齊炎　永學艷　陳振超　匡勇

〔摘 要〕在雙碳目標的大背景下，設備大型化、低碳化逐步成為建設現(xiàn)代化數字礦山和綠色礦山的基礎，使開采工藝向節(jié)能、可持續(xù)化發(fā)展，實現(xiàn)降本增效的目標?；谀炒笮吐短斓V山的運輸設備選型，對比了傳統(tǒng)燃油寬體車和新能源電動寬體車運輸設備配置方案。結果表明，傳統(tǒng)燃油寬體車方案在投資上具有明顯優(yōu)勢，但在年運營費上高于新能源電動寬體車方案，最終推薦礦山服務期內費用現(xiàn)值較低的新能源電動寬體車作為運輸設備，為礦山設備選型提供參考依據。

〔關鍵詞〕露天開采；運輸方案；設備選型；費用現(xiàn)值；新能源電動寬體車

中圖分類號：TD863 ? 文獻標志碼：Ｂ文章編號：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

在碳達峰、碳中和的大背景下，新能源已成為傳統(tǒng)行業(yè)轉型升級的發(fā)展方向。隨著國家對礦山開采的環(huán)保要求越來越高，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、低碳化的礦山設備能夠幫助礦山降本增效，使開采工藝朝著更節(jié)能、可持續(xù)化發(fā)展，是建設現(xiàn)代化數字礦山和綠色露天礦山的基礎。

寬體自卸車（以下簡稱“寬體車”）屬于在礦山運輸中一種運輸設備，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輸任務中廣泛應用。該設備若使用燃油車型，排放污染嚴重，能源消耗巨大。近年來，采用動力電池、電機驅動器和電機配套替代燃油動力的純電動寬體車出現(xiàn)，并已經在高海拔礦區(qū)、極寒、重載上下坡、連續(xù)運轉等惡劣工況下經歷了嚴苛考驗，實現(xiàn)了節(jié)能減排、降本增效的目標，成為礦山企業(yè)實現(xiàn)綠色開采的重要途徑之一。然而，當前國內絕大部分礦山以柴油燃料作為礦山運輸車輛動力源的現(xiàn)狀仍沒有發(fā)生根本性變化，因此在礦山的現(xiàn)代化、數字化、可持續(xù)法化建設進程中，探討、推廣新能源設備在礦山建設中的優(yōu)勢顯得尤為重要。

1? ?項目背景

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，最高點位于區(qū)內北部明鳳壇附近，海拔高度為980 m，最低點位于區(qū)內南部沖溝，海拔高度380 m，相對高差600 m。區(qū)內總資源量約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%，開采對象是含鋰瓷土礦。區(qū)內主要礦體位于當地侵蝕基準面以上，部分礦體位于最低自流排泄面標高以下。主要充水含水層為基巖裂隙含水層，富水性弱，透水性差，構造不發(fā)育；地下水補給主要為大氣降水；第四系覆蓋層面積小且薄；水文地質邊界條件簡單。礦區(qū)地形地貌簡單，巖性較單一，以半堅硬—堅硬塊狀結晶巖類為主，少量為軟弱碎裂—塊狀結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)生礦山工程地質問題。

礦山計劃生產礦石9 900 kt/a，總服務年限約11 年，考慮到該礦山60%的資源均在封閉圈以上，礦巖運輸多為重載下坡，為降低礦山生產成本，提高企業(yè)經濟效益，本文擬提出兩種運輸設備選型方案，綜合考慮設備投資、年經營成本和折舊年限等因素后，推薦適合該礦體開采的最優(yōu)礦巖運輸設備。

2? ?終了境界的確定

本文采用MineSight礦業(yè)軟件建立相應的礦床地質模型。依據項目擬采用的采選工藝，選取合理的技術及經濟參數，按照凈現(xiàn)值最大的原則，得出理論上最優(yōu)的露天開采境界[3]。

基于圈定境界的參數，確定了最終開采境界。露天開采終了境界采出礦石9 694.38 萬t（探明+控制級別資源利用系數為100%，推斷級別資源利用系數為75%），平均地質品位w（Li2O）為0.260%，w（Al2O3）為15.26%，w（Ti2O）為0.038%，w（Fe2O3）為0.90%。境界內剝離量為4 692.2萬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臺階間，礦石量約為7 186.65萬t（平均臺階礦石量約400萬t，臺階數為18個），占采出礦石總量的74%。采場內礦石平均運距約為1.41 km，廢石運距約為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t，占廢石總量的42%，重載下坡工況下的礦巖運輸量占境界內采剝總量的54%。因此，結合境界內的采剝量和礦巖分布規(guī)律，選擇運輸設備時，主要對燃油寬體車和純電動寬體車進行選型。

3? ?開拓運輸方案的選擇

本礦區(qū)地形起伏大，溝谷發(fā)育，區(qū)內北部和東北部高，境界最高開采點標高+740 m，境界西部地形低，西端最低點標高為+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東南側，與采場出入溝口直線距離為6 km，擬定的廢石場位置緊鄰采場東北部，運距較近。礦石出入溝口位于采場東南側，標高為+498 m，廢石出入溝口位于采場東側中部，標高為+582 m。采場（+498 m標高）與選廠間（+160 m標高）地形崎嶇，絕對高差約340 m，其間地勢起伏較大，需穿過標高為100 m低凹段。采場與選廠間有永久耕地和林地及其他礦權，開拓運輸系統(tǒng)的布置受用地條件制約嚴重。境界內礦、廢石平均運距都在3 km內。

結合礦石、廢石開拓運輸條件，初步可考慮的礦石開拓運輸方案如下：方案Ⅰ（公路開拓+全汽車方案），修筑從采場至選廠運輸道路，礦石由汽車運至選廠；方案Ⅱ（采場公路+汽車+粗碎+膠帶運輸方式），采場內采用公路開拓，礦石由汽車運至采場外破碎站粗碎后，再由膠帶運至選廠；方案Ⅲ（采場公路+汽車+粗碎+溜井+膠帶運輸），采場內采用公路開拓，礦石由汽車運至采場外破碎站粗碎后卸入溜井，再由膠帶運至選廠。

按照投資、運營費用低，建設期短，報批簡易等方案選擇原則進行分析：

1）由于采場與選廠運距較遠，如采用方案Ⅰ，初步估計運距在10 km以上，遠遠大于汽車經濟合理運距（3 km），且汽車運輸的運營費明顯高于膠帶運輸，所以該方案不予推薦。

2）本項目年礦石運量大（990萬t/a），運距較遠，且運輸高差大，所以非常適合采用膠帶運輸。因此采用方案Ⅱ，運營成本低、效率高、安全性好，建設時間相對短，膠帶運輸的優(yōu)勢隨運量和運距的增加越發(fā)凸顯。目前擬定礦石破碎站位于采場出入溝口東側，距離約0.2 km，所以礦石運出采場后即可卸礦，提高項目經濟效益。根據膠帶布置的總體線路，部分膠帶下行可利用礦石勢能發(fā)電，進一步提升膠帶運輸的經濟優(yōu)勢。所以推薦采用方案Ⅱ的運輸方式。

3）盡管方案Ⅲ能發(fā)揮膠帶運輸的優(yōu)點，但存在井巷工程量大、建設周期長、井巷工程位于礦權區(qū)外、用地報批難等弊端，與本項目快速建成的指導思想相悖，所以也不予考慮。

4? ?運輸設備方案比較

綜合分析方案Ⅱ的運輸方式與終了境界內礦巖量分布、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寬體車兩種不同的運輸設備方案。

4.1? 載重型號的確定

根據本項目建設特點，結合生產進度計劃，以生產第6年為計算年。當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，可以運輸設備以及匹配的鏟裝設備都可以采用同型號。設備選型遵循選用適度先進的設備以提高生產效率的原則，推薦選用額定載質量60 t的自卸汽車運輸礦石和廢石。

根據編制的采剝進度計劃，礦山計算年采礦量為990萬t，剝離量為570萬t。采用公式（1），按不均勻系數為1.1，每班有效作業(yè)時間為6.5 h，運輸道路行車密度為60輛/h，選用的二級礦山道路通過能力足以滿足要求，選擇載質量60 t級自卸汽車是合理的。

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

根據運輸量，擬選用28臺載質量60 t級礦用自卸汽車運輸礦巖。以下在此基礎上，對燃油寬體車和新能源純電動寬體車進行技術經濟綜合比選。不同方案中，輔助設備按統(tǒng)一型號、數量進行配備，為不可比項。

4.2? 燃油及純電動車型方案比選

1）燃油寬體車方案。燃油寬體車市場運行時間長，工藝穩(wěn)定，適應性強，設備購置費低。燃料來源主要為石油，儲量豐富且易獲取，因此能源來源相對穩(wěn)定，續(xù)航時間長。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)費用較大，運營費用高，運營成本易受油價的波動影響。在深凹露天礦中燃油寬體車的尾氣也會造成露天采場的大氣污染。

2）純電動寬體車方案。純電動寬體車為新能源類設備，市場運行時間短，電池續(xù)航受極端天氣影響大，電池壽命短，設備購置費高，電動寬體車目前依然處于產業(yè)化前期。但隨著國家大力倡導環(huán)境保護，純電動寬體車也具有廣闊的運用前景，是未來發(fā)展的主流趨勢。且電動車行駛過程不產生尾氣，對礦山環(huán)境更加友好，對改善空氣質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，純電動寬體車電動驅動系統(tǒng)工作噪音低，具有電反饋制動功能，對車輛的輪胎、剎車損耗小，重載下坡工況甚至可以實現(xiàn)連續(xù)工作不充電，沒有發(fā)動機維修保養(yǎng)費用，電能價格穩(wěn)定運營費用低。

通過對燃油寬體車方案和純電動寬體車方案進行定性比較，可以得出以下結論：燃油寬體車方案設備投資相對較小，即購買和安裝燃油引擎的成本較低。然而，在生產和運營過程中，燃油寬體車方案的成本較高。燃油寬體車需要購買燃油，這可能會受到燃油價格波動的影響，增加運營成本。此外，燃油寬體車通常需要進行維護和保養(yǎng)，這也會增加運營成本。純電動寬體車方案則存在不同的優(yōu)勢和劣勢。首先，純電動寬體車可以利用重載下坡的工況實現(xiàn)能量回收，降低能耗，提高能源利用效率。這意味著在適當的條件下，純電動寬體車的能耗可能相對較低。然而，純電動寬體車的設備投資較高，即購買和安裝電池和電動機的成本較高。此外，電動車的充電基礎設施也需要投入建設成本。

綜上所述，燃油寬體車方案在設備投資方面較為經濟，但在運營成本方面較高。純電動寬體車方案則具有能量回收和較低能耗的優(yōu)勢，但設備投資較高。兩種方案各自都有可選條件，需要根據實際情況進行綜合考量，以選擇最適合的方案。兩種方案的投資、運營和技術經濟比較結果如表1所示。

由表1可知，與方案Ⅰ相比，方案Ⅱ的可比費用現(xiàn)值較低，故方案Ⅱ在經濟上較優(yōu)。

本文認為，在礦巖運輸屬重載下坡工況下，新能源電動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營成本等方面的優(yōu)勢，因此推薦采用純電動寬體自卸車作為運輸設備。

5? ?結論

本文通過運輸設備選型比較研究，認為純電動寬體車運營成本少、費用現(xiàn)值費用低、綜合效益較優(yōu)，符合新形勢下的環(huán)保、安全等政策要求，能為礦山綠色、安全、高效、節(jié)能開采提供了有力的支撐[4-5]。雖然，純電動寬體自卸車存在極端天氣下續(xù)航里程受限、充電基礎設施建設還不完善以及充電時間較長等缺點，一定程度上限制了該類車型的推廣與應用。但是隨著關鍵技術的攻關、電池技術的不斷發(fā)展、基礎設施建設的不斷完善，在雙碳戰(zhàn)略及國家新能源政策的推進下，純電動寬體車必將逐漸取代燃油寬體車必然成為未來礦山的發(fā)展趨勢。

參考文獻

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收稿日期：2023-01-16

資助項目：國家自然科學基金重點資助項目（編號：52034001）；江西省重點研發(fā)計劃項目（編號：20202BBG73001）

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