趙 明

（中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧沈陽(yáng) 110015）

露天礦的礦巖運(yùn)輸是露天開采工藝中最重要的環(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%，部分深大露天礦的運(yùn)輸成本占比已超過(guò)60%。因此，運(yùn)輸系統(tǒng)的優(yōu)化研究一直是國(guó)內(nèi)外露天采礦領(lǐng)域的重點(diǎn)研究課題。如相鄰露天礦的運(yùn)輸系統(tǒng)優(yōu)化[1－2]，排土場(chǎng)運(yùn)輸系統(tǒng)優(yōu)化[3－4]，時(shí)變運(yùn)輸功最小路徑優(yōu)化[5]，運(yùn)煤系統(tǒng)優(yōu)化[6]，運(yùn)輸系統(tǒng)設(shè)備數(shù)量?jī)?yōu)化[7]。

卡車運(yùn)輸完成工程量在露天礦的礦巖運(yùn)輸占有很大比例。對(duì)露天礦卡車的研究主要集中在對(duì)卡車調(diào)度系統(tǒng)優(yōu)化研究[8-10]和卡車運(yùn)輸?shù)确矫?。?duì)卡車運(yùn)輸?shù)缆穮?shù)設(shè)計(jì)主要依據(jù)露天礦規(guī)范進(jìn)行參數(shù)選取，未對(duì)卡車運(yùn)輸端幫道路參數(shù)優(yōu)化進(jìn)行深入分析。為此，通過(guò)MATLAB 軟件分析卡車速度、行駛時(shí)間和行駛距離，確定重載上坡離開速度、上坡減速行駛時(shí)間、平段加速行駛時(shí)間和距離。由此進(jìn)行端幫坡道高度、坡道長(zhǎng)度和坡道坡度優(yōu)化設(shè)計(jì)。使參數(shù)優(yōu)化基于卡車運(yùn)行性能和行駛路面條件，優(yōu)化結(jié)果可保證卡車運(yùn)行平均速度最高，節(jié)省循環(huán)時(shí)間，提高運(yùn)行效率。合理的設(shè)計(jì)道路參數(shù)，對(duì)保證卡車高效行駛具有重要意義。

伊敏三號(hào)露天礦卡車礦山道路為Ⅱ級(jí)，筑路材料采用爆破后較堅(jiān)硬的剝離物，路面寬度30 m，最小曲線半徑40 m。為提高卡車效率、節(jié)省燃料、節(jié)省輪胎消耗及保證行車安全，對(duì)礦山道路進(jìn)行經(jīng)常養(yǎng)護(hù)和定期維修，使之保持良好狀態(tài)。此外，為減少塵土飛揚(yáng)及環(huán)境污染，影響人體健康，還對(duì)路面進(jìn)行日常灑水降塵。同時(shí)配備平路機(jī)、壓路機(jī)等道路維護(hù)設(shè)備，及時(shí)對(duì)道路進(jìn)行清理平整。

1 坡道行駛狀態(tài)分析

1.1 重載上坡行駛狀態(tài)

根據(jù)卡車重載上坡的力學(xué)關(guān)系分析行駛狀態(tài)，卡車重載上坡力學(xué)關(guān)系如圖1?？ㄜ囍剌d上坡時(shí)減速行駛，有與行駛方向相同的驅(qū)動(dòng)力Fq和慣性力Fx，與行駛方向相反的滾動(dòng)阻力Fg、空氣阻力Fk和坡度力Fp。

圖1 卡車重載上坡力學(xué)關(guān)系

空氣阻力相比驅(qū)動(dòng)力數(shù)值小，卡車重載上坡行駛時(shí)速度逐漸變小，驅(qū)動(dòng)力逐漸變大，加速度從負(fù)值變到零，不限制坡道距離的情況下，卡車從減速運(yùn)動(dòng)變?yōu)閯蛩龠\(yùn)動(dòng)?？紤]露天礦坡道距離限制，加速度一直為負(fù)值，卡車保持減速運(yùn)動(dòng)。

1.2 空載下坡行駛狀態(tài)

卡車空載下坡力學(xué)關(guān)系如圖2。卡車空載下坡時(shí)加速行駛，有與行駛方向相同的驅(qū)動(dòng)力和坡度力，與行駛方向相反的慣性力、滾動(dòng)阻力和空氣阻力。

相比卡車重載上坡行駛，卡車空載下坡行駛時(shí)的重量?jī)H為卡車自重。

卡車空載下坡行駛時(shí)速度逐漸變大，驅(qū)動(dòng)力逐漸變小，不限制行駛速度時(shí)，加速度從正值變到0，不限制坡道距離的情況下，卡車從加速運(yùn)動(dòng)變?yōu)閯蛩龠\(yùn)動(dòng)?？紤]露天礦限制運(yùn)輸行駛速度和坡道距離限制，加速度一直為正值，卡車保持加速運(yùn)動(dòng)。因卡車制動(dòng)作用，卡車可認(rèn)為以最高限制速度勻速行駛。

圖2 卡車空載下坡力學(xué)關(guān)系

2 平段行駛狀態(tài)分析

2.1 重載平段行駛狀態(tài)

卡車重載平段力學(xué)關(guān)系如圖3?？ㄜ囍剌d平段時(shí)加速行駛，有與行駛方向相同的驅(qū)動(dòng)力，與行駛方向相反的慣性力、滾動(dòng)阻力和空氣阻力。相比卡車坡道行駛，卡車平段行駛坡道角度為0°，無(wú)坡度力。

圖3 卡車重載平段力學(xué)關(guān)系

卡車重載平段行駛時(shí)速度逐漸變大，驅(qū)動(dòng)力逐漸變小，不限制行駛速度時(shí)，加速度從正值變到0，不限制平段距離的情況下，卡車從加速運(yùn)動(dòng)變?yōu)閯蛩龠\(yùn)動(dòng)?？紤]露天礦限制運(yùn)輸行駛速度，加速度一直為正值，卡車保持加速運(yùn)動(dòng)。由于卡車制動(dòng)作用，卡車加速到最高限制速度后，可認(rèn)為以最高限制速度勻速行駛。

2.2 空載平段行駛狀態(tài)

卡車空載平段力學(xué)關(guān)系如圖4?？ㄜ嚳蛰d平段時(shí)加速行駛，有與行駛方向相同的驅(qū)動(dòng)力，與行駛方向相反的慣性力、滾動(dòng)阻力、空氣阻力。

圖4 卡車空載平段力學(xué)關(guān)系

卡車空載平段行駛時(shí)速度逐漸變大，驅(qū)動(dòng)力逐漸變小，不限制行駛速度時(shí)，加速度從正值變到零，不限制平段距離的情況下，卡車從加速運(yùn)動(dòng)變?yōu)閯蛩龠\(yùn)動(dòng)。考慮露天礦限制運(yùn)輸行駛速度時(shí)，加速度一直為正值，卡車保持加速運(yùn)動(dòng)。由于卡車制動(dòng)作用，卡車加速到最高限制速度后，可認(rèn)為以最高限制速度勻速行駛。

3 實(shí)證研究

伊敏三號(hào)露天礦采用單斗-卡車間斷工藝，臺(tái)階水平分層，單斗挖掘機(jī)端工作面挖掘、平裝車，卡車工作面折返調(diào)車。工作平盤由采掘帶、運(yùn)輸?shù)缆芳鞍踩珜挾鹊纫亟M成，工作平盤寬度為65 m，采掘帶寬度取25 m。在端幫布置運(yùn)輸?shù)缆罚催吰路€(wěn)定及運(yùn)行設(shè)備線路規(guī)格，確定運(yùn)輸平盤寬度為46 m。卡車從工作面通過(guò)端幫道路和地表將原煤或剝離物運(yùn)至儲(chǔ)煤倉(cāng)或排土場(chǎng)。端幫道路參數(shù)設(shè)計(jì)卡車運(yùn)行條件為：①運(yùn)輸高度：60.00 m；②卡車驅(qū)動(dòng)功率：1 864.00 kW；③卡車及礦石質(zhì)量：389 t；④卡車行駛方向投影面積：61.80 m2；⑤最高限制速度：30.00 km/h；⑥水平方向總運(yùn)距：4 000.00 m。

3.1 坡道高度

坡道高度即為端幫臺(tái)階高度，當(dāng)坡道坡度為8%，臺(tái)階高度設(shè)計(jì)為10、12、15 m 時(shí)，坡道距離分別為125.00、150.00、187.50 m。

卡車行駛最高限制速度30.00 km/h 作為卡車重載上坡起始速度。由于卡車速度非勻速變化，采用MATLAB 軟件求解定積分對(duì)速度變化進(jìn)行分析。計(jì)算卡車重載上坡離開速度分別為19.58、17.67、15.27 km/h。由車重載上坡起始速度和離開速度得卡車重載上坡行駛時(shí)間分別為18.44、23.28、31.52 s。由坡道距離和卡車重載上坡行駛時(shí)間得卡車重載上坡平均速度分別為24.40、23.20、21.41 km/h。

由卡車重載上坡離開速度（卡車重載平段開始速度）和卡車重載上坡開始速度（卡車重載平段離開速度）得平段距離分別為229.05、248.25、266.28 m；由此得卡車重載平段行駛時(shí)間分別為32.44、36.15、40.08 s。由平段距離和卡車重載平段行駛時(shí)間得卡車重載平段平均速度分別為25.42、24.73、23.92 km/h。

坡道個(gè)數(shù)分別為6、5、4，端幫總距離（包括連接地表的端幫坡道加速到最高速度的地表平段距離）分別為2 124.27、1 991.27、1 815.13 m；端幫重載總行駛時(shí)間分別為305.26、297.13、286.39 s；端幫重載平均速度分別為25.05、24.13、22.82 km/h。

坡道距離和為卡車實(shí)際行駛距離，卡車在水平方向的行駛距離為坡道距離在水平面上的投影長(zhǎng)度，分別為124.60、149.52、186.90 m。端幫水平方向總距離分別為2 121.87、1 988.87、1 812.72 m。

剩余的端幫外水平方向距離（平段）包括3 段行駛狀態(tài)，從裝運(yùn)點(diǎn)0 km/h 到最高速度30 km/h 重載加速運(yùn)動(dòng)；保持最高速度30.00 km/h 重載勻速運(yùn)動(dòng)；從最高速度30.00 km/h 到卸載點(diǎn)0 km/h 重載減速運(yùn)動(dòng)。重載加速運(yùn)動(dòng)行駛距離為295.67 m；行駛時(shí)間為50.22 s；平均速度21.19 km/h。重載減速運(yùn)動(dòng)由于卡車制動(dòng)，時(shí)間很短，行駛距離近似為0 m。重載勻速運(yùn)動(dòng)行駛距離分別為1 582.47、1 715.47和1 891.61 m；行駛時(shí)間為189.90、205.86、226.99 s?？ㄜ囍剌d總行駛時(shí)間分別為545.38、553.21、563.61 s；平均速度分別為26.40、26.03、25.55 km/h。

卡車空載行駛從卸載點(diǎn)加速到最高速度后可保持最高速度行駛，不同坡道高度條件下卡車行駛狀態(tài)一致。以卡車重載行駛情況進(jìn)行坡道高度優(yōu)化設(shè)計(jì)?？ㄜ囍剌d行駛情況具體見表1。

表1 卡車重載行駛情況（坡道高度）

由表1 可知，隨著坡道高度增加，坡道距離增大。上坡起始速度一致的情況下，減速時(shí)間增加；上坡行駛時(shí)間增加，上坡離開速度和平均速度減小。

1）平段開始速度（即上坡離開速度）減小，平段離開速度一致，加速時(shí)間增加；平段行駛時(shí)間增加。坡道高度大，平段開始速度小，先加速到坡道高度小的平段開始速度，增加了此段行駛距離，此段距離速度小于坡道高度小的平段開始速度；平段距離增大，平段平均速度減小。

2）坡道個(gè)數(shù)減少，端幫總距離減小，端幫總行駛時(shí)間減少。上坡和平段平均速度都減小；端幫平均速度減小。

3）端幫外加速距離和行駛時(shí)間一致。端幫水平方向總距離減小，總運(yùn)距一致；端幫外勻速距離增大。勻速速度一致，端幫外勻速行駛時(shí)間增加。

總行駛時(shí)間增加，總運(yùn)距一致；平均速度減少。坡道高度小，可節(jié)省卡車行駛時(shí)間，增加運(yùn)行速度，提高卡車運(yùn)輸效率。

坡道高度為10 m 時(shí)，端幫水平方向的總距離為2 121.87 m，減去地表平段距離后為1 892.82 m，端幫需要保證1 892.82 m 的長(zhǎng)度才能同向布置道路。當(dāng)端幫長(zhǎng)度不足時(shí)，反向布置1 個(gè)坡道，端幫外勻速距離增加2 個(gè)坡道水平方向距離為1 831.67 m，行駛時(shí)間為219.80 s?？傂旭倳r(shí)間為575.28 s，平均速度為25.03 km/h。此種情況下端幫長(zhǎng)度需滿足1 770.63 m，坡道高度為12 m 和15 m 時(shí)減去地表平段距離后，分別為1 743.02 m 和1 548.85 m，可同向布置道路。坡道高度為10 m 時(shí)反而總行駛時(shí)間最長(zhǎng)，平均速度最小。

3.2 坡道長(zhǎng)度

當(dāng)坡道坡度為8%，臺(tái)階高度為10 m，坡道單臺(tái)階和雙臺(tái)階布置，即坡道長(zhǎng)度為125.00 m 和250.00 m 時(shí)，卡車重載行駛情況具體見表2。

由表2 可知，坡道長(zhǎng)度增加，總行駛時(shí)間增加，平均速度減少。坡道長(zhǎng)度小，可提高卡車運(yùn)輸效率。坡道長(zhǎng)度增加相當(dāng)于坡道高度增加1 倍，可有效減少端幫道路布置長(zhǎng)度，但阻斷一半臺(tái)階的端幫運(yùn)輸。坡度高度和坡道長(zhǎng)度變化，卡車重載上坡坡道阻力一致。坡度高度和坡道長(zhǎng)度小時(shí)，端幫內(nèi)卡車可保證相對(duì)較高速度行駛。端幫外勻速距離短，30 km/h 最高速度限制的情況下，總體可節(jié)省時(shí)間。相比坡度高度15 m，坡度高度10 m 時(shí)，端幫總距離多133.00 m，端幫總行駛時(shí)間多8.13 s；端幫外勻速距離少133.00 m，端幫外勻速行駛時(shí)間少15.96 s，節(jié)省7.83 s。最高速度達(dá)到58.86 km/h 時(shí)行駛時(shí)間才一致。

3.3 坡道坡度

臺(tái)階高度為10 m，坡道坡度為8%和6%時(shí)，卡車重載行駛情況具體見表3。

表2 卡車重載行駛情況（坡道長(zhǎng)度）

表3 卡車重載行駛情況（坡道坡度）

由表3 可知，坡道坡度增加，總行駛時(shí)間增加，平均速度減少。坡道坡度小，可提高卡車運(yùn)輸效率。坡道坡度變化，卡車重載上坡坡道阻力發(fā)生變化。坡道坡度小時(shí)，上坡坡道阻力小，加速度大，雖然減速距離和時(shí)間增加，但上坡速度大。平段行駛只是初始速度大，使平段加速距離和時(shí)間減少，平段速度快。坡道距離和時(shí)間增加更多。

坡道個(gè)數(shù)一致，坡道坡度小時(shí)，端幫內(nèi)卡車在較高速度下行駛更長(zhǎng)距離。總體上節(jié)省了時(shí)間。

4 結(jié)論

1）道路參數(shù)優(yōu)化根據(jù)卡車運(yùn)行性能和行駛路面條件，基于MATLAB 軟件分析速度、距離和時(shí)間差異，對(duì)坡道高度、長(zhǎng)度和坡度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2）實(shí)證研究表明，較小的坡道高度、長(zhǎng)度和坡度使卡車行駛時(shí)間更少，速度更快，效率更高；但端幫道路布置長(zhǎng)度更大。

3）道路參數(shù)設(shè)計(jì)要考慮端幫長(zhǎng)度限制，反向布置道路會(huì)增加運(yùn)輸距離，降低效率。

4）端幫行駛距離大時(shí)，端幫內(nèi)行駛時(shí)間更長(zhǎng)，但速度更快,最高速度限制使端幫內(nèi)多花費(fèi)時(shí)間少于端幫外節(jié)省時(shí)間，總體效率更高。