露天礦綜采工作面掘進(jìn)帶寬度優(yōu)化模型

露天礦綜采工作面掘進(jìn)帶寬度優(yōu)化模型

采井設(shè)備的生產(chǎn)能力是露天礦的一項(xiàng)重要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，對(duì)礦山的生產(chǎn)能力和經(jīng)濟(jì)效益有重大影響。單斗挖掘機(jī)是露天礦應(yīng)用最廣泛的采井設(shè)備。其生產(chǎn)效率受技術(shù)條件、礦巖性質(zhì)、工作面規(guī)格、裝卸條件、爆炸質(zhì)量、輸送方式等因素的影響。合理的安裝方法和工作面規(guī)格是提高鉗產(chǎn)量的重要途徑。為了提高鉗產(chǎn)量，在保證其平面上安裝時(shí)，挖掘機(jī)的效率最高。因此，在研究期間，以平面上的安裝寬度是單桿挖掘機(jī)生產(chǎn)基質(zhì)的必要預(yù)測(cè)值。1全民空間掘進(jìn)帶/能力分配采掘帶寬度與單斗挖掘機(jī)效率的關(guān)系主要表現(xiàn)為:一方面挖掘機(jī)采裝的回轉(zhuǎn)時(shí)間隨著回轉(zhuǎn)角的增大而增大,故單個(gè)采裝循環(huán)的作業(yè)時(shí)間會(huì)隨之延長(zhǎng);另一方面采掘設(shè)備走行和對(duì)位時(shí)間所占比例隨采掘帶寬度的增大而減小.因此采掘帶寬度優(yōu)化的目標(biāo)是使挖掘機(jī)單位時(shí)間內(nèi)的作業(yè)量最大,或挖掘機(jī)采出單位工程量所用時(shí)間最短.單斗挖掘機(jī)采掘硬度系數(shù)f≤3的軟巖石(無(wú)需爆破)時(shí),端工作面平裝車(chē)的系統(tǒng)置如圖1所示.挖掘機(jī)沿直線行走,受料設(shè)備位于工作面端頭一側(cè),平行于挖掘機(jī)走行方向站立.此時(shí)采掘帶寬度由單斗挖掘機(jī)的回轉(zhuǎn)角度決定,可按下式計(jì)算式中:A為半連續(xù)工藝系統(tǒng)采掘帶寬度,m;Rwp為挖掘機(jī)站立水平的采裝作業(yè)半徑,m;α,β為挖掘機(jī)采裝的內(nèi),外回轉(zhuǎn)角,(°).現(xiàn)階段露天礦采掘帶寬度的確定主要依據(jù)經(jīng)驗(yàn)方法2公車(chē)采裝時(shí)間節(jié)點(diǎn)挖掘機(jī)的外回轉(zhuǎn)角應(yīng)滿足受料設(shè)備站位的需要,即式中:Rx為挖掘機(jī)的卸載半徑,不同卸載高度下的最大卸載半徑不同,m;γ為挖掘機(jī)卸載的回轉(zhuǎn)角,(°);b為受料設(shè)備寬度,m;c為受料設(shè)備與臺(tái)階坡底間的安全距離,m.當(dāng)γ取90°時(shí)可確定內(nèi)回轉(zhuǎn)角上限為挖掘機(jī)的外回轉(zhuǎn)角理論上可達(dá)90°,使采掘帶寬度達(dá)到最大,即β≤90°.根據(jù)單斗挖掘機(jī)使用經(jīng)驗(yàn),物料采裝的作業(yè)循環(huán)時(shí)間可按下式計(jì)算式中:t為挖掘機(jī)作業(yè)循環(huán)時(shí)間,s;t′為挖掘機(jī)作業(yè)循環(huán)時(shí)間中與回轉(zhuǎn)角度無(wú)關(guān)部分包括挖掘機(jī)的挖掘時(shí)間、卸載時(shí)間等,優(yōu)化模型中可看做一個(gè)定值,s;f(x),g(x)為挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)和返回時(shí)間函數(shù),可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)取得;x為挖掘機(jī)作業(yè)時(shí)的回轉(zhuǎn)角度,(°),其取值范圍為[γ-α,γ+β].根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和挖掘機(jī)生產(chǎn)廠家提供的數(shù)據(jù),在一定角度范圍內(nèi)挖掘機(jī)的回轉(zhuǎn)時(shí)間與所旋轉(zhuǎn)的角度成正比,即:.則挖掘機(jī)作業(yè)的平均回轉(zhuǎn)時(shí)間可用平均回轉(zhuǎn)角度計(jì)算式中:k為挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)速度,(°)/s;k′為挖掘機(jī)返回速度,(°)/s;φ為挖掘機(jī)挖掘機(jī)卸載的平均回轉(zhuǎn)角,(°).采掘帶寬度一定條件下,挖掘機(jī)采裝物料的平均回轉(zhuǎn)角為(注意式中角度計(jì)算均需換算為弧度,即式中α,β,γ的取值范圍均為[0,π/2])由式(3)轉(zhuǎn)換可得取極限狀態(tài)并帶入式(7)得式中α取值范圍為挖掘機(jī)走行及采運(yùn)環(huán)節(jié)設(shè)備對(duì)位占用一定的作業(yè)時(shí)間,以采出單位物料所需時(shí)間最短作為采掘帶寬度優(yōu)化的標(biāo)準(zhǔn),則挖掘機(jī)采出單位物料總時(shí)間為對(duì)于單斗-卡車(chē)間斷工藝而言,采用卡車(chē)作為受料設(shè)備,對(duì)位次數(shù)與采掘帶寬度無(wú)關(guān)其中:根據(jù)以上分析得出采出單位物料時(shí)間與采掘帶寬度關(guān)系為式中:ts為開(kāi)采物料的總時(shí)間,min;tc為物料采裝時(shí)間,min;tz為挖掘機(jī)走行時(shí)間,min;td為設(shè)備對(duì)位時(shí)間,min;n為挖掘機(jī)作業(yè)循環(huán)數(shù);Q為預(yù)計(jì)開(kāi)采的物料量,m3;V為挖掘機(jī)鏟斗容積,m3;kh為物料在鏟斗內(nèi)的松散系數(shù);h為挖掘機(jī)采裝臺(tái)階高度,m;v為挖掘機(jī)走行速度,m/min;m為運(yùn)輸該部分物料所需的車(chē)數(shù);t′d為卡車(chē)入換一次所需的對(duì)位時(shí)間,min;m′為裝載一車(chē)物料所需的斗數(shù);Qe為卡車(chē)車(chē)廂容積,m3;η為挖掘機(jī)采裝的滿斗率.由式(10)和式(17)可知,單位物料的總采裝時(shí)間是內(nèi)回轉(zhuǎn)角和外回轉(zhuǎn)角的函數(shù);而采掘帶寬度也是內(nèi)回轉(zhuǎn)角和外回轉(zhuǎn)角的函數(shù),因此可先優(yōu)化計(jì)算挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)角,然后根據(jù)式(1)計(jì)算優(yōu)化的采掘帶寬度.3采礦帶寬度的確定通過(guò)理論分析建立了挖掘機(jī)單位物料采出時(shí)間與挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)角之間的函數(shù)關(guān)系和通過(guò)挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)角計(jì)算采掘帶寬度的方法,因此可通過(guò)模型計(jì)算出對(duì)應(yīng)單位物料采出時(shí)間最短的采掘帶寬度,即保證挖掘機(jī)生產(chǎn)能力最大發(fā)揮的采掘帶寬度.但由式(17)可以看出,函數(shù)中同時(shí)存在兩個(gè)自變量(內(nèi)回轉(zhuǎn)角α和外回轉(zhuǎn)角β),因此無(wú)法通過(guò)簡(jiǎn)單的求導(dǎo)得出最優(yōu)解.鑒于礦山工程的特點(diǎn),可采用軟件試算的方法取得合理解,供礦山設(shè)計(jì)選擇.具體方法為:1)由式(4)可知,內(nèi)回轉(zhuǎn)角的取值范圍較外回轉(zhuǎn)角小,故可先確定內(nèi)回轉(zhuǎn)角α,求導(dǎo)計(jì)算該條件下的最優(yōu)外回轉(zhuǎn)角β和相應(yīng)的總采裝時(shí)間值;2)逐步變更內(nèi)回轉(zhuǎn)角α,求解相應(yīng)的最優(yōu)外回轉(zhuǎn)角β和總采裝時(shí)間值;3)繪制內(nèi)回轉(zhuǎn)角與總采裝時(shí)間的關(guān)系曲線并進(jìn)行回歸分析;4)對(duì)得到的回歸函數(shù)求導(dǎo),計(jì)算最優(yōu)的內(nèi)回轉(zhuǎn)角α和相應(yīng)的總采裝時(shí)間值;5)根據(jù)優(yōu)化確定的內(nèi)回轉(zhuǎn)角α和相應(yīng)的最優(yōu)外回轉(zhuǎn)角按式計(jì)算采掘帶寬度4內(nèi)回轉(zhuǎn)角對(duì)作業(yè)效率的影響某露天礦黃土剝離無(wú)需爆破,單斗挖掘機(jī)可直接采裝,采用單斗-卡車(chē)間斷工藝.采裝應(yīng)用25m3單斗挖掘機(jī),配合172t(額定載重)運(yùn)輸.優(yōu)化所需的參數(shù)見(jiàn)表1.根據(jù)上述參數(shù)計(jì)算挖掘機(jī)采裝循環(huán)時(shí)間得則剝離萬(wàn)m3物料的所需時(shí)間1)采裝時(shí)間2)挖掘機(jī)走行時(shí)間3)對(duì)位時(shí)間4)總時(shí)間根據(jù)式(4)計(jì)算內(nèi)回轉(zhuǎn)角上限為根據(jù)式(8)和式(23)計(jì)算可得不同回轉(zhuǎn)角條件下萬(wàn)m3物料剝離所需時(shí)間見(jiàn)表2.由表中計(jì)算結(jié)果可以看出,挖掘機(jī)內(nèi)回轉(zhuǎn)角20°,外回轉(zhuǎn)角60°時(shí)挖掘機(jī)效率最高.回歸挖掘機(jī)效率與回轉(zhuǎn)角關(guān)系見(jiàn)圖2.由回歸分析結(jié)果可以看出,挖掘機(jī)的內(nèi)回轉(zhuǎn)角對(duì)作業(yè)效率的影響很大,最優(yōu)值為20°～30°;挖掘機(jī)的外回轉(zhuǎn)角大于40°后,對(duì)作業(yè)效率的影響不大.根據(jù)以上分析確定采掘帶寬度的最小合理值為A=15.3×(sin20°+sin40°)=15.91m,(25)最大值為理論優(yōu)化結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)值相符.對(duì)回歸函數(shù)求導(dǎo)可得理論最優(yōu)值為即最優(yōu)采掘帶寬度為與露天礦采用的采掘帶寬度(20m)一致.5機(jī)采裝回轉(zhuǎn)角度優(yōu)化模型的應(yīng)用1)根據(jù)單斗-卡車(chē)工藝端工作面生產(chǎn)特點(diǎn),建立了以挖掘機(jī)生產(chǎn)能力