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第九章间断工艺系统机械铲汽车工艺解析
第九章间断工艺系统——机械铲汽车工艺
第一节应用和发展
我国露天矿,机械铲和公路运输相配合的工艺系统,五十年代就有较广泛的应用,近年来应用更广。
我国金属、非金属和建材露天矿,由汽车运输的矿石量占60%左右,露天煤矿,汽车运输也有所发展。
汽车运输具有机动灵活、爬坡能力大、便于选采、建设速度快和开强度大等优点。
但它配件供应和维修较为困难,消耗燃料油较多,轮胎磨损大,从而吨公里运费较高。
我国正在建设中的几个大型露天煤矿,矿岩年总开采量将达1~3亿t,设计中采用了勺容为16~27m3的大型电铲和载重100~154t的自卸汽车。
这些露天矿建成,将使我国露天煤矿的生产和技术面貌达到一个新的水平。
表9-1是我国几个全部采用汽车运输的露天矿的主要技术指标。
机械铲汽车工艺系统的应用条件如下:
(1)地形复杂的山坡露天矿;
(2)长度短的深凹露天矿;
(3)矿体产状复杂,矿石品级多,要求选择开采的露天矿;
(4)运距较短,一般不超过2~3km;
(5)开采强度很大的大型、特大型露天矿。
这种工艺系统还常常和其他工艺系统联合应用,例如深凹露天矿浅部采用机械铲铁道工艺,深部采用机械铲汽车工艺,汽车和胶带相配合工艺等。
第二节开采参数
汽车运输时,确定台阶高度所要考虑的问题和铁道运输相同。
在需要爆破的硬岩中,为确定采掘带宽度而计算爆堆宽度时,无需考虑线路的移设,可以取用较大的采掘带宽度,例如20~40m。
汽车运输的采区长度可以更短一些。
勺容为1~4m3的挖掘机,最小值相应地取为150~200m。
汽车运输的工作平盘宽度,仍用铁道运输中所采用的计算式(8-4)计算。
所不同的是:
(1)工作面汽车路到爆堆坡底的距离C,取决于所用的汽车,约为3~4m。
(2)道路宽度D,决定于汽车外型尺寸和行车方式。
当采用单车道时,依汽车规格之不同,取3.5~6.5m;当采用双车道时,依汽车规格之不同,取6.0~12.0m。
(3)道路外侧到下一台阶安全坡顶线的距离E,取决于汽车型号,约为2.5~4m。
为了保证可采储量,采矿台阶的工作平盘宽度也应适当扩大。
当为进行矿山的分期过渡或为加大工作帮角度而实行组合台阶采掘时,在采掘工作线上暂不进行采掘作业的区段,可设置临时平盘。
临时平盘的宽度应保证将来能把它顺利地恢复为正常工作平盘。
临时平盘的宽度可取为20m左右。
第三节车斗容积和电铲勺容的匹配
从挖掘机利用率出发,车型大一些有利。
因为这样能够减少汽车在工作面的入换次数,增加挖掘机纯装车时间的比重。
但是,从汽车运行利用来说,车型过大,将使装车时间在汽车循环中比重加大,降低行车时间比重。
反之,车型太小,车体强度不足,容易在装车中被砸坏;为完成一定运量所需的汽车就多。
这样,露天矿内车流密度高,互相影响大,汽车维修量大,所需司机也多。
国内外不少人曾对车斗容积V和电铲勺容E之比的合理值作过研究,所得结论大致相同:
(1)V:
E的比值随运距加大而应有所加大;
(2)对大型挖掘机,即E值大时,V:
E可取较小的数值。
这些研究表明,当运距L=1~2km时,对于E=2~4m3的挖掘机,V:
E的合理值是5~5.5,对于E=8~10m3的挖掘机,V:
E合理值是4.5~5.0。
按照挖掘机和自卸汽车的定型情况,电铲勺容和汽车载重匹配如下:
电铲勺容E,m3汽车载重,t
17~12
212~20
420~45
6~1045~100
12~15100~120
>15120~154
为便于维修和运营,在同一矿山中应尽可能选用同一型号和规格的汽车。
当采用不同车型时,也尽可能使各种车型具有相同的运速,以免快速车的效率被慢速车限制。
第四节车铲比
露天矿汽车运输中的车铲比研究,受到国内外的普遍重视。
实际测定表明,汽车运输中,采掘工作面的欠车时间ti和汽车等待时间td与车铲比Yz的关系不是线性的。
图9-1是根据一个铁矿的实测资料作出的。
曲线表明,当Yz增大时,td也随之增大,且td的加大速率要比Yz快。
Yz加大,ti随之减小,但减小的速率要比Yz小。
Yz究竟应多大合理,在理论上还没有完满地解决。
下面根据排队原理作一些探讨。
把机械铲汽车工艺系统看作是一个四级服务系统,(图9-2a):
第1级装载;第2级重载运输;第3级卸载;第4级空载返回。
在每一级中,汽车作为“顾客”,受作为“服务台”的设备或设施服务。
这些“服务台”,第1级是挖掘机.其台数有N1台;第2级是运输道路,有N2条;第3级是卸载设施,有N3个;第4级又是道路,有N4条。
在这一服务系统当中,作为“顾客”的汽车有M台。
这是一个多级、有限顾客的循环服务系统。
首先考虑一台挖掘机的作业,并把它简化为一个单级服务系统(图9-2b)。
在这个服务系统中,挖掘工作面的服务强度为μ(即挖掘机每分钟能装载的汽车数),显然:
(9-1)
式中tz——装车时间,min/车;
tr——入换时间,min/车。
车流来到工作面的车流密度,即每分钟到达工作面的汽车数量λ,其值为:
(9-2)
式中Yz——由该挖掘机服务的汽车台数,即车铲比;
T——汽车循环时间中不包括等装时间的各组成时间之和;
td——等装时间。
把车流看作是简单流,即汽车到达工作面的时间间隔呈负指数概率分布。
同时,认为工作面服务时间,即tz+tr之和,是具有标准差为σ的某种概率分布。
对于这种排队系统,应用排队论原理[4],可推出汽车在工作面的等装时间td为
,min/车(9-3)
由式(9-2),可得
Yz=λ(T+td)(9-4)
把式(9-3)代入式(9-4)
(9-5)
设一台挖掘机的单位时间的运营费为Fz,一台汽车的单位时间的运营费为Fy,车铲比为Yz时,车铲配合的工艺系统的小时运营费为
F=Fz+YzFy(9-6)
令Fy/Fz=β
则F=(1+βYz)Fz(9-7)
按上述车铲配合,单位时间完成的采运量用汽车数表示,就是λ。
这样,完成每车运量的费用为:
(9-8)
合理的车铲比,应保证f值最小。
把式(9-5)代入式(9-8),得
(9-9)
将式(9-9)对
求导,得
(9-10)
由于
,则从
,即
可解出f值最小合理车流密度
(9-11)
把上式代入式(9-5),得合理车铲比
(9-12)
由式(9-12)可知,合理车铲比Yz*与参数β、μ和T有关,当μ作负指数分布时,其曲线表示如图(9-3)所示。
从曲线可以看出,在一定条件下:
(1)当μ加大,即挖掘机加大,入换条件方便时,Yz*应大一些;
(2)当T加大,即主要运距加大时,Yz*也应加大;
(3)当β加大,即汽车单位费用相对于挖掘机单位费用加大时,例如采用较大型汽车时,Yz*有所减小。
第五节采掘工作面汽车分配
在机械铲和汽车相配合的工艺中,当有N个采装点和K个卸载点时,可用线性规划法确定合理的车流调配方向。
在确定车流方向后,还需确定在某方向中作业的汽车数。
这时,优化的准则可能有:
(1)露天矿产量最高;
(2)露天矿各工作面完成的采掘量比例与计划比例尽量接近;
(3)在满足各工作面产量比例的前提下,全矿产量最高。
所提出的问题是:
一露天矿出动N台电铲,M台汽车,各工作面的采掘物的运输方向已知,各工作面的装车强度为μi(i=1,2,…,N),装车时间和入换时间之和的标准差是σi(i=1,2,…,N),汽车从各工作面运输的循环时间(不包括装车)为Ti,各工作面产量比例系数为Pi(
,1≥Pi>0)。
要求确定配给各工作面的汽车数。
从式(9-5)可知采掘工作面产量又和所分配的汽车数Yzi有如下关系:
(9-13)
式中Ai=μiTi-0.5μi2σi2-0.5(9-14)
Bi=-μiYzi-μi2Ti2(9-15)
Ci=μi2Yzi2(9-16)
上述三种优化准则的数学模型是:
(1)按产量最高
(9-17)
满足
(9-18)
,整数(9-19)
(2)按产量比例最符合计划要求
(9-20)
满足
(9-21)
,整数(9-22)
(3)按满足产量比例,产量最高
(9-23)
满足
(9-24)
(9-25)
,整数(9-26)
第二种模型是一种非线性规划问题,而且是整数型的。
为减小解题的困难,可按图9-4的思路计算。
框1:
输入各工作面的参数μi,Ti,Pi(i=1,2,…,N)。
框2:
Yzi=1,即给各工作面配一辆车。
框3:
λi=f(Yzi),计算各工作面的产量。
框4:
,计算各工作面当前产量比例与计划比例之差。
框5:
K:
αk=min[αi],是要确定配车电铲号。
如果K也不只一台电铲,则可向车号最小者配车。
框7:
向决定配车的电铲增加一台汽车,故Yzk=Yzk+1。
框8:
否,即检验汽车是否分配完。
如未分配完,转框3,否则转框8。
框9:
停止运算。
例:
有4个工作面,21台汽车,各工作面有关作业参数如下:
工作面1234
Ti,min12182430
μi,车/h17151212
σi,车/h17151212
Pi0.250.250.250.25
试作汽车分配,使各工作面产量均衡。
解:
手算中,步骤与框图9-4略有区别。
首先,求出不同Yzi下各工作面的λi(单位时装车数):
Yz12345678
工作面13.66.79.211.012.513.213.714.2
22.85.27.39.010.411.211.812.3
32.14.15.87.28.18.89.49.8
41.83.75.26.57.88.49.19.5
第一步,各工作面各配一车,进行计算,结果如下:
工作面号1234
Yzi1111
λi3.62.82.11.8
λi/Σλi0.3490.2720.2040.175
αi0.0990.022-0.046-0.075
min{αi}α4
K=4,已配车ΣYzi=4<21,决定对工作面4增加一台汽车。
第二次计算
工作面号1234
Yzi1112
λi3.62.82.13.7
λi/Σλi0.2950.2290.1730.303
αi0.045-0.021-0.0770.053
min{αi}α3
K=3,已配车ΣYzi=5<21,决定对工作面3增加一台汽车。
进行第三次计算。
工作面号1234
Yzi1122
λi3.62.84.13.7
λi/Σλi0.2560.1990.2990.296
αi0.006-0.0510.0490.046
min{αi}α2
K=2,已配车ΣYzi=6<21,决定对工作面2增加一台汽车。
为节约篇幅,以下计算从略。
最后配车方案是
工作面号1234
Yzi3468
λi9.29.08.88.1
λi/Σλi0.2520.2480.2470.253
第六节各环节生产能力的综合均衡
汽车和挖掘机相配合的工艺的环节生产能力的平衡方法与铁道运输时相同。
下面试举例说明:
设某磷矿有YQ-150A型钻孔机5台,金-80型潜孔钻机5台;WK-4型挖掘机5台,W-1002型挖掘机8台;贝拉斯-540A型汽车40台,TD50A-D型汽车30台。
需完成的采掘量有:
矿石150万t,剥岩600万t。
试均衡各环节综合生产能力。
矿区地形起伏,标高在2000m以上。
有上下两个矿层,厚度分别为7.9和4.0m。
矿层倾角4~7°,矿石硬度f=8~10,夹石硬度f=5~8。
这种埋藏条件对采矿很不利,因选采造成低台阶三角体,采掘能力很低。
按矿石工程要求:
正常台阶采掘量105万t/a
3m以下台阶采掘量45万t/a
正常台阶剥离量460万t/a
3m以下台阶剥离量140万t/a
各环节生产能力均衡如表9-2所示。
从计算结果看,能力最充分的是贝拉斯-540汽车,其后依次是WK-4,TD50A-D,W-1002,YQ-150A,金-80钻机能力不足23.7%,需增加两台,增加后其能力富余
。
表中各种设备的台年生产能力是按矿岩种类、孔网布置、运距等确定的,例如汽车能力的查定如表9-2所示。
出入沟的能力认为是足够的。
第七节机械铲汽车工艺系统的计算机模拟
在关于车铲比和工作面汽车数分配的分析中,实际上对工艺系统作了许多简化:
(1)把多级排队系统简化为单级排队系统;
(2)分配给各工作面的汽车固定由该工作面的挖掘机装载;(3)未考虑公路通过能力和叉道处的排队等影响;(4)不考虑故障和交接班时间,等等。
所以,对工艺系统的经济效果还有必要作更全面的考察。
为此,行之有效的方法之一就是电子计算机模拟。
电子计算机模拟可以研究的问题十分广泛。
下例中所研究的问题是一个铁矿的合理汽车配车数。
该矿年产铁矿石150万t,用勺容为4m3的电铲,载重为15t(太脱拉)、20t(北京牌和T-20)和27t(贝拉斯)的汽车作业。
对该矿的装车时间和汽车运行时间所作查定的结果是:
装车时间呈正态分布;汽车运行时间、重载方向基本呈正态分布,空载方向接近于负指数分布;卸载时间亦可按负指数分布处理;汽车装载量则取正态分布。
模拟中所采用的汽车和电铲的技术条件如表9-4所列。
针对具体矿山条件作出计算机模拟的总框图,如图9-5所示。
图中所用代号意义如下:
A(M)——第M台汽车的当前时间单元;
C(M)——第M台汽车的状态单元;
G——卸载点卸完车的时刻;
F——累计电铲空闲时间;
Q——累计卸载量;
Z——累计卸载汽车数;
V——累计待卸时间;
U——累计待装时间;
J1——模拟过程中的汽车当前时刻;
D——电铲装完车的当前时刻;
J3——模拟过程中的具有最近时间的车号;
H1——班有效作业时间;
A(J2)——J2号车的当前时间;
A——电铲装车时间均值;
B——电铲装车时间标准差;
Q1——汽车平均装载量;
Q2——汽车装载量标准差;
L——卸载时间均值;
T1——重行时间均值;
T2——重行时间标准差;
T3——空行时间均值;
R1——重车运行时间。
按图9-5编写计算机程序,并按表9-4所列技术条件进行模拟运算。
得出配备不同汽车数时的电铲生产能力如图9-6所示。
利用模拟结果,按下式计算单位装载量的成本:
(9-27)
式中CQ——电铲台班使用费,204元/班;
CB——汽车台班使用费:
太脱拉210元/班
贝拉斯540元/班
北京-370213元/班
T-20340元/班
计算所得单位采运量的成本如图9-7所示。
这一成本最低,该矿合理的汽车配车数(即车铲比)为:
汽车型号可选较优范围最优值
太脱拉5~10台8台
贝拉斯8台
北京-3704~9台8台
T-203~5台4台
第八节生产调度
在汽车运输的露天矿区,汽车向工作面的配车方法基本上有两种:
(1)固定配车:
(2)机动配车。
固定配车是把某些汽车长期固定地向某工作面配车,或由调车员在每班之初确定每辆汽车所固定的工作面。
一经确定,班内不变。
这种方式的优点是简便。
长期固定时,还可把挖掘机和汽车组成综合工作队,便于协作。
另外,汽车运行路线固定,司机心中有数。
缺点是不灵活,当某工作面发生故障时,不能及时把汽车调到其他工作面作业;且各工作面忙闲程度难以调整,设备利用率受到影响。
机动配车能克服这一缺点,但需建立调度系统。
其做法如下:
汽车驶出停车场后,由配车员执行汽车运行指挥。
配车员在能看清全部汽车通过和多数挖掘机作业的地方,观察车、铲的通行和作业,审时度势,决定汽车调配。
其考虑原则是:
在保证各项矿山工程计划均衡、顺利完成的前提下,尽可能减小汽车的等待和工作面欠车。
在公路分叉点设立色灯显示牌,标明汽车通往地点。
显示牌由调度员操纵。
也可用步话机指挥汽车运行。
调车员还记录汽车和挖掘机的作业和产量完成情况。
从模拟结果和实际资料表明,实行机动调度,效果较好。
目前,国外不少露天矿还使用电子计算机调度汽车。
加拿大富特山铁矿的汽车调度系统如下:
该矿位于加拿大魁北克省,有两个矿场:
主矿场和西矿场。
年产矿岩1840万t,矿岩量为每年3380万t。
采装设备有:
P&H2100电铲5台,BE295B电铲3台,勺容皆为20立方码。
运输设备有:
UnitRig公司的LectraHaulMark36型汽车8台,通用公司的Terax33-15型汽车17台,Wabco-170型汽车17台,载重皆为150短吨。
该矿于1977年末建成计算机调度系统,并投入使用。
所用设施包括:
1.P.D.P-11型计算机一台,64K。
2.路边发射装量共32个。
分别设于电铲、排土场、破碎机、油库、矿场入车口和重要路段的道路旁边,发射27MHz的八位数信号。
每台发射机的信号不相同。
3.车上装置:
(1)27MHz的接受机,处理路边发射机发来的信息;
(2)高频收发装置,接收由计算机通过中继站发来的搜索信号,并作回答;
(3)逻辑处理器;
(4)二极管显示器。
4.中继站。
该调度系统对汽车的控制方式如下:
计算机经中继站对汽车位置进行扫描。
汽车通过最近经过的路边发射器把所处位置的信息存储起来,待计算机搜索到它时,就把这一信息经中继站传输到计算机。
每台汽车有特定的搜索信号。
搜索一台汽车需时90μs。
计算机用同一渠道向汽车发送调车指令。
受命的汽车能把指令用不同的二位数显示出来,这些数字分别表示电铲号、加油、用餐和交接班等。
汽车按优先率和最小等待时间进行调度,即:
(1)按优先率选择向哪个矿场发车,而各矿场的优先率则按该矿场所需汽车数和实际具有汽车数加以确定,最缺车的矿场优先配车;
(2)矿场入车口,汽车按等待装载时间最短的原则向电铲配车。
汽车发生故障时,则由调度员处理。
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