露天矿双能源卡车运输技术现状及发展趋势研究

露天矿双能源卡车运输技术现状及发展趋势研究

张志荣

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摘要：目前，我国正在设计和建设的10Mt/a以上规模的大型特大型露天煤矿有50多座，平均开采深度130m，卡车的坑内平均运输距离2.2km，加上地面运距，早已超过了卡车的经济合理运距。且我国大多数大型冶金露天矿山已进入了中后期开采，现有的20余座大型冶金露天矿山中，已有17座露天矿山由山坡开采转入凹陷开采，最大凹陷开采深度已经达到400m。进入深部开采后，卡车运输距离加长，重载上坡运距增加，运输效率降低，运输成本增加，导致生产成本急剧上升，经济效益迅速下滑。架线双能源卡车解决了传统卡车重车上坡过程中速度低、爬坡能力小、安全性差、燃油消耗量大等系列问题，具有一定的技术和经济优势，特别是在开采急倾斜煤层的露天矿，其优势更加明显。

关键词：双能源卡车；架线辅助系统；研究现状；运输系统；露天矿

引言

露天矿常用的运输方式有卡车运输和带式输送机运输2种，还有水力运输、爆破抛掷、倒堆等方式。由于卡车运输具有机动灵活、工况适应性强、运输系统建设周期短等特点，一直以来是我国露天矿运输的主导方式，每年由卡车完成的矿岩运输量约占全国露天矿采剥总量的85%以上。双能源卡车最早出现在美国的一家水泥公司，由于1956年的苏伊士运河危机，全球石油供应量突然减少了10%，导致美国石油价格暴涨，柴油价格也随之上涨，为了应对高昂的柴油价格，降低运输成本，该公司将载重30t的机械传动自卸卡车改造为架线式运输卡车，由此开创了双能源卡车应用的先河。20世纪70—80年代，美国、加拿大和南非等国的一些金属矿和煤矿也相继对传统的燃油卡车进行改造，并将其应用于露天矿运输，当时，由于技术和改造成本的限制，双能源卡车并未实现大范围的推广应用。简述了露天矿双能源卡车的诞生背景，梳理了国内外在架线辅助系统设计技术、双能源卡车适应性评价技术、应用研究及效益预测3个方面的技术研发现状，确定了我国急倾斜煤层露天煤矿应是架线式双能源卡车的主要应用市场；提出了露天矿双能源卡车运输技术的发展方向主要包括3方面：建立架线双能源卡车运输系统整体优化理论、研发急倾斜露天矿双能源架线卡车道路设计技术、自主研发中小型架线矿用卡车装备。

1架线辅助系统设计技术

柴油持续价格上涨和供应的不可靠性对露天矿生产的约束，提出了解决该问题的一个途径是柴油电动轮卡车采用架线供电。架线辅助系统主要的设计技术要求：①卡车坡道的最大有效坡度为10%；②在重载运行期间最小的架线车速为10km/h；③路面与架空导线之间的高度差为±0.5m；④卡车允许偏离架线中心线的距离为1.0m；⑤曲率半径须在容许的偏离距离之内，允许最小车速为10km/h；⑥不允许在急转弯段设置架空线路。2）研究架线辅助系统的架空电源线路、车载集电器和辅助电气系统等各构成要素的工作原理，凝练提出了架线辅助系统的适用条件：①物料需要从低处向高处运输；②电力和燃油的单价处于合理比值；③主要适用于深凹露天矿开采；④架线斜坡道是露天矿卡车运输的主要通道，并在较长的时期内不须移设。3）架线辅助系统在设计过程中需遵循的基本原则：①架线辅助双能源卡车和柴油单动力卡车因运行速度不同，不得同时在同一线路上运行，须为2种车型单独设置专用线路；②同一坡道运输线路，从坑底到地面的坡度要保持一致；③运输线路路面与架空线的距离变化不能超过±3%，以保证集电器正常工作，并达到预期使用寿命；④架空线路不得设计在其他采矿设备经过的线路上；⑤架空线路必须是半永久性的（相对固定）；⑥架空线路不可急转弯，转弯半径必须大于100m；⑦架空线路的出入口必须设置在水平段路段上；⑧架空线路不可靠近采场爆破区域。4）提出卡车重载上坡过程的力学关系模型，研究揭示了双能源卡车在架线坡道上的速度变化规律，研究结果显示：传统卡车为"上坡减速-平路加速-坡减速"的循环程。单个坡道内双能源卡车上坡速度降低慢，上坡平均速度24.43km/h，相比传统卡车平均速度15.86km/h，增加了54.04%，运输效率远高于传统卡车；分别建立了凸形竖曲线、凹形竖曲线及平面曲线的道路曲线方程，提出了各类曲线道路参数的设计优化模型及计算方法。

2技术发展趋势

2.1架线双能源卡车运输系统整体优化理论

从国内外关于双能源卡车的研究现状综述可知，国外关于双能源卡车的研究起步较早，但发展缓慢，研究成果大多集中在特定矿山的应用试验或者可行性论证等层面。国内关于双能源卡车的研究起步稍晚，研究成果大多是关于特定矿山应用情况的分析和前景预测。但双能源卡车与传统卡车的工作原理、适用条件和技术要求有着较大的区别，必须根据设备的特点和技术要求布置运输系统，并与矿山的开采程序、开采工艺、设备配置以及排土规划等主要露天矿设计要素相结合，进行整体优化。重点从系统角度研究双能源卡车高效运输系统的设计理论体系入手，进而解决双能源卡车高效运输系统与其它工艺系统的配合及综合优化等问题，形成了离散、非线性现金流条件下的大型露天矿双能源卡车高效运输系统整体优化方法，使双能源卡车的优势得以充分发挥，实现“降本增效、低碳环保”的目标。

2.2急倾斜露天矿架线卡车道路设计技术

我国新疆、青海、内蒙古乌海、云贵等地区分布有大量开采急倾斜煤层的中小型露天矿，受到开采条件和煤层赋存条件的限制，这些露天矿普遍采用沿着煤层露头拉沟综采的开采方式，首采分区无法实现内排，开拓运输系统采用卡车固定直进式坑线布置方式。剥离和采煤工程卡车大部分时间均处于重车上坡的状态。露天矿卡车固定爬坡坑线长度占卡车总运距的比例约为73%。上述场景符合架线双能源卡车应用的基本条件，具有很大的推广应用空间。应针对该类应用场景下卡车道路的设计方法、关键参数优化、道路延深、采区接续时的道路移设等关键技术问题，开展深入研究。

2.3中小型架线矿用卡车装备研发

目前，国内外试验和应用的架线矿用卡车基本均为100t级载重以上的重型电动轮卡车，对其线控系统进行改造后加以应用。主要存在以下问题：①大吨位重型卡车在我国中小型露天矿应用较少，主要原因是中小型露天矿的采剥工程量规模、采场空间、开采条件等不能适应大型矿用卡车的运行技术要求，因此，该技术难以在国内推广应用；②中小型露天矿广泛采用载重30～70t的矿用宽体自卸卡车，设备造价低、性价比较高、初期投资小、机动灵活、对空间、开采条件、气候、维修保障等的要求较低，但目前尚无该类矿用卡车的架线式产品。虽然已经有关于纯电动矿用卡车的试制产品，但在电池续航能力、快速充电、设备重量等多方面技术难题尚未突破，难以形成可靠装备用于露天矿的生产场景。因此，目前来看最具可操作性的途径是根据矿山企业的实际需求，研发中小型架线矿用卡车，预期可在我国开采急倾斜煤层的中小型露天矿得到推广应用。

3结语

在露天开采工艺系统穿孔、爆破、采装、运输、卸载等5大环节中，矿岩运输是最重要的环节之一，运输成本一般占露天矿生产总成本的50%~60%，部分露天矿的运输成本在露天矿生产总成本中的比例甚至已经超过了60%。因此，露天开采运输技术的研究一直是国内外露天采矿领域的重点研究课题。

参考文献：

［1］田会，才庆祥，甄选.中国露天采煤事业的发展展望［J］.煤炭工程，2014，46（10）：11-14．

［2］文世芸.露天矿柴油架线辅助双动力运输卡车发展前景展望［J］.露天采煤技术，1996（2）：44-46.

［3］DavidMLake，WilliamBrzezniak,MichaelCHendry,等.电动轮卡车利用架线供电可节省柴油并改善运输经济状况［J］.国外金属矿采矿，1982（2）：14-29．