棉花坑礦井采掘設備配置優化方案探討

秦旭忠,宋麗霞,李祖榮,王 偉,張德全,張煜暉

(1.中核礦業科技集團有限公司,北京 101149;2.中核韶關錦原鈾業有限公司,廣東 韶關 512329)

采掘設備是影響井下采礦效率的重要因素之一[1]。隨著人工智能、數據計算和物聯網等技術的發展和普及,采掘智能化技術被廣泛應用于礦山,成為礦業發展的重要方向之一[2]。針對某金屬礦山的人工駕駛有軌運輸系統,采用無線通信、激光雷達和安全監測等技術對電機車進行自動控制改造,實現了井下有軌運輸系統的智能化、無人化和高效化[3]。國內某金礦運用自動化出礦系統實現了從裝礦、運行到卸礦的全流程自動化作業,使礦山生產效率大幅上升[4]。

棉花坑礦井目前主要采用上向水平分層充填法和分段深孔采礦法,其生產過程中的鑿巖、爆破和出礦等工序基本依靠人工來完成,存在生產效率低和安全性差等問題。此外,存在各采掘設備在性能上和數量上的配置失衡,這導致井下設備閑置和礦石留滯現象發生,制約了礦井的生產效率。針對棉花坑礦井存在的問題,進行采掘設備的合理配置分析和智能化建設工作,以期實現礦井的綠色高效生產。

1 采掘設備配置現狀

目前棉花坑礦井配備的采掘設備有液壓鑿巖臺車、內燃鏟運機、運礦卡車等(表1)。

目前采掘設備配置存在的問題主要有:1)采掘設備配置失衡。如在分層采礦工藝中,使用的主要采掘設備有BoomerK41型液壓鑿巖臺車、ST2K型鏟運機、XYUK-12型運礦卡車和ZK3-6型電機車,上述設備的生產能力在配置上存在一定失衡問題。2)采掘設備對現有采礦工藝的適應性較差。如采用分段深孔采礦法開采0 m中段破碎礦體時,若使用現有鏟運機在出礦穿脈進行出礦作業,則極易因松散礦堆滑落而引起施工人員傷亡。3)設備自動化和智能化程度低。

2 采掘設備配置優化模型構建

采掘設備的配置受礦井生產能力、礦體規模和施工人員等因素的影響,且各設備在數量和性能上存在線性關系[5]。實現采掘設備的最優配置,實質上是在生產礦量、礦石流轉和主井提升等因素的約束下,求解經濟效益最優解的過程,是典型的線性規劃問題[6]。

2.1 目標函數確定

為提高礦井生產能力,分析優化采掘設備配置,以設備的生產施工能力為目標建立函數[7]。

maxZi=CiXi,

(1)

式中:Zi—設備生產能力,t/班;Ci—設備臺班生產能力,t/(班·臺);Xi—處于工作狀態的設備數量,臺。

2.2 設備施工效率計算

2.2.1 鑿巖設備

對于礦井鑿巖設備,采用經驗公式計算其施工效率[8]2。

Cd=144WNTK1K2γ/πD2A,

(2)

式中:Cd—鑿巖機械生產能力,t/(班·臺);W—鑿巖機械沖擊功,J;N—鑿巖機械沖擊器頻率,Hz;T—班工作時間,棉花坑礦井采用四六制,即6 h/班;K1—鑿巖鉆機沖擊器沖擊能力的利用系數,取0.6;K2—鑿巖鉆機班工作時間利用系數,取0.6;γ—礦巖體重,t/m3,根據棉花坑礦巖體重報告取2.56 t/m3;D—鉆孔直徑,cm;A—礦巖鑿碎比功,J/m3,取700 J/m3。

將棉花坑礦井現有鑿巖設備的相關參數代入式(2),得出各設備的臺班生產能力(表2)。

表2 鑿巖設備臺班生產能力Table 2 Production capacity of drilling equipments

2.2.2 鏟運設備

對于礦井鏟運設備,采用經驗公式計算其施工效率[8]2。

Cc=3600VTK3K4γ/t1K5,

(3)

式中:Cc—鏟運機械生產能力,t/(班·臺);V—鏟運機械鏟斗容積,m3;T—班工作時間,取6 h/班;K3—鏟運機機班工作時間利用系數,取0.8;K4—鏟運機滿斗系數,取0.9;γ—礦巖體重,t/m3,取2.56 t/m3;K5—原巖在鏟斗中的松散系數,取1.5;t1—鏟運機1次循環所用時間,s,根據現場情況取400 s。

將棉花坑礦井現有鏟運機的相關性能參數代入式(3),得出各設備的臺班生產能力(表3)。

表3 鏟運設備臺班生產能力Table 3 Production capacity of shoveling equipments

2.2.3 運礦設備

對于礦井運礦設備,采用經驗公式計算其施工效率[8]2。

Ce=60TQK6γ/t2,

(4)

式中:Ce—機車運礦能力,t/(班·臺);Q—機車載重,t/次;T—班工作時間,取6 h/班;K6—機車工作時間利用系數,取0.8;γ—礦巖體重,t/m3,取2.56 t/m3;t2—機車運行周期,min,根據現場情況取20 min。

將棉花坑礦井現有運礦車的相關性能參數代入式(4),得出各設備的臺班生產能力(表4)。

表4 運礦設備臺班生產能力Table 4 Production capacity of ore transportation equipments

2.3 模型約束條件設定

在設定模型約束條件時,一般需要結合礦井的實際情況選取主要影響因素[9-10]。根據棉花坑礦井生產現場的實際情況,選取4個方面作為主要約束。

2.3.1 生產礦量約束

為保證礦井的經濟效益,鑿巖設備、鏟運設備和運礦設備的生產能力均需大于礦井最低生產要求[11]。

(5)

式中:Cd—鑿巖機械生產能力, t/(班·臺);Nd—鑿巖機械數量,臺;Cc—鏟運機械生產能力, t/(班·臺);Nc—鏟運機械數量,臺;Ce—機車生產能力,t/(班·臺);Ne—機車數量,臺;Sm—礦井生產要求處理的礦巖量,t/班,根據棉花坑礦井三期設計要求,每班需處理約150 t礦巖。

2.3.2 礦流量約束

為避免礦石在井下出現留滯現象,要求運礦能力不低于鏟運能力,鏟運能力不低于鑿巖能力[12]。

CdNd≤CcNc≤CeNe,

(6)

式中:Cd—鑿巖機械生產能力,t/(班·臺);Nd—鑿巖機械數量,臺;Cc—鏟運機械生產能力,t/(班·臺);Nc—鏟運機械數量,臺;Ce—機車生產能力,t/(班?臺);Ne—機車數量,臺。

2.3.3 設備利用率約束

富裕系數為設備生產能力與礦井生產要求產能的比值,若其值小于1,則設備生產能力無法滿足礦井生產要求;若其值過大,則會出現設備閑置情況。為了充分利用各設備,將富裕系數約束在1～1.5[13]。

(7)

式中各符號含義與式(3)～(6)一致。

2.3.4 主井提升約束

目前棉花坑礦井只有1個主井,為了避免在井下儲存過量礦石,要求井下生產與主井提升的礦石量大致相等[14]。

CeNe≈R,

(8)

式中:Ce—機車生產能力,t/(班·臺);Ne—機車數量,臺;R—主井提升能力平均值,t/班,根據現場調查統計約為310 t/班。

3 模型應用及分析

3.1 上向水平分層充填法

上向水平分層充填法主要用于棉花坑礦井-150 m水平以下的礦體,采礦的基本工藝流程為:鑿巖→裝藥爆破→通風→松石處理→采場出礦(大塊巖石進行二次破碎)→充填→下一分層回采,回采過程中涉及的采掘設備及其富裕系數見表5。

表5 上向水平分層充填法采掘設備及富裕系數Table 5 Mining and driving equipment and affluence factor of upward horizontal slicing and filling method

由表5和模型可得出:1)當BoomerK41型鑿巖臺車數量為1臺時,完全能滿足礦井生產要求,通過利用率約束可知,該設備存在一定閑置。2)YT28型氣腿式鑿巖機作為鑿巖工序的輔助性設備,其數量為3臺時,基本能滿足礦井生產要求。3)當ST2K型鏟運機數量為1臺時,其富裕系數為1.00,說明在生產中需要適當增加設備數量或性能。4)當UK-8和XYUK-12型運礦卡車的數量均為2臺時,完全滿足礦井生產要求。5)根據礦流量約束,要求BoomerK41型鑿巖臺車和ST2K型鏟運機的數量比約為1∶2;但考慮到棉花坑礦井采場規模較小,無法實現多輛鏟運機同時運轉,因此只能通過提高單臺鏟運機的生產能力來實現采掘設備間的合理配置。6)根據主井提升約束,要求XYUK-12型運礦卡車的數量約為2臺;但隨著開采深度的增加,運距不斷增大,相應的富裕系數會逐漸變小,最終會出現主井閑置的現象,因此必要時需增加運礦卡車的數量。

3.2 分段深孔采礦法

分段深孔采礦法主要用于0 m水平南部的破碎礦體,采礦的基本工藝流程為:鑿巖→裝藥爆破→通風→松石處理→鏟運機出礦(大塊巖石進行二次破碎)→最終集中充填,回采過程中涉及的采掘設備及其富裕系數見表6。

表6 分段深孔采礦法采掘設備及富裕系數Table 6 Mining and driving equipment and affluence factor of sublevel deep hole mining method

由表6和模型可得出:1)當YGZ-90型鑿巖機數量為4臺時,完全滿足礦井生產要求,且存在一定的閑置情況。2)當ST2K型鏟運機數量為1臺時,其富裕系數為1.28,基本滿足礦井生產要求。3)根據礦流量的約束,要求YGZ-90型鑿巖機和ST2K型鏟運機的數量比約為1∶3;考慮到現場操作YGZ-90型鑿巖機的人員較少,僅能保證1～2臺設備的運轉,因此鏟斗容積為2 m3的鏟運機基本能滿足礦流量約束。4)根據該工藝的要求,鏟運機需要在破碎礦堆下完成出礦,必要時還需進入采空區內部完成最后礦體的清理和廢石充填工作,極易出現松散礦堆滑落、采空區頂板冒落等危害,因此需提高鏟運機施工的智能化和無人化程度。

4 采掘設備配置優化方案

4.1 主要采掘設備智能化建設總體方案

4.1.1 鏟運設備無線遠程控制

通過分析可知,在分層充填采礦工藝中,需提高鏟運機的生產能力以實現采掘設備的合理配置;在分段深孔采礦工藝中,需提高鏟運機的智能化程度以保證施工人員的安全。因此,對現有的鏟運機進行無線遠程控制改裝,在不改變鏟運機手動操作習慣的前提下,通過無線通信、電子控制、低延時視頻傳輸等技術實現車輛的遠程無線遙控駕駛。

改裝后的鏟運機可完成:1)分層充填采礦工藝下的高效出礦;2)分段深孔采礦工藝中破碎礦堆下的鏟運出礦;3)危險采空區下充填廢石的鏟運和平場等。

4.1.2 掘進設備精準導向控制

棉花坑礦井的礦體具有厚度薄、品位低、規模小和破碎等特點,在開采過程中極易因爆破質量低而導致大量資源的貧化和損失[15]。因此,為了提高爆破質量,實現該類礦體的精細化開采,運用無線通信、電子控制和計算機等技術對礦井現有的Boomer系列鑿巖臺車進行智能化控制改裝,通過提高鉆孔精度改善爆破質量。

設備改裝完成后可實現以下功能:1)施工人員無需進入危險工作面,只需在巷道外或地表通過計算機遠程操作,進一步提高了井下施工的安全性;2)系統可自動識別設計參數,并根據參數自動調整鉆桿完成鉆孔;3)系統實時監控鉆孔進度,并在顯示器上顯示孔軸的傾向、傾角、孔深和孔位坐標等重要參數。

4.1.3 井下電機車有軌智能無人運輸

目前棉花坑礦井在-150 m水平集中出礦。為提高井下的出礦效率,實現礦石的高效運轉,對現有的電機車出礦系統進行改裝升級,綜合運用無線通信、自動化和網絡等多個系統實現智能化和無人化出礦。升級改裝完成后電機車具有無人駕駛、自動裝礦、自動運輸、智能避讓和故障監測等功能。

4.2 主要采掘設備配置優化

采掘設備的配置優化可從設備數量、設備性能和設備安全性等方面考慮[16]。通過模型分析可看出,在目前的采礦工藝下,棉花坑礦井的各采掘設備除鏟運機外富裕系數均大于1,說明在數量和性能上基本滿足礦井的日常生產要求。因此,主要從設備安全性方面進行采掘設備的配置優化研究。通過運用遠程智能控制等技術對現有設備進行智能化改裝,實現設備的無人化、遠程化和精細化操作,從而提高井下的施工質量和安全程度[17]。

4.2.1 上向水平分層充填法

在該采礦工藝下改裝優化的采掘設備主要有鑿巖臺車、鏟運機和電機車,優化后單一采場所需的主要采掘設備見表7,采礦的基本工藝流程為:設計人員完成炮孔設計→改裝后的BoomerK41型鑿巖臺車識別參數并完成精準鉆孔→裝藥→爆破→通風→松石處理→ST2K型鏟運機遠程鏟運礦石→ST2K型鏟運機遠程充填廢石→運礦卡車運礦石至溜井→-150 m有軌智能電機車統一出礦。

表7 優化后上向水平分層充填法單一采場主要采掘設備Table 7 Optimized single stope mining equipment of upward horizontal slicing and filling method

4.2.2 分段深孔采礦法

在該采礦工藝下改裝優化的采掘設備主要為鏟運機和電機車,優化后單一采場所需的主要采掘設備見表8,采礦的基本工藝流程為:施工中深孔→裝藥→爆破→通風→松石處理→ST2K型鏟運機遠程鏟運礦石至溜井→-150 m有軌智能電機車統一出礦→統一集中充填。

表8 優化后分段深孔采礦法單一采場主要采掘設備Table 8 Optimized single stope mining equipment of sublevel deep hole mining method

5 結論

1)根據采掘設備配置優化的特點,結合棉花坑礦井的實際生產現狀,構建了基于線性理論的設備配置優化模型;并運用優化模型分析得出礦井現有的各采掘設備在性能和數量上基本滿足礦井的生產要求,甚至存在一定富裕。

2)從采掘設備的安全性方面考慮,提出了鏟運設備無線遠程控制、掘進設備精準導向控制和井下電機車有軌智能無人運輸的礦井采掘設備智能化建設總體方案;并針對不同采礦工藝,給出了單一采場的主要采掘設備配置優化方案。