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l46 机电与自动控制 黄 金 GOLD 2016 年第 4 期/ 第37 卷 架线式电动轮汽车在长山壕金矿设计中的应用 收稿日期2016 - 02 - 22 作者简介王君(1964),男,黑龙江鸡西人,高级工程师,从事露天开采技术研究;长春市南湖大路 4726 号,长春黄金设计院,130012;E- mail 1604948129*qq. com 王君 (长春黄金设计院) 摘要随着露天采矿技术的发展以及人们节能环保意识的提高,架线式电动轮汽车在国外大型 露天矿、水电建设等大型土石方工程中被越来越多的应用。 以长山壕金矿为工程背景,从技术和经 济层面对架线式电动轮汽车在大型露天矿山的应用情况进行详细分析,工程应用不仅可提高汽车 运输能力及设备使用寿命,还可显著降低运输成本,新增投资返本仅 0. 72 a,生产每年提高经济利 润 1. 05 亿元,经济效益显著。 关键词 露天开采;开拓运输;架线式;电动轮汽车 中图分类号TD 57文章编号1001 - 1277(2016)04 - 0046 - 05 文献标志码Adoi10. 11792/ hj20160411 架线式电动轮汽车在国外大型露天矿、水电建设 等大型土石方工程中均有广泛应用,但在国内却处于 空白状态,其显著的经济效益,卓越的节能环保性能, 具有极高的推广应用价值。 内蒙古太平矿业有限公司长山壕金矿(下称“长 山壕金矿”)为特大型露天开采金矿,开拓运输方式 为单一汽车运输,汽车选用 220 t 电动轮自卸汽车。 这种特大型电动轮自卸汽车在中国特大型露天矿山 生产中已经得到广泛地应用,但仅限于单纯柴油动力 驱动;这种特大型的矿用汽车可以配备架线式供电系 统,其动力直接由外线电力供应,具有极强的技术先 进性,能够极大地降低矿山生产运输成本,大幅度提 高生产效率,具有卓越的节能环保性能。 1电动轮汽车及架线式电动轮汽车简介 1. 1电动轮汽车 电动轮汽车的工作原理与普通汽车不同,其工作原 理主要为汽车的每个车轮本身为一个电动机,轮轴为电 动机定子,车轮为转子,电力由柴油发动机提供。 电动 轮自卸汽车为大型土石方运输汽车,其装载能力 108 t 以上,国产电动轮自卸汽车最大装载能力为400 t。 1. 2架线式电动轮汽车系统 架线式电动轮汽车动力由架线辅助供电系统提 供,由于外线提供的动力更加强劲,可以大幅度提高 汽车工作效率及降低运行成本。 架线辅助供电系统 曾在20 世纪70 年代南非得到较多应用,其主要原因 是石油禁运和相对便宜的电价;80 年代的能源危机, 也使架线辅助供电系统应用得到了进一步的发展,从 而减少了能源消耗。 最初的系统主要由矿山内部工 程技术人员开发,因为当时没有哪个厂家提供现成的 设备。 而今天,许多的矿用卡车制造商都可以提供原 厂的架线辅助供电版本的车型 [1] 。 除了经济性的要求之外,也有一些矿山为了其他 目的(如降低噪声和污染等)使用架线辅助供电系 统,包括 Barrick Mine 和澳大利亚新南威尔士的 Mount Arthur North 煤矿等 [2] 。 架线式电动轮自卸汽 车在矿山的应用实景见图1。 图 1架线式电动轮自卸汽车现场应用照片 2矿床特征及开采设计 长山壕金矿位于内蒙古自治区乌拉特中旗新忽 热苏木北10 km 的浩尧尔忽洞地区。 南距包头市约 210 km,属于低品位特大型金矿山。 长山壕金矿于 2007 年10 月投产,开采方式为露天开采,露天境界 分为东境界和西境界,生产规模为 20 000 t/ d。 2014 年扩建工程新增生产能力 20 000 t/ d。 2014 年西境 2016 年第4 期/ 第37 卷 机电与自动控制l47 界生产接近尾声,扩建工程主要为东境界,扩建后生 产能力为40 000 t/ d,服务年限10 a。 2. 1矿床地质特征 长山壕金矿浩尧尔忽洞金矿床属浅变质岩为容 矿围岩的中低温热液型金矿床。 矿区大地构造位 置为华北地区北缘白云鄂博拗陷带中部的高勒图断 裂带和合教石崩断裂带的夹持区。 根据钻探工程控制到的范围内,浩尧尔忽洞金矿 床以 9100E 勘探线附近 F2断层为界可分为东、西 2 个矿段并呈“弧”形展布。 其中东矿段由 45 个矿 体组成,矿化带长 1 860 m,矿化带最宽 304 m,最窄 10 m,平均宽度 183 m;NE 向延伸,矿脉倾向 NE,倾 角70 ~ 87 。 西矿段有21 个矿体,分布在 9200 线 6800 线,矿化带长 2 340 m,矿化带最宽 140 m,最窄 10 m,平均宽度 65 m;走向 EW,长 760 m,平均宽度 38 m。 矿体形态比较简单,主要为板状、似板状和大透 镜状。 矿体在平面上呈雁行式或平行排列成群出现。 矿体沿走向和倾向比较稳定,但具有膨胀收缩的特 点 [3] 。 矿体平均厚度数米至数十米,最厚达121. 7 m, 厚度变化系数一般在 21. 36 ~ 115. 82 。 矿体中 金品位一般在 0. 5 10 - 6 ~ 1. 5 10 - 6,占总样品数 的55. 5 ,大于 1. 5 10 - 6 的样品数占总样品数的 13. 0 。 品位变化均匀 -较均匀,品位变化系数一 般在17. 68 ~ 147. 24 。 2. 2开采技术条件 矿区主要矿体赋存于当地侵蚀基准面以上,主要 充水水源为大气降水;地质环境质量良好;工程地质勘 探程度为中等。 东矿段分布在9200 线11100 线,上 下盘以围岩为板岩、硅板岩、变质砂岩类刚性岩石为 主,岩石硬度 f = 8 ~ 13,节理裂隙发育较弱,岩石稳固 性较好。 西矿段分布在 9200 线6800 线,上盘围岩 以千枚岩、片岩类岩石为主,硬度 f = 4 ~ 9,稳固性较 差,下盘以硅板岩、变质砂岩为主岩石稳固性较好 [3] 。 2. 3采矿设计 1)开采方式。 长山壕金矿矿体厚大、出露地表, 采用露天开采。 2)境界圈定。 应用 Micromine 矿业软件进行境 界圈定,圈定结果为东、西2 个境界,境界内矿岩量见 表1,境界参数见表2。 表 1境界内矿岩量 境界 矿石量 / 万 t 岩石量/ 万 t 品位/ (g t - 1) 金属量/ t 剥采比/ (t t - 1) 东境界789 . 7356 433蝌. 030P. 8078. 6455 . 76 西境界1 444 . 243 418蝌. 610P. 8011. 5362 . 37 合 计11 233 . 9759 851蝌. 640P. 8090. 1815 . 33 表2境界参数 参 数 东露天境界西露天境界 上部尺寸 / (m m)1 780 1 270櫃2 208 392棗 下部尺寸 / (m m)190 40B750 40a 台阶高度 / m12(并段后 24)12(并段后 24) 边坡高度 / m564耨202 最终边坡角/ ( )42(北坡)、44(南坡)47(北坡)、50(南坡) 3)开拓方式。 采用单一汽车开拓运输方式,东 境界采用4 个出口,正时针方向双螺旋道路以减少采 场至排土场运距,多路多出口道路设计使矿山生产运 输更加灵活,更加易于管理。 4)工作制度、生产能力及服务年限。 年工作 330 d,年采矿石量1 320 万 t,服务年限 10 a,生产均 衡剥采比8. 2 t/ t,年剥离岩石量 10 824 万 t。 5)开采工艺。 采用条带式陡帮开采,YK - 55 型 牙轮钻机钻孔,孔径 310 mm,27 m 3 电铲采装,220 t 电动轮自卸汽车运输。 3架线式电动轮汽车的应用 3. 1应用方式 在矿山生产应用中,通常情况下在固定的上坡线 路采用架线式供电,平路及下坡采用汽车自身柴油动 力,可根据矿山运输的具体情况及特点灵活设置 [4]。 架线式电动轮汽车的应用方式见图2。 图 2架线式电动轮汽车的应用方式示意图 3. 2在国外矿山中的应用 随着露天采矿技术的发展和人们节能环保意识 的提高,架线式电动轮汽车在国外大型露天矿、水电 建设等大型土石方工程中被越来越多地采用,部分矿 山应用情况见表3、表 4。 表 3架线式电动轮汽车运输系统在矿山的应用情况 矿山名称 架线段运 距/ km 供电站功 率 / kW 供电站 数量 电动轮汽 车数量 / 台 应用 年份 南非 Palabora8. 05 000 7噰80沣1981/ 纳米比亚 Rossing8. 53 000 5噰30沣1986/ 刚果 Gecamines3. 52 400 4噰22沣1986/ 美国 Barrick5. 56 500 7噰11沣1994/ l48 机电与自动控制 黄 金 表4部分采用西门子架线技术的矿山 矿山名称技术电动轮汽车数量 / 台应用年份 南非 GrootegelukGTO4 2001� 南非 SishenIGBT2 2008� 赞比亚 IumwanaGTO272009� 其中,南非 Palabora 露天矿,位于南非德兰士瓦 省东北部,是南非唯一的精炼铜生产商。 在 20 世纪 60 年代至80 年代,公司的露天铜矿和相关加工厂生 产能力超过 2. 7 万 t 铜。 Palabora 在 JSE 上市。 每年 生产约60 000 t 的精炼铜,该公司供应大部分南非铜 需求及出口 [4] 。 Palabora 铜矿采用 400 t 架线式电动轮汽车运 输,变电站7 个,汽车80 台,架线道路8 km。 在原矿铜品位仅为 0. 55 工况下,矿山保持盈 利,架线式电动轮汽车运输的应用,是 Palabora 铜矿 取得良好经济效益的一个重要方面。 3. 3长山壕金矿设计应用 3. 3. 1运输平台技术参数 长山壕金矿设计采用 220 t 电动轮汽车运输,露 天采场内及平地型排土场均为单壁路堑,设计运输平 台宽度31. 5 m。 其中,双车道路面宽度20 m,架线杆安 全挡墙宽度6 m,路肩宽度4 m,排水沟宽度1. 5 m [5]。 架线式电动轮汽车运输平台技术参数见图3。 图 3架线式电动轮汽车运输平台技术参数图 3. 3. 2线路布置 架线式电动轮汽车在运行中,行走动力由外部电 力直接提供,其自身的电控系统、制动系统仍由自身 发电系统提供动力,柴油机为怠速工作状态。 架线式 电动轮汽车在运行中双动力同时使用,其高效节能主 要体现在重载上坡运输阶段 [6] 。 根据架线式电动轮 汽车的特点,结合长山壕金矿具体工况,选择适合路 段设置电动轮汽车架线系统,具体架线路段见图 4。 采场从1 504 m 台阶至出入沟口1 640 m 标高路段长 2 000 m;出入沟口至排土场路段长 800 m;排土场 1 684 m 标高至1 780 m 标高路段长1 500 m,重车上 坡适合架线的路段总长4. 3 km。 3. 3. 3应用效果分析 3. 3. 3. 1投 资 1)架线供电系统增加投资。 电动轮汽车架线路 段长4. 3 km,架线路段线路主要投资包括线路设备、 材料及施工费,具体计算结果见表5。 电动轮汽车架线供电系统每公里造价 3 014 万 元,矿山设计架线系统长度 4. 3 km,架线供电系统投 资为12 960 万元。 2)节省汽车数量投资。 普通电动轮汽车的行走 速度上坡时为15 km/ h,平坡及下坡时为25 km/ h;而 架线式电动轮汽车,由于外部供电能力强劲,上坡行 驶速度可达25 km/ h。 因而,矿山生产设备数量可以 大幅度减少,220 t 汽车运输架线路段 4. 3 km,27 m 3 电铲装载,架线系统减少汽车数量计算结果见表6。 220 t 架线式电动轮汽车 4. 3 km 上坡运距与柴 油动力电动轮汽车相比较,计算结果可以节省 220 t 电动轮汽车 4. 45 台,220 t 电动轮汽车单价为 1 800 万元,计算可节省汽车设备投资8 010 万元。 3)汽车受电系统设备增加投资。 矿山运输设备 32 台,受电系统单价 80 万元,汽车受电系统投资合 计2 560 万元。 4)架线汽车运输系统增加投资总额。 新增投 资 = 架线系统增加投资 汽车受电系统投资 - 节省 汽车数量投资 = 7 510 万元。 3. 3. 3. 2成 本 架线式运输道路从深凹露天采场 1 504 m 标高 至排土场1 780 m 标高,线路长度 4. 3 km,架线动力 与普通柴油动力运行成本比较见表7。 2016 年第4 期/ 第37 卷 机电与自动控制l49 图4长山壕金矿架线路段示意图 表54. 3 km 架线供电系统新增投资明细 序号主要部件投资/ (万元 km - 1) 1D移动变电站2 100吵 2D接触网96吵 3D柱子及附件268吵 4D施工费150吵 5D从变压器到移动变电站的电缆费用300吵 6D综合自动化50吵 7D变电站接地极50吵 表 6汽车数量计算 序号参数架线汽车汽车节省汽车数量 1 矿山年运量/ 104t9 020剟9 020貂 2 通过架线运量系数0剟. 60貂. 6 3 通过架线运量/ 104t5 412剟5 412貂 4 矿山年工作天数 / d330剟330貂 5 矿山日工作班数/ (班 d - 1) 3剟3貂 6 汽车额定载重量/ t220剟220貂 7 汽车载重利用系数1剟1貂 8 运输不均衡系数1剟. 11貂. 1 9 平均单程运输距离/ km4剟. 34貂. 3 10/平均运行速度/ (km h - 1) 25剟15貂 11/汽车装载时间/ min3剟3貂 12/汽车运行时间/ min10剟. 3217貂. 2 13/卸载时间 / min1剟. 51貂. 5 14/等车及调车时间 / min2剟2貂 15/汽车周转一次时间/ mim16剟. 8223貂. 7 16/汽车实际载重/ t220剟220貂 17/每班工作时间 / h8剟8貂 18/班工作时间利用系数0剟. 80貂. 8 19/台班运输次数22剟. 8316貂. 20 20/单车台班能力/ [t (台班) - 1] 5 022剟. 59 3 564貂. 56 21/矿山班产量/ t54 666剟. 67 54 666貂. 67 22/实际作业台数10剟. 8815貂. 344�. 45 表 7 4. 3 km 重载上坡节约成本计算 参数架线动力柴油动力 节约成本 汽车载重/ t220 220ゥ 重载上坡耗油/ (kg h - 1) 45 450ゥ 重载上坡耗电/ kW h2 800 柴油单价/ (元 kg - 1) 5 . 55ゥ. 5 工业电价/ [元 (kW h ) - 1] 0 . 5 重载上坡速度/ (km h - 1) 25 15ゥ 重载上坡单位成本/ [元 (t km) - 1] 0 . 300ゥ. 750ⅱ. 45 架线动力段运距/ km4 . 304ゥ. 30 架线段上坡运输成本/ (元 t - 1) 1 . 293ゥ. 231ⅱ. 94 经计算,架线动力与普通柴油动力运行成本比较 结果,重车上坡吨公里节约 0. 45 元,4. 3 km 架线道 路每吨矿岩可节约1. 94 元。 3. 3. 3. 3经济效益 依据生产进度计划,年采矿石量 1 320 万 t,生产 均衡剥采比 8. 2 t/ t,年生产剥离量 10 824 万 t。 其 中,西境界剥离1 804 万 t,东境界剥离9 020 万 t。 通 过架线道路年运量按东境界年剥岩量的 0. 6 系数计 算得通过架线道路年运量为5 412 万 t。 新增投资为 7 510 万元; 节约成本为 1. 94 元/ t; 年运输量为 5 412 万 t;年节约成本为 5 412 1. 94 = 10 499. 3 万 元;新增投资返本时间为0. 72 a。 长山壕金矿设置 4. 3 km 架线道路,新增投资 7 510 万元,运行返本年限为0. 72 a,返本后每年为矿 山节约运输成本10 499. 3 万元,效益巨大。 3. 3. 3. 4架线式电动轮汽车的优势 架线辅助供电运行相对于常规柴油动力运行具 有较大优势 [6]。 1)生产率最大化。 坡道运行速度更快(尤其采 l50 机电与自动控制 黄 金 用新型的交流驱动卡车时),上坡时的卡车速度不再 由车载发动机决定,而由外部供电系统决定。 由于外 部电能输入远远大于目前的柴油发动机功率,所以卡 车速度会大大提升,这样可加快工作循环、减少汽车 数量。 2)降低燃料消耗和发动机维修、保养费用,延长 发动机寿命。 如果是常规柴油动力,那么 70 ~ 80 的燃料被消耗在坡道上,而架线辅助供电系统 可以大幅度降低这项费用,并且发动机的维修和保养 间隔与燃料消耗量成正比,因此间隔时间可延长 2 ~ 3 倍。 3)延长轮马达电枢的寿命。 由于上坡速度加 快,大负荷的坡道运行时间缩短,牵引电机的发热量 会大大减少。 4)对环境更友好。 采用架线辅助供电系统时发 动机基本在怠速状态,废气排放和噪声都会明显减 少,可有效地提高空气质量,这一点在深凹露天矿尤 为重要。 5)架线式电动轮汽车采用混合动力方式工作, 即重载上坡用架线动力,平坡及下坡采用柴油动力, 运输灵活性与纯柴油动力一致。 4结语 架线式电动轮混合动力汽车在国外矿山是一种 非常成熟的技术,但在中国的应用还是空白。 一方面 是由于矿山企业管理层对混合动力的应用技术存在 一定的疑虑;另一方面则是由于需要较大的资金投入 以及现阶段开采初期矿岩运输距离较近等诸多原因, 现阶段国内大多数矿山企业仍选用柴油动力汽车运 输。 但随着境界开采深度加大以及排土场堆高的增 加,矿岩运输距离越来越大,不断增加的运输成本,已 经成为矿山持续发展的重要因素。 依据矿山开采现 状以及具体的开拓运输系统,选择架线式电动轮混合 动力汽车将是大型露天开采矿山生产的必然趋势。 矿山企业可以选择与汽车厂家合作,以租赁方式组织 生产以降低投资风险,同时推动中国矿山生产技术的 不断进步。 [参 考 文 献] [1] 周劲峰,三也. 戈尔德斯特赖克金矿柴油电动轮汽车架线辅助 供电系统[J]. 世界采矿快报,1998,14(6)18 - 21. [2] 陈剑平,贺栋. 电动轮自卸卡车架线辅助系统技术改造[J]. 露 天采矿技术,2015(8)64 - 67. [3] 北京金有地质勘查有限责任公司. 内蒙古自治区乌拉特中旗浩 尧尔忽洞金矿 6800E11000E 勘探线 1436m 标高以下详查报 告[R]. 北京北京金有地质勘查有限责任公司,2012. [4] 西门子股份公司. 西门子电动轮汽车架线系统说明[M]. 慕尼 黑西门子股份公司,2012. [5] 长春黄金设计院. 内蒙古长山壕金矿初步设计说明书[R]. 长 春长春黄金设计院,2013. [6] 内蒙古包头重型矿用汽车制造厂. 内蒙古包头重型矿用汽车制 造厂电动轮汽车架线系统说明[M]. 包头内蒙古包头重型矿用 汽车制造厂,2010. Application of line- powered electric trolleys in the design of Changshanhao Gold Mine Wang Jun (Changchun Gold Designing Institute) AbstractWith the improvement of open- pit mining technology and the growing awareness of energy conservation and green mining,the application of line- powered electric trolleys in large- scale open- pit mine,utility infrastructure and such earth and rock engineering are becoming more common. The paper takes Changshanhao Gold Mine as the re- search subject,and analyzes their application status in large- scale open- pit mines technically and economically. It turns out that the application will not only improve the transportation capability and the service life of equipment,also it can significantly reduce the cost. It takes only 0. 72 a to make up for the investment and make profits,increasing a signifi- cant profit of 1. 05 10 8 yuan per year. Keywordsopen- pit mining; expansion of transportation; line- powered; electric trolley(编辑张小瑞) 欢迎订阅简明黄金实用手册 该手册由东北师范大学出版社出版,系统地介绍了中国黄金科研、生产的实践经验和工艺。 内容包括黄 金地质、岩金矿、砂金矿的找矿与评价;岩金矿山地质;岩金、砂金开采;金的选矿、冶炼;金合金及其加工与金的 再生回收;金银分析;黄金企业生产环境保护等。 该书可供黄金矿山生产工人、干部及工程技术人员使用,也可 供从事黄金生产的地质、科研、设计等部门的工程技术人员和有关院校师生参考使用,还可作为矿山职工技术 培训的参考教材。 数量有限,欲购从速。 定价简装本70. 00 元(含邮费),精装本 100. 00 元(含邮费)。 地 址长春市南湖大路 6760 号 长春黄金研究院信息中心 邮 编130012 电 话0431 - 89243511 传 真0431 - 85511548 转3235 电子信箱ggb3068*126. com