露天煤礦破碎站作業(yè)效率分析

鮑海明，張瑞新,2

(1.中國礦業(yè)大學(北京)能源與礦業(yè)學院，北京 100083；2.華北科技學院，河北 三河 065201)

0 引 言

露天煤礦破碎站作業(yè)是連續(xù)流，在破碎站必須設(shè)置一定容量的受料倉以滿足物料緩沖的需要，物料由卡車載運至破碎站卸車臺位并卸入受料倉，通過板式給料機驅(qū)動端給入破碎機，最后物料經(jīng)破碎后推送至排料皮帶或下游帶式輸送機系統(tǒng)，整個過程實現(xiàn)了卸料、堆料、運料、碎料和排料的作業(yè)循環(huán)。破碎站作為露天開采半連續(xù)工藝系統(tǒng)的核心裝備，直接決定了該串聯(lián)系統(tǒng)的效能、可靠性和技術(shù)經(jīng)濟性。然而就國內(nèi)破碎過程控制現(xiàn)狀而言，對破碎過程的控制大部分是憑借人工經(jīng)驗判斷，嚴重影響了破碎站生產(chǎn)效率的發(fā)揮[1-2]。當前關(guān)于破碎站效率的研究主要有：劉國杰[3]根據(jù)破碎理論改變破碎機結(jié)構(gòu)實現(xiàn)效率的提高；劉煜等[4]基于離散元素法對破碎機破碎效率進行仿真研究，得出了物料塊度以及物料硬度對破碎效率的影響；胡純[5]對破碎機機倉進行料位控制進而實現(xiàn)破碎過程優(yōu)化。但對于露天礦各環(huán)節(jié)生產(chǎn)參數(shù)如煤炭質(zhì)量、給料頻率、受料倉料位高度、入料粒度對于破碎站破碎效率的影響分析甚少。

伴隨著智慧礦山發(fā)展的浪潮，實現(xiàn)破碎站破碎過程的智能控制與無人值守是必經(jīng)之路，問題的關(guān)鍵是需要全面分析生產(chǎn)過程中影響破碎站運行效果的主要因素。本文基于露天礦山生產(chǎn)參數(shù)對破碎效率影響的差異性，運用多元線性回歸的統(tǒng)計方法綜合分析破碎效率的影響因素。

1 破碎站運行情況

我國原煤運輸系統(tǒng)普遍采用半連續(xù)工藝，即電鏟-卡車-半固定破碎站-帶式輸送機組合式工藝系統(tǒng)[6]，但破碎站的運行效果并未達到額定生產(chǎn)能力，甚至低于設(shè)計能力的60%。以中煤平朔安家?guī)X露天礦7 d各班次的平均小時破碎量為例分析影響破碎效率的因素(表1)。

表1 安家?guī)X露天礦各班次的平均小時破碎量Table 1 Average hourly crushing capacity of each shift of Anjialing open pit mine

露天礦生產(chǎn)運行為每天三個班次：夜班(A班)、白班(B班)、晚班(C班)各8 h，安家?guī)X露天礦破碎站采用2臺MMD1000破碎機(一破、二破)，額定生產(chǎn)能力為2 500 t/h。表1中各數(shù)據(jù)代表該班次的平均小時破碎量。破碎效率大都處于1 000～1 800 t/h之間，有時甚至低于1 000 t/h，與2 500 t/h的額定生產(chǎn)能力相距甚遠，嚴重影響了礦山生產(chǎn)任務的完成。導致破碎站實際生產(chǎn)能力較低的原因是多方面的。

1) 環(huán)節(jié)匹配。半連續(xù)是串聯(lián)連接的生產(chǎn)工藝系統(tǒng)，任何環(huán)節(jié)的故障都會對系統(tǒng)造成嚴重影響，前端的卡車運輸能力不足及后端的帶式輸送機的工況限制將導致破碎站長時間處于空轉(zhuǎn)或停機狀態(tài)。

2) 組織管理?？ㄜ囌{(diào)度的不合理性，經(jīng)常造成嚴重的卡車排隊現(xiàn)象，物料供給量不穩(wěn)定導致破碎站長期處于空載、低載或重載的運行狀態(tài)。與此同時，白天卡車檢修以及生產(chǎn)爆破是白班(B班)生產(chǎn)效率最低的主要原因。

3) 設(shè)備工況。破碎站破碎機工況作為主機設(shè)備，其生產(chǎn)能力直接決定了破碎系統(tǒng)的生產(chǎn)能力，但并不是唯一決定因素，還有破碎站系統(tǒng)的布置、料倉及出口形狀等[7]。

4) 人工操作。破碎站給料速度的控制方法是通過操作人員積累實踐經(jīng)驗進行手動調(diào)節(jié)，當卡車集中向受料倉傾倒物料后，操作人員會根據(jù)經(jīng)驗適當提高給料頻率，當料倉料量不足時再降低給料頻率。不同的操作人員在頻率的調(diào)節(jié)次數(shù)與幅度上往往差距很大。

5) 物料性質(zhì)?？酉旅喝肓狭６取⒚禾抠|(zhì)量等物料性質(zhì)都會影響破碎站破碎效率[8]。

在露天礦日常生產(chǎn)過程中，環(huán)節(jié)匹配、組織管理以及設(shè)備工況相對穩(wěn)定。因此，本文就煤炭質(zhì)量、受料倉料位高度、入料粒度、給料頻率對破碎站破碎效率的影響進行多參數(shù)耦合分析。

通過在白音華某露天礦現(xiàn)場實測采集相應數(shù)據(jù)：2臺并聯(lián)式工況相同的破碎站(破碎機型號為MMD1000)分別破碎加權(quán)灰分為25%的優(yōu)質(zhì)煤與36%的劣質(zhì)煤；利用經(jīng)驗法和圖像觀測受料倉料位高度，以滿倉為1、半倉為0.5進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計；根據(jù)爆破效果和采裝過程分析記錄破碎口毛煤入料粒度，以毛煤一維尺寸的最大值作為入料粒度；通過原煤運輸監(jiān)測系統(tǒng)讀取給料頻率數(shù)值；破碎效率可直接由皮帶秤反饋讀數(shù)。 統(tǒng)計得到54組數(shù)據(jù)，見表2。其中，每組數(shù)據(jù)均是在相同測試條件進行10次統(tǒng)計取平均值求得，計算見式(1)。

(1)

表2 破碎效率統(tǒng)計數(shù)據(jù)Table 2 Crushing efficiency statistics

2 單因素分析

為了研究破碎站破碎效率與煤炭質(zhì)量、受料倉料位高度、入料粒度、給料頻率之間的耦合關(guān)系，首先分析單個因素對破碎站破碎效率的影響。通過各影響因素與破碎效率之間的對應關(guān)系最終確定選擇何種方法進行多因素耦合分析[9]。

2.1 煤炭質(zhì)量對破碎效率的影響分析

為了研究煤質(zhì)對破碎效率的影響，利用控制變量法選取相同受料倉料位高度、入料粒度、給料頻率下的優(yōu)質(zhì)煤和劣質(zhì)煤16組破碎效率數(shù)據(jù)進行線性擬合，從而得到煤炭質(zhì)量對破碎效率的影響規(guī)律，如圖1所示。 由圖1可知，線性擬合方程斜率為0.86，說明在同等條件下劣質(zhì)煤的破碎效率是優(yōu)質(zhì)煤的86%，隨著煤炭質(zhì)量的提高，破碎效率也逐漸提高。

圖1 煤炭質(zhì)量與破碎效率的變化關(guān)系Fig.1 Relationship between coal quality and crushing efficiency

2.2 給料頻率對破碎效率的影響分析

為了研究給料頻率對破碎效率的影響，利用控制變量法選取優(yōu)質(zhì)煤、入料粒度為500 mm、受料倉料位高度為1的8組數(shù)據(jù)進行分析對比，從而得到給料頻率對破碎效率的影響規(guī)律，如圖2所示。由圖2可知，隨著給料頻率的提高，破碎效率也逐漸提高。

2.3 受料倉料位高度對破碎效率的影響分析

為了研究受料倉料位高度對破碎效率的影響，利用控制變量法選取優(yōu)質(zhì)煤、入料粒度為500 mm、給料頻率為35 Hz的4組數(shù)據(jù)進行分析對比，從而得到受料倉料位高度對破碎效率的影響規(guī)律，如圖3所示。由圖3可知，隨著受料倉料位高度的增加，破碎效率也逐漸提高。

圖2 給料頻率與破碎效率的變化關(guān)系Fig.2 Relationship between feed frequency and crushing efficiency

圖3 料位高度與破碎效率的變化關(guān)系Fig.3 Relationship between material level height and crushing efficiency

2.4 入料粒度對破碎效率的影響分析

為了研究入料粒度對破碎效率的影響，利用控制變量法選取優(yōu)質(zhì)煤、給料頻率為35 Hz，受料倉料位高度為1的7組數(shù)據(jù)進行分析對比，從而得到入料粒度對破碎效率的影響規(guī)律，如圖4所示。 由圖4可知，隨著給料頻率的增加，破碎效率也逐漸提高。

圖4 入料粒度與破碎效率的變化關(guān)系Fig.4 Relationship between feed size and crushing efficiency

由上述分析可知，破碎站破碎效率隨著煤炭質(zhì)量、給料頻率和受料倉料位高度的增加而提高，且各影響因素與破碎效率之間均為線性關(guān)系。因此，在分析破碎站破碎效率與各影響因素之間的耦合關(guān)系時，可以利用SPSS統(tǒng)計分析軟件對其進行多元線性回歸分析，從而得到破碎效率與各影響因素之間的多元線性回歸方程。

3 多元線性回歸分析

3.1 多元線性回歸分析

通過對單因素影響進行分析可知，每組數(shù)據(jù)中破碎站破碎效率與煤炭質(zhì)量、給料頻率和受料倉料位高度、入料粒度之間均為線性關(guān)系，可以使用多元線性回歸分析方法對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，得到多元線性回歸方程。因多元線性回歸分析法無法對非數(shù)值型數(shù)據(jù)進行處理，將虛擬變量引入模型中，把優(yōu)質(zhì)煤和劣質(zhì)煤分別定量化的表示為1、2。為保證回歸分析效果，隨機選取第3、7、12、17、24、28、35、42、46、51這10組數(shù)據(jù)進行誤差分析，其余數(shù)據(jù)進行多元線性回歸分析，結(jié)果見表3～5。

本文采用逐步回歸法來選取自變量。通過考慮全部自變量對因變量的大小、顯著程度大小或貢獻大小，由大到小逐個引入回歸方程，最終結(jié)果見表3，模型中自變量為給料頻率X1、受料倉料位高度X2、入料粒度X3及煤炭質(zhì)量X4。

表4為模型總結(jié)摘要，給出了多元線性回歸模型選取的自變量分別為a、b、c、d時，各變量間的相關(guān)系數(shù)R、回歸模型的擬合系數(shù)以及調(diào)正后的擬合系數(shù)，并給出標準錯誤。從分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，當回歸模型均為自變量d時相關(guān)系數(shù)R、擬合系數(shù)R2及調(diào)正后的擬合系數(shù)最大，標準錯誤最小，回歸模型調(diào)整后的擬合系數(shù)Adj-R2為0.968，大于0.95，說明回歸模型可解釋數(shù)據(jù)變動的96%，模型的擬合度很高。

表5為多元線性回歸模型的系數(shù)部分，給出了參數(shù)估計及相關(guān)的t檢驗，從該部分的t統(tǒng)計量看，回歸模型的各組相關(guān)系數(shù)所對應的顯著性Sig.均小于0.05，因而應拒絕原假設(shè)，各組回歸系數(shù)是顯著的，即X1、X2、X3及X4對Y有顯著影響。此外，逐步回歸過程中各自變量進入模型的先后次序依次是給料頻率、受料倉料位高度、入料粒度和煤炭質(zhì)量，由此說明給料頻率對破碎效率的影響最大，相對而言煤炭質(zhì)量對破碎效率的影響最小。

表3 已輸入/已除去變量aTable 3 Entered/removed variablesa

注：a為預測變量：(常量)、給料頻率

表4 模型摘要Table 4 Model summary

注：a為預測變量：(常量)、給料頻率；b為預測變量：(常量)、給料頻率、受料倉料位高度；c為預測變量：(常量)、給料頻率、受料倉料位高度、入料粒度；d為預測變量：(常量)、給料頻率、受料倉料位高度、入料粒度、煤炭質(zhì)量

表5 系數(shù)aTable 5 Coefficientsa

注：a為預測變量：(常量)、給料頻率；因變量：破碎效率

于是得到以破碎效率為因變量，給料頻率、受料倉料位高度、入料粒度和煤炭質(zhì)量為自變量的破碎站破碎效率預測的多元線性回歸方程，見式(2)。

Y=1 021.4+41.6X1+550X2-

1.8X3-194.5X4

(2)

式中：Y為破碎站破碎效率，t/h；X1為給料頻率，Hz；X2為受料倉料位高度，以滿倉1、半倉0.5為標準；X3為入料粒度，mm；X4為煤炭質(zhì)量，包括優(yōu)質(zhì)煤和劣質(zhì)煤。

3.2 誤差分析

利用上述兩組多元線性回歸方程對實驗數(shù)據(jù)隨機選取的10組數(shù)據(jù)進行誤差分析。通過與測試得到的破碎效率進行對比后得到了回歸模型的誤差，誤差分析結(jié)果見表6。由表6可知，回歸方程的預測誤差均小于12%，誤差值均在合理范圍內(nèi)，回歸方程的預測結(jié)果比較準確，可以應用于破碎站破碎效率的預測分析。

表6 誤差分析數(shù)據(jù)Table 6 Error analysis data

3.3 破碎站運行過程分析

在露天礦生產(chǎn)運行過程中，坑下毛煤質(zhì)量、粒度是由開采過程中爆破和采裝工序決定的，在進入破碎站時已是確定的。因此，破碎站需要控制給料頻率、受料倉料位高度以及破碎效率三者協(xié)同關(guān)系。對于破碎站生產(chǎn)過程需要注意避免受料倉在卡車卸載物料時是空倉狀態(tài)，卡車卸載時，物料沖擊對輸送機產(chǎn)生的動載荷可能達到物料自身重力的數(shù)倍，導致刮板輸送機鏈條斷裂[10]，降低破碎站運行可靠性，此外還需要考慮帶式輸送機生產(chǎn)能力以及終端儲煤倉的容量。由此可知，在破碎站運行過程中并不是給料頻率越大越好、受料倉料位高度越高越好，控制破碎站運行穩(wěn)定高效需要考慮半連續(xù)串聯(lián)系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)。對于在優(yōu)質(zhì)煤入料粒度為500 mm條件下，給料頻率X1、受料倉料位高度X2以及破碎效率Y進行統(tǒng)計分析可得三者關(guān)系見式(3)。

Y=-60.5+495X1+41X2

(3)

式中：Y為破碎站破碎效率，t/h；X1為給料頻率，Hz；X2為受料倉料位高度，以滿倉1、半倉0.5為標準。

4 結(jié) 論

1) 本文系統(tǒng)地分析了影響露天煤礦破碎站生產(chǎn)效率的因素，將給料頻率、受料倉料位高度、入料粒度和煤炭質(zhì)量與破碎效率建立多元線性回歸模型，為破碎站給料頻率及料倉料位控制提供理論依據(jù)。

2) 破碎效率影響因素的分析對于提高半連續(xù)工藝系統(tǒng)的可靠性，實現(xiàn)整個運輸系統(tǒng)的配置優(yōu)化以及破碎站智能控制與無人值守有重要意義。

3) 半連續(xù)生產(chǎn)工藝系統(tǒng)中的間斷工藝子系統(tǒng)將含有處理能力和卸載容量都有限的破碎站作為物料運輸?shù)慕K點，并且破碎站是連續(xù)工藝系統(tǒng)子系統(tǒng)的起點。需要進一步研究卡車與帶式輸送機對于破碎站破碎效率的影響。