某大型露天礦運(yùn)輸設(shè)備選型研究

齊炎　永學(xué)艷　陳振超　匡勇

〔摘 要〕在雙碳目標(biāo)的大背景下，設(shè)備大型化、低碳化逐步成為建設(shè)現(xiàn)代化數(shù)字礦山和綠色礦山的基礎(chǔ)，使開(kāi)采工藝向節(jié)能、可持續(xù)化發(fā)展，實(shí)現(xiàn)降本增效的目標(biāo)。基于某大型露天礦山的運(yùn)輸設(shè)備選型，對(duì)比了傳統(tǒng)燃油寬體車和新能源電動(dòng)寬體車運(yùn)輸設(shè)備配置方案。結(jié)果表明，傳統(tǒng)燃油寬體車方案在投資上具有明顯優(yōu)勢(shì)，但在年運(yùn)營(yíng)費(fèi)上高于新能源電動(dòng)寬體車方案，最終推薦礦山服務(wù)期內(nèi)費(fèi)用現(xiàn)值較低的新能源電動(dòng)寬體車作為運(yùn)輸設(shè)備，為礦山設(shè)備選型提供參考依據(jù)。

〔關(guān)鍵詞〕露天開(kāi)采；運(yùn)輸方案；設(shè)備選型；費(fèi)用現(xiàn)值；新能源電動(dòng)寬體車

中圖分類號(hào)：TD863 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ｂ文章編號(hào)：1004-4345（2023）05-000１-0４

Research on the Selection of Transport Equipment in a Large Open-pit Mine

QI Yan， YONG Xueyan， CHEN Zhenchao， KUANG Yong

（China Nerin Engineering Co.， Ltd.， Nanchang， Jiangxi 330038， China）

Abstract? Against the backdrop of the dual carbon goal， the large-scale and low-carbon equipment has gradually become the foundation for building modern digital and environment-friendly mines， enabling mining process to develop towards energy conservation and sustainability， and achieving the goal of reducing cost and increasing efficiency. Based on the selection of transport equipment in a large open-pit mine， this paper compares the configuration schemes of traditional fuel-powered wide-bodied vehicles and new energy electric wide-bodied vehicles. The results indicate that the scheme of the traditional fuel-powered wide-bodied vehicle has obvious advantages in capital cost， but has higher annual operating cost than the scheme of the new energy electric wide-bodied vehicle. Finally， the new energy electric wide-bodied vehicles with lower present value of cost during the mine service period is recommended as transport equipment， providing a reference basis for selecting mine equipment.

Keywords? open pit mining; transport scheme; equipment selection; present value of expenses; new energy electric wide-bodied vehicle

在碳達(dá)峰、碳中和的大背景下，新能源已成為傳統(tǒng)行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的發(fā)展方向。隨著國(guó)家對(duì)礦山開(kāi)采的環(huán)保要求越來(lái)越高，大量礦山企業(yè)亟需將耗能高、污染大、噪音大的老舊裝備逐步淘汰更新。大型化、低碳化的礦山設(shè)備能夠幫助礦山降本增效，使開(kāi)采工藝朝著更節(jié)能、可持續(xù)化發(fā)展，是建設(shè)現(xiàn)代化數(shù)字礦山和綠色露天礦山的基礎(chǔ)。

寬體自卸車（以下簡(jiǎn)稱“寬體車”）屬于在礦山運(yùn)輸中一種運(yùn)輸設(shè)備，該車型比普通后八輪自卸車載重更大，比大噸位剛體礦卡更便宜，因此在露天礦山的礦石運(yùn)輸任務(wù)中廣泛應(yīng)用。該設(shè)備若使用燃油車型，排放污染嚴(yán)重，能源消耗巨大。近年來(lái)，采用動(dòng)力電池、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)配套替代燃油動(dòng)力的純電動(dòng)寬體車出現(xiàn)，并已經(jīng)在高海拔礦區(qū)、極寒、重載上下坡、連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)等惡劣工況下經(jīng)歷了嚴(yán)苛考驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排、降本增效的目標(biāo)，成為礦山企業(yè)實(shí)現(xiàn)綠色開(kāi)采的重要途徑之一。然而，當(dāng)前國(guó)內(nèi)絕大部分礦山以柴油燃料作為礦山運(yùn)輸車輛動(dòng)力源的現(xiàn)狀仍沒(méi)有發(fā)生根本性變化，因此在礦山的現(xiàn)代化、數(shù)字化、可持續(xù)法化建設(shè)進(jìn)程中，探討、推廣新能源設(shè)備在礦山建設(shè)中的優(yōu)勢(shì)顯得尤為重要。

1? ?項(xiàng)目背景

某露天礦山位于江西省宜春市，屬剝蝕低山—丘陵地貌類型，總體北高南低，最高點(diǎn)位于區(qū)內(nèi)北部明鳳壇附近，海拔高度為980 m，最低點(diǎn)位于區(qū)內(nèi)南部沖溝，海拔高度380 m，相對(duì)高差600 m。區(qū)內(nèi)總資源量約1.25億t，平均品位w（Al2O3）為15.25%，w（Fe2O3）為0.90%，w（Ti2O）為0.04%，w（Li2O）為0.26%，開(kāi)采對(duì)象是含鋰瓷土礦。區(qū)內(nèi)主要礦體位于當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面以上，部分礦體位于最低自流排泄面標(biāo)高以下。主要充水含水層為基巖裂隙含水層，富水性弱，透水性差，構(gòu)造不發(fā)育；地下水補(bǔ)給主要為大氣降水；第四系覆蓋層面積小且?。凰牡刭|(zhì)邊界條件簡(jiǎn)單。礦區(qū)地形地貌簡(jiǎn)單，巖性較單一，以半堅(jiān)硬—堅(jiān)硬塊狀結(jié)晶巖類為主，少量為軟弱碎裂—塊狀結(jié)晶巖類及松散軟弱巖組；天然狀態(tài)下邊坡穩(wěn)固性較好，不易發(fā)生礦山工程地質(zhì)問(wèn)題。

礦山計(jì)劃生產(chǎn)礦石9 900 kt/a，總服務(wù)年限約11 年，考慮到該礦山60%的資源均在封閉圈以上，礦巖運(yùn)輸多為重載下坡，為降低礦山生產(chǎn)成本，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，本文擬提出兩種運(yùn)輸設(shè)備選型方案，綜合考慮設(shè)備投資、年經(jīng)營(yíng)成本和折舊年限等因素后，推薦適合該礦體開(kāi)采的最優(yōu)礦巖運(yùn)輸設(shè)備。

2? ?終了境界的確定

本文采用MineSight礦業(yè)軟件建立相應(yīng)的礦床地質(zhì)模型。依據(jù)項(xiàng)目擬采用的采選工藝，選取合理的技術(shù)及經(jīng)濟(jì)參數(shù)，按照凈現(xiàn)值最大的原則，得出理論上最優(yōu)的露天開(kāi)采境界[3]。

基于圈定境界的參數(shù)，確定了最終開(kāi)采境界。露天開(kāi)采終了境界采出礦石9 694.38 萬(wàn)t（探明+控制級(jí)別資源利用系數(shù)為100%，推斷級(jí)別資源利用系數(shù)為75%），平均地質(zhì)品位w（Li2O）為0.260%，w（Al2O3）為15.26%，w（Ti2O）為0.038%，w（Fe2O3）為0.90%。境界內(nèi)剝離量為4 692.2萬(wàn)t，平均剝采比為0.48 t/t。露天境界三維視圖如圖1所示。

礦石量主要集中分布在414～618 m臺(tái)階間，礦石量約為7 186.65萬(wàn)t（平均臺(tái)階礦石量約400萬(wàn)t，臺(tái)階數(shù)為18個(gè)），占采出礦石總量的74%。采場(chǎng)內(nèi)礦石平均運(yùn)距約為1.41 km，廢石運(yùn)距約為1.49 km。在礦石出入溝498 m以上的礦石量為57 714.33 萬(wàn)t，占采出礦石總量的60%；在廢石出入溝582 m以上的廢石量為1 966.55 萬(wàn)t，占廢石總量的42%，重載下坡工況下的礦巖運(yùn)輸量占境界內(nèi)采剝總量的54%。因此，結(jié)合境界內(nèi)的采剝量和礦巖分布規(guī)律，選擇運(yùn)輸設(shè)備時(shí)，主要對(duì)燃油寬體車和純電動(dòng)寬體車進(jìn)行選型。

3? ?開(kāi)拓運(yùn)輸方案的選擇

本礦區(qū)地形起伏大，溝谷發(fā)育，區(qū)內(nèi)北部和東北部高，境界最高開(kāi)采點(diǎn)標(biāo)高+740 m，境界西部地形低，西端最低點(diǎn)標(biāo)高為+406 m 。終了境界呈東西向—南北向的倒“L”型。擬定的選廠位于采場(chǎng)東南側(cè)，與采場(chǎng)出入溝口直線距離為6 km，擬定的廢石場(chǎng)位置緊鄰采場(chǎng)東北部，運(yùn)距較近。礦石出入溝口位于采場(chǎng)東南側(cè)，標(biāo)高為+498 m，廢石出入溝口位于采場(chǎng)東側(cè)中部，標(biāo)高為+582 m。采場(chǎng)（+498 m標(biāo)高）與選廠間（+160 m標(biāo)高）地形崎嶇，絕對(duì)高差約340 m，其間地勢(shì)起伏較大，需穿過(guò)標(biāo)高為100 m低凹段。采場(chǎng)與選廠間有永久耕地和林地及其他礦權(quán)，開(kāi)拓運(yùn)輸系統(tǒng)的布置受用地條件制約嚴(yán)重。境界內(nèi)礦、廢石平均運(yùn)距都在3 km內(nèi)。

結(jié)合礦石、廢石開(kāi)拓運(yùn)輸條件，初步可考慮的礦石開(kāi)拓運(yùn)輸方案如下：方案Ⅰ（公路開(kāi)拓+全汽車方案），修筑從采場(chǎng)至選廠運(yùn)輸?shù)缆罚V石由汽車運(yùn)至選廠；方案Ⅱ（采場(chǎng)公路+汽車+粗碎+膠帶運(yùn)輸方式），采場(chǎng)內(nèi)采用公路開(kāi)拓，礦石由汽車運(yùn)至采場(chǎng)外破碎站粗碎后，再由膠帶運(yùn)至選廠；方案Ⅲ（采場(chǎng)公路+汽車+粗碎+溜井+膠帶運(yùn)輸），采場(chǎng)內(nèi)采用公路開(kāi)拓，礦石由汽車運(yùn)至采場(chǎng)外破碎站粗碎后卸入溜井，再由膠帶運(yùn)至選廠。

按照投資、運(yùn)營(yíng)費(fèi)用低，建設(shè)期短，報(bào)批簡(jiǎn)易等方案選擇原則進(jìn)行分析：

1）由于采場(chǎng)與選廠運(yùn)距較遠(yuǎn)，如采用方案Ⅰ，初步估計(jì)運(yùn)距在10 km以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于汽車經(jīng)濟(jì)合理運(yùn)距（3 km），且汽車運(yùn)輸?shù)倪\(yùn)營(yíng)費(fèi)明顯高于膠帶運(yùn)輸，所以該方案不予推薦。

2）本項(xiàng)目年礦石運(yùn)量大（990萬(wàn)t/a），運(yùn)距較遠(yuǎn)，且運(yùn)輸高差大，所以非常適合采用膠帶運(yùn)輸。因此采用方案Ⅱ，運(yùn)營(yíng)成本低、效率高、安全性好，建設(shè)時(shí)間相對(duì)短，膠帶運(yùn)輸?shù)膬?yōu)勢(shì)隨運(yùn)量和運(yùn)距的增加越發(fā)凸顯。目前擬定礦石破碎站位于采場(chǎng)出入溝口東側(cè)，距離約0.2 km，所以礦石運(yùn)出采場(chǎng)后即可卸礦，提高項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益。根據(jù)膠帶布置的總體線路，部分膠帶下行可利用礦石勢(shì)能發(fā)電，進(jìn)一步提升膠帶運(yùn)輸?shù)慕?jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。所以推薦采用方案Ⅱ的運(yùn)輸方式。

3）盡管方案Ⅲ能發(fā)揮膠帶運(yùn)輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)，但存在井巷工程量大、建設(shè)周期長(zhǎng)、井巷工程位于礦權(quán)區(qū)外、用地報(bào)批難等弊端，與本項(xiàng)目快速建成的指導(dǎo)思想相悖，所以也不予考慮。

4? ?運(yùn)輸設(shè)備方案比較

綜合分析方案Ⅱ的運(yùn)輸方式與終了境界內(nèi)礦巖量分布、出入溝口位置等條件，在確定寬體車額定載重量的前提下，考慮燃油寬體車和純電動(dòng)寬體車兩種不同的運(yùn)輸設(shè)備方案。

4.1? 載重型號(hào)的確定

根據(jù)本項(xiàng)目建設(shè)特點(diǎn)，結(jié)合生產(chǎn)進(jìn)度計(jì)劃，以生產(chǎn)第6年為計(jì)算年。當(dāng)年的廢石剝離量為采礦量的６０％，因此采礦量和剝離量差別不大，可以運(yùn)輸設(shè)備以及匹配的鏟裝設(shè)備都可以采用同型號(hào)。設(shè)備選型遵循選用適度先進(jìn)的設(shè)備以提高生產(chǎn)效率的原則，推薦選用額定載質(zhì)量60 t的自卸汽車運(yùn)輸?shù)V石和廢石。

根據(jù)編制的采剝進(jìn)度計(jì)劃，礦山計(jì)算年采礦量為990萬(wàn)t，剝離量為570萬(wàn)t。采用公式（1），按不均勻系數(shù)為1.1，每班有效作業(yè)時(shí)間為6.5 h，運(yùn)輸?shù)缆沸熊嚸芏葹?0輛/h，選用的二級(jí)礦山道路通過(guò)能力足以滿足要求，選擇載質(zhì)量60 t級(jí)自卸汽車是合理的。

式中：N為道路單向車輛行車密度，輛/h；Q為通過(guò)某區(qū)段的年運(yùn)量，t；K為運(yùn)輸不均勻系數(shù)；S為班工作小時(shí)數(shù)，h；C為每天工作班數(shù)； H為年工作天數(shù)，d；G為自卸汽車額定載質(zhì)量，t；K1為汽車載重利用系數(shù)；K2為時(shí)間利用系數(shù)。

根據(jù)運(yùn)輸量，擬選用28臺(tái)載質(zhì)量60 t級(jí)礦用自卸汽車運(yùn)輸?shù)V巖。以下在此基礎(chǔ)上，對(duì)燃油寬體車和新能源純電動(dòng)寬體車進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合比選。不同方案中，輔助設(shè)備按統(tǒng)一型號(hào)、數(shù)量進(jìn)行配備，為不可比項(xiàng)。

4.2? 燃油及純電動(dòng)車型方案比選

1）燃油寬體車方案。燃油寬體車市場(chǎng)運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，工藝穩(wěn)定，適應(yīng)性強(qiáng)，設(shè)備購(gòu)置費(fèi)低。燃料來(lái)源主要為石油，儲(chǔ)量豐富且易獲取，因此能源來(lái)源相對(duì)穩(wěn)定，續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)。但燃油寬體車易發(fā)生故障，燃油、剎車損耗和輪維修保養(yǎng)費(fèi)用較大，運(yùn)營(yíng)費(fèi)用高，運(yùn)營(yíng)成本易受油價(jià)的波動(dòng)影響。在深凹露天礦中燃油寬體車的尾氣也會(huì)造成露天采場(chǎng)的大氣污染。

2）純電動(dòng)寬體車方案。純電動(dòng)寬體車為新能源類設(shè)備，市場(chǎng)運(yùn)行時(shí)間短，電池續(xù)航受極端天氣影響大，電池壽命短，設(shè)備購(gòu)置費(fèi)高，電動(dòng)寬體車目前依然處于產(chǎn)業(yè)化前期。但隨著國(guó)家大力倡導(dǎo)環(huán)境保護(hù)，純電動(dòng)寬體車也具有廣闊的運(yùn)用前景，是未來(lái)發(fā)展的主流趨勢(shì)。且電動(dòng)車行駛過(guò)程不產(chǎn)生尾氣，對(duì)礦山環(huán)境更加友好，對(duì)改善空氣質(zhì)量和減緩氣候變化具有積極作用。另外，相比傳統(tǒng)的燃油寬體車，純電動(dòng)寬體車電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作噪音低，具有電反饋制動(dòng)功能，對(duì)車輛的輪胎、剎車損耗小，重載下坡工況甚至可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)工作不充電，沒(méi)有發(fā)動(dòng)機(jī)維修保養(yǎng)費(fèi)用，電能價(jià)格穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)費(fèi)用低。

通過(guò)對(duì)燃油寬體車方案和純電動(dòng)寬體車方案進(jìn)行定性比較，可以得出以下結(jié)論：燃油寬體車方案設(shè)備投資相對(duì)較小，即購(gòu)買和安裝燃油引擎的成本較低。然而，在生產(chǎn)和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，燃油寬體車方案的成本較高。燃油寬體車需要購(gòu)買燃油，這可能會(huì)受到燃油價(jià)格波動(dòng)的影響，增加運(yùn)營(yíng)成本。此外，燃油寬體車通常需要進(jìn)行維護(hù)和保養(yǎng)，這也會(huì)增加運(yùn)營(yíng)成本。純電動(dòng)寬體車方案則存在不同的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)。首先，純電動(dòng)寬體車可以利用重載下坡的工況實(shí)現(xiàn)能量回收，降低能耗，提高能源利用效率。這意味著在適當(dāng)?shù)臈l件下，純電動(dòng)寬體車的能耗可能相對(duì)較低。然而，純電動(dòng)寬體車的設(shè)備投資較高，即購(gòu)買和安裝電池和電動(dòng)機(jī)的成本較高。此外，電動(dòng)車的充電基礎(chǔ)設(shè)施也需要投入建設(shè)成本。

綜上所述，燃油寬體車方案在設(shè)備投資方面較為經(jīng)濟(jì)，但在運(yùn)營(yíng)成本方面較高。純電動(dòng)寬體車方案則具有能量回收和較低能耗的優(yōu)勢(shì)，但設(shè)備投資較高。兩種方案各自都有可選條件，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行綜合考量，以選擇最適合的方案。兩種方案的投資、運(yùn)營(yíng)和技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較結(jié)果如表1所示。

由表1可知，與方案Ⅰ相比，方案Ⅱ的可比費(fèi)用現(xiàn)值較低，故方案Ⅱ在經(jīng)濟(jì)上較優(yōu)。

本文認(rèn)為，在礦巖運(yùn)輸屬重載下坡工況下，新能源電動(dòng)寬體自卸車能充分發(fā)揮其在環(huán)境友好、能源高效利用和低運(yùn)營(yíng)成本等方面的優(yōu)勢(shì)，因此推薦采用純電動(dòng)寬體自卸車作為運(yùn)輸設(shè)備。

5? ?結(jié)論

本文通過(guò)運(yùn)輸設(shè)備選型比較研究，認(rèn)為純電動(dòng)寬體車運(yùn)營(yíng)成本少、費(fèi)用現(xiàn)值費(fèi)用低、綜合效益較優(yōu)，符合新形勢(shì)下的環(huán)保、安全等政策要求，能為礦山綠色、安全、高效、節(jié)能開(kāi)采提供了有力的支撐[4-5]。雖然，純電動(dòng)寬體自卸車存在極端天氣下續(xù)航里程受限、充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)還不完善以及充電時(shí)間較長(zhǎng)等缺點(diǎn)，一定程度上限制了該類車型的推廣與應(yīng)用。但是隨著關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)、電池技術(shù)的不斷發(fā)展、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷完善，在雙碳戰(zhàn)略及國(guó)家新能源政策的推進(jìn)下，純電動(dòng)寬體車必將逐漸取代燃油寬體車必然成為未來(lái)礦山的發(fā)展趨勢(shì)。

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收稿日期：2023-01-16

資助項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目（編號(hào)：52034001）；江西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（編號(hào)：20202BBG73001）

通信作者：齊炎（1995—），男，工程師，主要從事有色金屬礦山開(kāi)采設(shè)計(jì)與研究等工作。