王 锋

（国家能源集团准格尔能源有限责任公司 设备维修中心，内蒙古 鄂尔多斯 010300）

国家能源准能集团黑岱沟露天煤矿中部岩石层（平均厚度为50～70 m）采用抛掷爆破+吊斗铲倒堆开采工艺。吊斗铲作为主采工艺的最关键设备，由于准格尔地区季节性气候特别明显，室内外及设备温度是影响设备能否正常运行的一项重要因素。吊斗铲日常的设备故障主要涵盖机械故障和电气故障，有针对性总结温度可能引发的各类故障并研究科学的故障检修标准，有助于快速处理吊斗铲各类故障，提高设备的出动率，保障露天矿煤炭开展工艺的有序顺利进行，为企业创造更大的经济效益[1-2]。

吊斗铲倒堆工艺包含岩层穿孔、抛掷爆破，推土机整平，剥离物倒排和煤层的爆破，采装运输、运输道路的移设等多种工序。各项工序之间相互衔接，在时间和空间上不仅具有周期性，而且存在严格的制约关系[3-4]。因此，如何提高吊斗铲设备的有效作业时间和生产效率，是保障一个采幅内各项工程时间与空间的组织进度能否顺利进行关键因素。

1 吊斗铲倒堆工艺开采参数

吊斗铲的每个采幅都应根据煤层厚度及宽度和年产量经过科学计算和合理的组织安排才能充分发挥吊斗铲倒堆工艺的科学性，将该工艺的经济效益最大化。因此，在吊斗铲铲开采前各项工艺参数都应严格进行推算。而吊斗铲工作线长度取决于单斗电铲-卡车采煤工作线长度、端帮安全距离和运输平台的宽度[5]。

1.1 采煤工作线长度

倒堆台阶的工作线长度主要取决于采煤工作线的长度，而矿山产量规模、煤层厚度、煤的密度和工作线推进强度等因素决定了采煤工作线的长度。黑岱沟露天煤矿目前设计产能为3 400 万t/a，采煤工作线长度根据黑岱沟露天矿现有煤层结构取2 200 m。黑岱沟露天煤矿采煤年推进速度Vm为：

式中：Vm为采煤工作线年推进速度，m/a；A 为原煤产量，Mt/a；Hm为煤层平均厚度，28.8 m；Lm为采煤工作线长度，m；Ym为6 煤平均密度，1.52 t/m3。

则由此可得Vm=353 m/a。

1.2 剥离倒堆工作线长度

吊斗铲剥离倒堆工作线长度由采煤工作线长度和两端帮留有的运输平盘宽度及安全距离共同构成，因此，吊斗铲剥离工作线长度为2 309 m，其中，由吊斗铲单独作业完成2 187 m，两端帮各61 m 的运输道路及安全距离由辅助设配合吊斗铲完成。

1）倒堆吊斗铲生产能力计算。吊斗铲完成的剥离年工程量Qn可根据式（2）计算Vy。

式中：L 为剥离工作线长度，2 187 m；Vy为倒堆台阶年推进强度，m/a；Hy为倒堆台阶高度，45 m；K为抛掷爆破有效抛掷系数，0.25。

可得吊斗铲年完成的工程量为2 605.54×104m3。

2）吊斗铲空返时间的计算。黑岱沟露天矿的吊斗铲是迈步式行走，行走速度为0.16～0.22 km/h，爬坡能力为0.8%，因此，吊斗铲要行走2 200 m 的工作线长度，大约需要10～13.75 h。

1.3 吊斗铲平均倒堆作业时间

吊斗铲单次倒堆作业周期时间与铲斗容积、岩石硬度、平均回转角度有关。结合黑岱沟矿的岩石层属于中等硬度，抛掷爆破倒堆台阶高度45 m，作业回转角度平均在90°～150°之间，平均按120°计算。8750 迈步式吊斗铲1 次挖掘周期时间为65 s。则吊斗铲的小时生产能力Qh为：

式中：Qh为吊斗铲小时作业能力，m3/h；Vk为吊斗铲铲斗容积，90 m3；Kh为满斗系数，0.9；Kp为松散系数，1.3；T 为吊斗铲工作循环时间，s。由此可得Qh＝3 617.9 m3/h。

吊斗铲平均每天作业时间Td为19.7 h。根据以上推算结果，吊斗铲在正常作业时间满足每天20 h才能达到黑岱沟露天矿的正常生产要求。而实际生产中故障停机经常出现，这就给维修人员提出很高的要求。必须在最短时间内将吊斗铲修好，吊斗铲司机每天3 班倒，每班0.5 h 交接班时间；每天点检时间1 h；周检时间8 h；每周作业时间142.5 h（按30 d 计算），平均每天作业时间20.4 h。故障允许时间0.7 h。针对故障频发的时间段采取有效的维修是维修人员迫切需要解决的问题。

2 吊斗铲典型故障原因分析

吊斗铲控制系统PLC 的工作温度需控制在0～55 ℃范围内，PLC 设有高、低温监控传感器，一旦工作环境的温度不在0～55 ℃范围内，系统将无法启机。因此需要做到夏天散热，冬天保温。而准格尔地区属于典型的温带大陆性气候，四季分明，昼夜温差大，年平均气温在5.3～8.7 ℃，最冷1 月平均气温在-10～-20 ℃，最热月7 月平均气温在25～35 ℃。而设备内的温度会比室外温度高出或低10～30 ℃，夏季吊斗铲电器柜内最高温度度能达到60 ℃以上，冬季最低气温能达到-30 ℃。因此，在极端气候条件下吊斗铲电气和机械故障明显增多。加之设备服役年限的加长，设备部分零部件老化严重，很容易导致该设备集中性发生不可预测的故障。

吊斗铲在实际工作中，由于其电气设备功率较大，在大电流、电压的作用下，不断的产生电阻发热损耗，铁损发热。在吊斗铲满负荷作业时，电气设备发热会极易产生运行故障，因此，在所有吊斗铲发生的故障中，电气设备发热导致的故障占有极大比例。而发热往往会导致绝缘热击穿、导体连接部位的热变形甚至熔焊，严重影响吊斗铲的正常运行[5-6]。

1）外部故障。吊斗铲属于露天作业，工作环境状况较为复杂、恶劣，这就使得长期暴露的电气设备线路接头出现松动，接触不良，触点氧化腐蚀，沾有灰尘、压接不良等问题，从而引起了诸多的电气故障。电气设备暴露在恶劣的运行环境下，还好受到很大的冲击负荷和机械振动等难以避免的特殊情况，就进一步造成了电阻的增大从而造成电气设备局部过热，引发故障[7]。

2）内部故障。主要是指那些被密封在金属外壳内部、绝缘层下或被油液浸泡未暴露在外部环境中的电气回路故障和绝缘介质劣化引起的各种故障，诸如绝缘老化、破损或脱落故障，主要是因为外部绝缘层因长时间使用而老化、或受到冲击而破损或因为质量原因而脱落的故障，这些都有可能导致局部过热而损坏电气设备。吊斗铲在酷热极寒天气发生AFE 和IGBT 有关故障的概率会明显增加，结合黑岱沟露天矿的生产实际，吊斗铲频繁发生故障会给企业生产造成巨大的经济损失。

3 提高吊斗铲效率降低故障率的措施

1）不断提高吊斗铲司机的操作水平，要求司机做到熟练掌握吊斗铲各项操作规程，熟悉作业条件和采矿工艺，合理挖掘，铲斗不宜装的太满。从离设备较远的地方开始挖掘，装满铲斗；提升时，尽可能在接近天轮垂直下方开始。未满时也应正常进行提升，同转卸载；尽量减少同转角度，使挖掘和排卸同转距离最短；在每个挖掘排弃循环中，都要减少钢丝绳得收放，这样既节省了过多收放钢丝绳时间，又可以减少钢丝绳相关机构的磨损，延长其寿命；不使用吊斗铲做辅助工作，如整平边帮、清理煤顶板和修整台阶等，避免不必要的浪费[8]。

2）合理安排检修，提高检修质量。严格控制到现场时间，没有特殊情况，碰头会控制在10 min 之内，班前会控制在10 min 之内；9 点前到达现场；对未按要求到达现场，车间按生产组织考核执行处罚。

3）合理分配车辆、材料、配件、工具提前一天下午准备，或指定指挥车领取，尽量避免延误中巴出发时间；夜班的材料、配件、工具提前准备。

4）加强点检、保养质量。每日点检按点检单的内容进行检查，认真检查并填写点检单防止有漏项，点检按谁点检，谁负责的原则。白班点检的项目必须保证晚上不能出现故障，如出现故障按车间机电考核制度执行处罚。保养按保养单的内容进行保养，认真检查并填写保养单防止有漏项，保养的项目必须保证一个保养周期内不出现故障，如出现故障按车间机电考核制度执行处罚。定期检查电气柜线路，对电气柜进行除尘，紧固线头。

5）PLC 的日常维护及故障处理。PLC 的日常维护措施包括定期除尘，确保PLC 工作环境的整洁和卫生；检查PLC 的工作状态包括自诊断指示信号、编程器的监控信息及控制系统的运行情况等，并作好相应检查记录，发现问题及时处理；熟练掌握编程器的使用方法；定期对接线端子紧线，防止引线松动造成器件损坏或接触不良。在作业过程中要特别关注温度，PLC 的工作温度需控制在0～55 ℃范围内，PLC 设有高、低温监控传感器，一旦工作环境的温暖不在0～55 ℃范围内，吊斗铲将无法启机。因此，夏天需要做好散热，冬天需要做好保温。

6）加强计划检修质量，将各班组每天点检单发现的问题进行汇总，制定每周周检检修计划，将存在的故障进行集中处理，这样就缩短了检修时间。计划性检修的项目，必须保证24 h 之内不能出现故障，如出现故障按车间机电考核制度执行处罚。

7）加强夜班工作检修质量。夜班接到调度电话后，必须30 min 之内到达现场，领取配件等情况除外。夜班检修人员少，对一些大一点的故障，夜班检修负责人及时联系班组长安排人员加班，缩短检修时间。夜班发生电气故障超过3 h 未处理好，应及时联系班组长安排人员加班，缩短检修时间。

4 提高吊斗铲运行稳定性创造的经济效益

根据每天的设备报表可得知吊斗铲每月的可动率，即1 个月内的实际作业时间的占比，选择每年平均气温最高和最低的月份进行研究。从2013—2019年吊斗铲7 月份和12 月份的可动率统计表见表1。

表1 吊斗铲可动率情况统计表

从2013 年开始，针对吊斗铲在每年的7 月和12 月因极端天气而导致设备故障频发的原因进行分析，采取了针对性的措施。从表1 中，可直观地看到吊斗铲在每年故障率最高的7 月和12 月，故障发生频率在逐年减少，并趋于稳定。根据表1 统计数据可得出吊斗铲每年7 月和12 月的实际作业时间，每月按30 d 计算，吊斗铲实际作业时间统计表见表2，吊斗铲系统与单斗卡车系统成本对比见表3。

表2 吊斗铲实际作业时间统计表

表3 吊斗铲系统与单斗卡车系统成本对比

吊斗铲小时生产能力Qh为3 617.9 m3/h，同比每年7 月份和12 月份可多生产产量V0为：

式中：V0为生产产量，m3；Tx为时间，h。

若取Tx为表2 中2017 年7 月作业时间与2016年7 月作业时间差：Tx=634-605，2017 年7 月同比增加产量104 919.1 m3。

若取Tx为表2 中2017 年12 月作业时间与2016 年12 月作业时间差：Tx=634-605，2017 年12月同比增加产量：79 593.8 m3。

吊斗铲增加产量，即为单斗卡车系统减少的产量，根据表3 可知吊斗铲单位成本接近为单斗卡车单位成本的50%，2017 年7 月份和12 月份同比可节约成本可根据式5 计算得出：

式中：Y0为成本，万元；A 为单斗卡车系统成本，元/ m3。

若A 取表3 中单斗卡车系统合计成本16.45元/ m3，则2017 年7 月份同比可以节约成本172.6万元，2017 年12 月份同比可节约成本130.9 万元。其它年份同比节约成本也可根据以上计算方式得知，同比节约成本统计表见表4。

表4 同比节约成本统计表

在采取针对性的检修措施时，能有效缩短检修时间，提高检修质量和效率，增加设备可动率。因此，吊斗铲单台设备每年7 月份和12 月份可同比节约成本达百万之多。

5 结语

黑岱沟露天煤矿目前作为我国乃至亚洲首个成功应用吊斗铲倒堆剥离工艺的矿山，采用的先进开采工艺和设备都将对煤炭行业开采有着引领和示范作用。对吊斗铲受气候温度影响设备稳定运行进行了分析研究，并给出了对策措施，给企业带来直接的经济效益，同时，卡车的使用量大幅降低，扬尘及汽车尾气排放量显著减少，使吊斗铲节能减排的效果更加凸显，为我国煤炭行业绿色开采提供了有效的开采方案，推动行业技术进步。