露天礦雙能源卡車運(yùn)輸技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

王忠鑫，趙丹丹，趙 明，王金金，曾祥玉

（1.中煤科工集團(tuán)沈陽設(shè)計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110015；2.煤炭科學(xué)研究總院 沈陽露天采礦技術(shù)研究分院，遼寧 沈陽 110015；3.遼寧力康職業(yè)衛(wèi)生與安全技術(shù)咨詢服務(wù)有限公司，遼寧 沈陽 110000）

在露天開采工藝系統(tǒng)穿孔、爆破、采裝、運(yùn)輸、卸載等5 大環(huán)節(jié)中，礦巖運(yùn)輸是最重要的環(huán)節(jié)之一，運(yùn)輸成本一般占露天礦生產(chǎn)總成本的50%～60%[1]，部分露天礦的運(yùn)輸成本在露天礦生產(chǎn)總成本中的比例甚至已經(jīng)超過了60%[2-4]。因此，露天開采運(yùn)輸技術(shù)的研究一直是國內(nèi)外露天采礦領(lǐng)域的重點(diǎn)研究課題。露天礦常用的運(yùn)輸方式有卡車運(yùn)輸和帶式輸送機(jī)運(yùn)輸2 種，還有水力運(yùn)輸、爆破拋擲、倒堆等方式。由于卡車運(yùn)輸具有機(jī)動靈活、工況適應(yīng)性強(qiáng)、運(yùn)輸系統(tǒng)建設(shè)周期短等特點(diǎn)，一直以來是我國露天礦運(yùn)輸?shù)闹鲗?dǎo)方式，每年由卡車完成的礦巖運(yùn)輸量約占全國露天礦采剝總量的85%以上。

雙能源卡車最早出現(xiàn)在美國的一家水泥公司，由于1956 年的蘇伊士運(yùn)河危機(jī)，全球石油供應(yīng)量突然減少了10%，導(dǎo)致美國石油價格暴漲，柴油價格也隨之上漲，為了應(yīng)對高昂的柴油價格，降低運(yùn)輸成本，該公司將載重30 t 的機(jī)械傳動自卸卡車改造為架線式運(yùn)輸卡車，由此開創(chuàng)了雙能源卡車應(yīng)用的先河[5]。20 世紀(jì)70—80 年代，美國、加拿大和南非等國的一些金屬礦和煤礦也相繼對傳統(tǒng)的燃油卡車進(jìn)行改造，并將其應(yīng)用于露天礦運(yùn)輸，當(dāng)時，由于技術(shù)和改造成本的限制，雙能源卡車并未實現(xiàn)大范圍的推廣應(yīng)用。

1 技術(shù)研究現(xiàn)狀

1.1 架線輔助系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)

1）David M.Lake 等[6]（1982）、R.Laing[7]（1983）、楊棣等[8]（1999）分析了柴油持續(xù)價格上漲和供應(yīng)的不可靠性對露天礦生產(chǎn)的約束，提出了解決該問題的一個途徑是柴油電動輪卡車采用架線供電。架線輔助系統(tǒng)主要的設(shè)計技術(shù)要求：①卡車坡道的最大有效坡度為10%；②在重載運(yùn)行期間最小的架線車速為10 km/h；③路面與架空導(dǎo)線之間的高度差為±0.5 m；④卡車允許偏離架線中心線的距離為1.0 m；⑤曲率半徑須在容許的偏離距離之內(nèi)，允許最小車速為10 km/h；⑥不允許在急轉(zhuǎn)彎段設(shè)置架空線路。

2）周也寧[9]（1994）和文世蕓[5]（1996）先后研究了架線輔助系統(tǒng)的架空電源線路、車載集電器和輔助電氣系統(tǒng)等各構(gòu)成要素的工作原理，凝練提出了架線輔助系統(tǒng)的適用條件：①物料需要從低處向高處運(yùn)輸；②電力和燃油的單價處于合理比值；③主要適用于深凹露天礦開采；④架線斜坡道是露天礦卡車運(yùn)輸?shù)闹饕ǖ?，并在較長的時期內(nèi)不須移設(shè)。

3）架線輔助系統(tǒng)在設(shè)計過程中需遵循的基本原則：①架線輔助雙能源卡車和柴油單動力卡車因運(yùn)行速度不同，不得同時在同一線路上運(yùn)行，須為2 種車型單獨(dú)設(shè)置專用線路；②同一坡道運(yùn)輸線路，從坑底到地面的坡度要保持一致；③運(yùn)輸線路路面與架空線的距離變化不能超過±3%，以保證集電器正常工作，并達(dá)到預(yù)期使用壽命；④架空線路不得設(shè)計在其他采礦設(shè)備經(jīng)過的線路上；⑤架空線路必須是半永久性的（相對固定）；⑥架空線路不可急轉(zhuǎn)彎，轉(zhuǎn)彎半徑必須大于100 m；⑦架空線路的出入口必須設(shè)置在水平段路段上；⑧架空線路不可靠近采場爆破區(qū)域。

4）王忠鑫等[10]（2020）在前人提出的設(shè)計原則和技術(shù)要求基礎(chǔ)上，提出了卡車重載上坡過程的力學(xué)關(guān)系模型，卡車重載上坡力學(xué)關(guān)系模型如圖1；研究揭示了雙能源卡車在架線坡道上的速度變化規(guī)律，卡車在架線坡道上的速度變化規(guī)律如圖2，研究結(jié)果顯示：雙能源卡車為上坡減速過程，傳統(tǒng)卡車為"上坡減速-平路加速-坡減速" 的循環(huán)過程。單個坡道內(nèi)雙能源卡車上坡速度降低慢，上坡平均速度24.43 km/h，相比傳統(tǒng)卡車平均速度15.86 km/h，增加了54.04%，運(yùn)輸效率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)卡車；分別建立了凸形豎曲線、凹形豎曲線及平面曲線的道路曲線方程，提出了各類曲線道路參數(shù)的設(shè)計優(yōu)化模型及計算方法。

圖1 卡車重載上坡力學(xué)關(guān)系模型

圖2 卡車在架線坡道上的速度變化規(guī)律

1.2 雙能源卡車適應(yīng)性評價技術(shù)

S 弗利曼等[11]（1995）研究了澳大利亞某大型露天礦采用架線輔助運(yùn)輸系統(tǒng)的可行性，確定了該礦山可以采用架線輔助運(yùn)輸系統(tǒng)時的特定條件是柴油價格與電價比值大于6。還研究了油價、電價、投資額、折現(xiàn)率、卡車?yán)寐室约百Y金回收率等因素對采用架線輔助運(yùn)輸系統(tǒng)后工程凈現(xiàn)值的敏感性，研究結(jié)果表明：柴油的價格對工程凈現(xiàn)值的影響最明顯，其它因素不變，其價格每上漲10%，工程凈現(xiàn)值相應(yīng)增加50%；其次，影響最大的因素是電價，其值每變化10%，工程凈現(xiàn)值就變化30%。王忠鑫等[12]（2019）針對油-電雙能源卡車在露天礦的適用性評價難題，分析了構(gòu)成運(yùn)輸成本的要素，建立了各要素成本的計算方法，構(gòu)建了考慮環(huán)境成本的露天礦油-電雙能源卡車適用性通用評價模型。評價原理是根據(jù)其運(yùn)行成本Cs與傳統(tǒng)卡車運(yùn)行成本Ck的差值△C 來確定，當(dāng)△C≤0 時，則表明雙能源卡車在該礦山是適用的，當(dāng)△C＞0 時，則表明雙能源卡車在該礦山是不適用的。

以某露天礦為例進(jìn)行了實證研究，結(jié)果表明，采用雙能源卡車高效運(yùn)輸系統(tǒng)后總能源消耗費(fèi)用降幅為58.5%，環(huán)境成本降幅為73.97%，總成本降幅達(dá)15.40%，經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益均十分顯著，雙能源卡車在該露天礦是適用的。敏感性分析結(jié)果表明，雙能源卡車運(yùn)輸成本對爬坡運(yùn)距占比和油價較敏感。

1.3 應(yīng)用研究及效果預(yù)測

B J 沃斯特[13]（1986）對南非錫興鐵礦應(yīng)用架線輔助系統(tǒng)進(jìn)行礦巖運(yùn)輸?shù)目尚行赃M(jìn)行研究，研究結(jié)果表明，該系統(tǒng)在技術(shù)上是可行的，在經(jīng)濟(jì)上是合理的，預(yù)計錫興鐵礦在應(yīng)用該系統(tǒng)后，現(xiàn)金流轉(zhuǎn)貼現(xiàn)收益超過50%，10 年內(nèi)柴油消耗將減少1.2 億L。西羅特金等[14]（1992）研究了穆龍?zhí)章短斓V采用架線汽車運(yùn)輸?shù)V巖的方案，并預(yù)測了使用后的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。段家典[15]（1992）研究了載重100 t 級自卸卡車的牽引特性。

T Taylor 等[16]（1998）以美國內(nèi)華達(dá)州Barrick 公司Goldstrike 礦運(yùn)輸系統(tǒng)為研究對象，闡述了架線輔助運(yùn)輸系統(tǒng)的工作狀態(tài)，分析了架線輔助運(yùn)輸系統(tǒng)能夠給礦山帶來的經(jīng)濟(jì)和社會效益，從運(yùn)輸汽車的改造、架線安裝和架線直流變電站3 個方面研究了將原有的設(shè)備運(yùn)輸系統(tǒng)改造成架線輔助運(yùn)輸系統(tǒng)的技術(shù)路線。段文權(quán)等[17]（2008）對露天礦的幾種基本運(yùn)輸方式進(jìn)行介紹，并根據(jù)南非某礦的實際開采條件，初步確定了該礦采用單一汽車運(yùn)輸方式；介紹了柴油-架線雙能源汽車運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)，通過對普通電動輪卡車與柴油-架線雙能源汽車進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，確定了在南非某礦使用雙能源汽車運(yùn)輸?shù)目尚行耘c優(yōu)越性。鐘志波等[18]（2008）對卡車架線輔助供電系統(tǒng)進(jìn)行介紹，分析了優(yōu)缺點(diǎn)，并對其在南非、北美等一些露天礦進(jìn)行礦巖運(yùn)輸時的情況進(jìn)行分析，闡述了卡車架線輔助供電系統(tǒng)的建設(shè)條件，并對其在寶日希勒露天礦的應(yīng)用情況和實施方案進(jìn)行了詳細(xì)的分析，對寶日希勒露天礦應(yīng)用卡車架線輔助供電系統(tǒng)的效益進(jìn)行預(yù)測。丁新啟等[19]（2014）在分析安家?guī)X露天礦柴油-電動輪卡車在過背斜期間因卡車運(yùn)距和提升高度的急劇增加導(dǎo)致運(yùn)輸能力下降、運(yùn)輸成本增加的基礎(chǔ)上，結(jié)合架線輔助雙動力卡車的運(yùn)輸特點(diǎn)，論證了安家?guī)X露天礦在過背斜期間采用架線輔助雙動力卡車進(jìn)行礦巖運(yùn)輸?shù)目赡苄裕⒌贸鼋Y(jié)論：安家?guī)X露天礦在過背斜期間采用架線輔助雙動力卡車進(jìn)行礦巖運(yùn)輸，不僅可以顯著的提高卡車重載爬坡速度，提高了運(yùn)輸能力，還實現(xiàn)了重載上坡段以電代油，降低燃油消耗，節(jié)約了運(yùn)輸成本，顯著降低了年運(yùn)營成本；同時根據(jù)架線輔助運(yùn)輸系統(tǒng)布置要求，對端幫運(yùn)輸系統(tǒng)進(jìn)行了合理規(guī)劃。王君[20]（2016）以長山壕金礦為工程背景，從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)層面對架線式電動輪汽車在大型露天礦山的應(yīng)用情況進(jìn)行詳細(xì)分析，工程應(yīng)用不僅可提高汽車運(yùn)輸能力及設(shè)備使用壽命，還可顯著降低運(yùn)輸成本，新增投資返本僅0.72 年，每年生產(chǎn)提高經(jīng)濟(jì)利潤1.05 億元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

2 技術(shù)發(fā)展趨勢

2.1 架線雙能源卡車運(yùn)輸系統(tǒng)整體優(yōu)化理論

從國內(nèi)外關(guān)于雙能源卡車的研究現(xiàn)狀綜述可知，國外關(guān)于雙能源卡車的研究起步較早，但發(fā)展緩慢，研究成果大多集中在特定礦山的應(yīng)用試驗或者可行性論證等層面。國內(nèi)關(guān)于雙能源卡車的研究起步稍晚，研究成果大多是關(guān)于特定礦山應(yīng)用情況的分析和前景預(yù)測。但雙能源卡車與傳統(tǒng)卡車的工作原理、適用條件和技術(shù)要求有著較大的區(qū)別，必須根據(jù)設(shè)備的特點(diǎn)和技術(shù)要求布置運(yùn)輸系統(tǒng)，并與礦山的開采程序、開采工藝、設(shè)備配置以及排土規(guī)劃等主要露天礦設(shè)計要素相結(jié)合，進(jìn)行整體優(yōu)化。重點(diǎn)從系統(tǒng)角度研究雙能源卡車高效運(yùn)輸系統(tǒng)的設(shè)計理論體系入手，進(jìn)而解決雙能源卡車高效運(yùn)輸系統(tǒng)與其它工藝系統(tǒng)的配合及綜合優(yōu)化等問題，形成了離散、非線性現(xiàn)金流條件下的大型露天礦雙能源卡車高效運(yùn)輸系統(tǒng)整體優(yōu)化方法，使雙能源卡車的優(yōu)勢得以充分發(fā)揮，實現(xiàn)“降本增效、低碳環(huán)保”的目標(biāo)。

2.2 急傾斜露天礦架線卡車道路設(shè)計技術(shù)

我國新疆、青海、內(nèi)蒙古烏海、云貴等地區(qū)分布有大量開采急傾斜煤層的中小型露天礦，受到開采條件和煤層賦存條件的限制，這些露天礦普遍采用沿著煤層露頭拉溝綜采的開采方式，首采分區(qū)無法實現(xiàn)內(nèi)排，開拓運(yùn)輸系統(tǒng)采用卡車固定直進(jìn)式坑線布置方式。剝離和采煤工程卡車大部分時間均處于重車上坡的狀態(tài)。露天礦卡車固定爬坡坑線長度占卡車總運(yùn)距的比例約為73%。上述場景符合架線雙能源卡車應(yīng)用的基本條件，具有很大的推廣應(yīng)用空間。應(yīng)針對該類應(yīng)用場景下卡車道路的設(shè)計方法、關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化、道路延深、采區(qū)接續(xù)時的道路移設(shè)等關(guān)鍵技術(shù)問題，開展深入研究。

2.3 中小型架線礦用卡車裝備研發(fā)

目前，國內(nèi)外試驗和應(yīng)用的架線礦用卡車基本均為100 t 級載重以上的重型電動輪卡車，對其線控系統(tǒng)進(jìn)行改造后加以應(yīng)用。主要存在以下問題：①大噸位重型卡車在我國中小型露天礦應(yīng)用較少，主要原因是中小型露天礦的采剝工程量規(guī)模、采場空間、開采條件等不能適應(yīng)大型礦用卡車的運(yùn)行技術(shù)要求，因此，該技術(shù)難以在國內(nèi)推廣應(yīng)用；②中小型露天礦廣泛采用載重30～70 t 的礦用寬體自卸卡車，設(shè)備造價低、性價比較高、初期投資小、機(jī)動靈活、對空間、開采條件、氣候、維修保障等的要求較低，但目前尚無該類礦用卡車的架線式產(chǎn)品。雖然已經(jīng)有關(guān)于純電動礦用卡車的試制產(chǎn)品，但在電池續(xù)航能力、快速充電、設(shè)備重量等多方面技術(shù)難題尚未突破，難以形成可靠裝備用于露天礦的生產(chǎn)場景。因此，目前來看最具可操作性的途徑是根據(jù)礦山企業(yè)的實際需求，研發(fā)中小型架線礦用卡車，預(yù)期可在我國開采急傾斜煤層的中小型露天礦得到推廣應(yīng)用。

3 結(jié)語

目前，我國正在設(shè)計和建設(shè)的10 Mt/a 以上規(guī)模的大型特大型露天煤礦有50 多座，平均開采深度130 m，卡車的坑內(nèi)平均運(yùn)輸距離2.2 km，加上地面運(yùn)距，早已超過了卡車的經(jīng)濟(jì)合理運(yùn)距。且我國大多數(shù)大型冶金露天礦山已進(jìn)入了中后期開采，現(xiàn)有的20 余座大型冶金露天礦山中，已有17 座露天礦山由山坡開采轉(zhuǎn)入凹陷開采，最大凹陷開采深度已經(jīng)達(dá)到400 m。進(jìn)入深部開采后，卡車運(yùn)輸距離加長，重載上坡運(yùn)距增加，運(yùn)輸效率降低，運(yùn)輸成本增加，導(dǎo)致生產(chǎn)成本急劇上升，經(jīng)濟(jì)效益迅速下滑。架線雙能源卡車解決了傳統(tǒng)卡車重車上坡過程中速度低、爬坡能力小、安全性差、燃油消耗量大等系列問題，具有一定的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，特別是在開采急傾斜煤層的露天礦，其優(yōu)勢更加明顯。