巖屑進行收集并標記，推薦使用稱重法測量巖屑的體積。如圖4所示。

圖4 巖石截割過程與巖屑稱重Fig.4 Rock cutting process and cuttings weighing

鎬型截齒破巖比能耗是指破落單位體積的巖石所消耗的能量，它是巖石截割機理研究中最為重要的參數之一[10]?；跍y試得到的外力功和巖屑體積，即可以計算出截割比能耗SE。

(1)

式中：W為掘進機所做的功，kW·h；Q為巖屑體積，m3；FC為截割試驗截齒截割力，N；h為截割試驗截齒截割位移，m。

由截齒截割試驗結果可知，為滿足有效破巖要求，單截齒截割破巖所需的截割力應達到3.133 kN，截割比能耗為0.422 kW·h/m3，試驗結果如表1所示。

表1 巖石截割試驗結果Table 1 Rock cutting test results

4 截割力分析與破巖功率選擇

4.1 掘進機截割力分析模型

掘進機功率參數主要分為切割功率和裝機功率。掘進機切割功率是指截割機構電動機的功率，是確定掘進機生產能力的重要參數。掘進機在實際破巖工況中并非所有區域都處于截割區，有時僅有部分截割頭深入到巖石內參與截割。在功率不變的情況下，同時參與截割的截齒數較少，單個截齒的截割力增大，可截割更硬的巖石。截齒所提供截割力與機械本身截割功率有關。通過計算掘進機截割巖石時提供的最大截割扭矩，可轉換得出截齒截割力Fcm，計算方式如下：

(2)

將各掘進機可提供給單個截齒的平均力，轉化成截齒截割試驗的最大截割力Fcq的修正公式為：

Fcq=KcKjKsKpFcm

(3)

式中：Kc為截齒錐角的影響系數，錐角為80°時取1；Kj表示截割角的影響系數，為0.28；Ks表示截線距的影響系數，為0.8；Kp表示最大截割力與平均截割力的轉化系數，取3.447。

4.2 掘進機截割功率選擇

由此可得出懸臂式掘進機所提供的破巖平均截割力，當所選掘進機提供的平均截割力大于破巖所需的最大截割力時，方可滿足破巖能力要求，此為掘進機破巖基礎要求。

金屬礦山中，懸臂式掘進機是否適用的重要評判標準是機械是否具有破巖落礦能力。當掘進機提供的截齒截割力大于截割巖石所需的截割力時，表明機械具有破巖落礦能力。破巖所需截割力與巖體性質有關，機械所提供截齒截割力可通過機械自身參數計算得出，兩者對比為掘進機選型提供依據。截割比能耗越大，越不容易截割，掘進機掘進效率越低；反之，越容易截割，掘進效率越高。因此，截割力和比能耗能回答巖石可截割性研究的兩個最基本的問題，即：截割力用于評估巖石能否被破巖機械破落的問題，比能耗用于評估破巖機械破巖效率的問題。

由截齒截割試驗結果可知，為滿足有效破巖要求，單截齒截割破巖所需的截割力應達到3 133 N。160、200、260、318型懸臂式掘進機轉化成截割厚度為9 mm時截齒截割試驗的最大截割力分別為2 590.71、3 238.39、3 586.22、5 149.05 N(見表2)。因此除160型外其余掘進機均可滿足破巖能力要求，滿足截割破巖能力要求的設備為200、260、318型懸臂式掘進機。

表2 懸臂式掘進機截割力測算結果Table 2 Calculation results of cutting force of cantilever roadheader

5 機械落礦系統設備優選

懸臂式掘進機僅滿足破巖能力要求還不夠，一般來說掘進機截割能力越高，其設備截割效率越高，但設備價格也越高。因此需對其采礦作業技術經濟指標進行詳細測算對比，從而實現懸臂式掘進機優選。經濟指標測算過程中，受地域、生產系統、機械破巖系統中不同設備型號、人工成本等多方面因素影響。

5.1 實際工況下截割效率預測

不考慮掘進機配套出礦設備、支護工藝、人員操作等因素對其掘進效率的影響，僅考慮單循環斷面的截割。獲取機械破巖設備在巖體中的比能耗，也可對其純截割能力進行初步預測：

(4)

式中：ICR為掘進機純截割能力，m3/h；P為掘進機截割功率，kW；SEopt為最優比能耗約為截割試驗比能耗的13.5倍，kW·h/m3；kp為能量傳遞效率，推薦該系數為0.45～0.55；k0為實際工效，推薦該系數為0.80～0.85。

將各型號設備功率、截割比能耗代入上式進行預測，預測結果見表3。

表3 掘進機截割效率預測Table 3 Prediction of cutting efficiency of roadheader

5.2 采場生產能力分析

礦山目前采用上向分層進路充填采礦法，采礦作業采用連續作業工作制，年工作330天，每天3班滾班作業。采礦作業中，受礦體賦存條件、采場布置、支護、充填、養護、轉層、設備養護等多方面的限制，其綜合生產能力較單班生產能力與進路生產能力而言較低。單班生產能力L由單班時間內純截割落礦時間決定，可用下式計算：

(5)

式中：η為純截割能力，m3/h；S為斷面面積，m2；t0為單班時間內純截割落礦時間，h。

采場生產能力M可用下式計算：

(6)

式中：n為每天正常生產班數；S為掘進斷面面積，m2；L為每班掘進進尺，m；λ為礦石體重，t/m3；w為分層進路數；h為分段采場分層數；l為采場長度，m。

在設備純截割效率預測結果基礎上，將每天排班數、每班作業時間、斷面面積、分段采場分層數、采場長度、分層采場進路數、轉層充填時間、礦石體重等參數代入上式即可對其采場生產能力進行測算。測算結果見表4。

表4 掘進機采礦能力對比Table 4 Mining capacity comparison of roadheader

5.3 技術經濟指標測算

懸臂式掘進機機械采掘系統構建后，其設備、人員每月均為固定投入，而電費、材料等消耗與每月掘進工程量密切相關。成本測算過程中不考慮措施費、企業管理費、稅費、安全生產費、稅金等費用，考慮落礦、出礦、通風、除塵這四項關鍵工序，生產成本包含設備折舊費、設備大修費、設備經修費、人工費、材料費及燃料動力費。懸臂式掘進機機械采掘作業面主要設備有懸臂式掘進機、通風設備、除塵設備、轉載運輸設備。作業人員包括懸臂式掘進機司機、輔助工、轉載運輸司機、現場管理人員(班組長)等。主要消耗材料有截齒、齒輪油、黃油。過程中主要消耗的燃料動力費包含電費、轉運費、油耗。技術經濟指標測算結果見表5。

表5 機械落礦技術經濟指標測算Table 5 Calculation of technical and economic indicators of mechanical mining /(元·t-1)

5.4 懸臂式掘進機優選

160型懸臂式掘進機化成截割厚度為9 mm時截齒截割試驗的最大截割力為2 590.71 N，小于比單截齒截割破巖所需的截割力3 133 N，因此不滿足有效破巖要求。在滿足破巖能力要求基礎上，對200、260、318型懸臂式掘進機進行優選。

基于截齒截割破巖試驗獲取的比能耗，對設備純截割能力進行預測。200、260、318型懸臂式掘進機測算生產能力分別為200.87、245.14、253.28 t/d。在滿足截割破巖能力要求的基礎上，懸臂式掘進機截割功率越高，其掘進效率越高，但所設備價格也越高。因此需對其技術經濟指標進行對比，從而選擇合適的懸臂式掘進機。200、260、318型懸臂式掘進機機械落礦技術經濟指標測算結果分別為66.36、59.95、64.95元/t。260型懸臂式掘進機噸礦成本比200和318型的噸礦成本都低，因此最終推薦采用260型懸臂式掘進機。

6 結論

以實際礦山為研究對象，在單截齒截割破巖試驗基礎上，進行懸臂式掘進機截割功率選擇、掘進機截割能力預測、技術經濟指標對比，最終實現對金屬礦山機械落礦生產系統中懸臂式掘進機進行優選。得出的主要結論如下：

1)截齒截割試驗結果表明，為滿足有效破巖要求，單截齒截割破巖所需的截割力應達到3 133N。截割破巖比能耗為0.422 kWh/m3。

2)160、200、260、318型懸臂式掘進機轉化成截齒截割試驗的最大截割力分別為2 590.71、3 238.39、3 586.22、5 149.05 N，滿足截割破巖能力要求的設備為200、260、318型懸臂式掘進機。

3)基于截齒截割破巖試驗獲取的比能耗，對設備純截割能力進行預測，代入實際工況條件下的各種關鍵參數可以測算懸臂式掘進機機械落礦方式下的采場生產能力。200、260、318型懸臂式掘進機測算生產能力分別為200.87、245.14、253.28 t/d。

4)在滿足截割破巖能力要求的基礎上，懸臂式掘進機截割功率越高，其掘進效率越高，但設備價格也越高；因此需對其技術經濟指標進行對比，從而選擇合適的懸臂式掘進機。懸臂式掘進機機械落礦技術經濟指標測算結果顯示，260型懸臂式掘進機噸礦成本比200型和318型的噸礦成本都低，因此最終推薦采用260型懸臂式掘進機。

5)本方法創新了地下非煤礦山掘進機設備選型方法，彌補傳統僅靠巖石單體強度經驗推薦掘進機的缺陷，實現地下非煤礦山懸臂式掘進機科學選型推薦，適用于我國非煤金屬礦山的懸臂式掘進機設備優化選型。