摘要：自然崩落法是国际上大型、特大型矿山开采的首选方法，其生产成本是唯一可以媲美露天开采成本的采矿方法，目前，铜矿峪矿是国内应用这一方法进行开采的最大规模矿山。因此，本文以铜矿峪矿山的实际开采情况为样本，针对自然崩落法的实际应用情况进行分析，并且提出矿用一般型供配电设备在自然崩落法无轨出矿工艺的应用，以进一步提高矿山开采效率，降低生产成本。
关键词：矿用一般型高低压开关柜；矿用一般型变压器；并列运行；自然崩落法；无轨采矿设备；铜矿峪矿
引言：无轨采出矿设备是自然崩落法高效生产工艺的主要设备，其出矿效率高，且对井下通风空气质量没有影响，并且能方便的铲出由自然崩落法带来的大块影响。在具备优越的出矿效率时，也一定的负面影响，最主要的就是用电设备负荷大，动力配出复杂以及运行过程中频繁变化负荷对供电网络和供电设备的冲击。
一、自然崩落法的应用现状
无轨开采工艺是自然崩落法高效采矿的生产工艺，该出矿工艺的主要特点有；出矿下降速度快，效率高、受低压危害小、以及二次破碎量小、火攻投入少、采掘比底、矿井需风量小等优点。是特大厚矿体低成本、高效率的开采工艺，其矿石贫化率、损失率底的优点也是其他采矿方式无法比拟的存在。该采矿工艺主要应用在铜矿、金矿、钼矿、金刚石矿等。是国际上开采大型、特大型矿床的首选方法，该开采工艺目前在我国的应用主要有普朗铜矿和铜矿峪矿，其中铜矿峪矿设计为600万吨/a，目前也是唯一一座国内达产的自然崩落法矿山。
二、自然崩落法在铜矿峪矿二期工程应用过程中供电系统存在的问题
由于自然崩落法无轨开采工艺是在大型，特大型矿体中应用的采矿工艺，因此，也将带来大范围的拉低面积和和生产供电半径，对供电系统布置的带来一定难度。
1、供电电压等级多样性；
铜矿峪矿自然崩落法无轨开采工艺，由于采矿工艺的需要，大型电动铲运机的应用，供电系统电压等级在延续原有的6KV高压供电系统和照明供电系统以及0.4KV动力供电系统的基础上，增加了1KV大型电动无轨设备供电电源。
图1
2、供电方式的复杂性：
原铜矿峪矿老工艺采用凿岩机头掘进、干喷支护、电耙出矿的采矿工艺，供电结构简单，供电设备种类少。而二期工程由于出矿工艺变化，采矿设备电气化、大型化，如电动铲运机、平巷凿岩台车、移动空压机、湿喷台车、大功率混凝土拖泵、中深孔台车等供电设备种类繁多，供电配出结构复杂，不仅给供电配出带来困难，同时增加电缆敷设难度。
3、大型电动设备运行过程的负荷变化对电网冲击影响。
除移动空压机、湿喷台车、混凝土拖泵、中深孔台车外，电动铲运机和平巷凿岩台车在工作过程中负荷变化快，对供电系统冲击大，如电动铲运机在短短几分钟的一个出矿卸矿循环过程中要完成启动、空车静止运行状态、空车行走、装载（大块和碎毛）、举升大臂、重车行走、卸车举升大臂以及非常规的电动铲运机拖拽电缆内爆等不同的运行模式下产生的负荷变化；平巷凿岩台车在启动、举升大臂、开眼门、大眼、抽钎等过程都会有不同的负荷输出。这些负荷变化都会对供配电设备以及供电网络造成较大的冲击。
三、基于铜矿峪矿矿体结构的自然崩落法无轨设备供电系统存在问题的解决方案
1、供配电系统布置：
1.1、铜矿峪矿二期工程自然崩落法采矿工艺的出矿水平出矿点采用错开性的鲱鱼骨布置型式，在保证底部结构安全性的前提下，经对采矿下降速度、拉底面积、推进速度和矿石运输能力的计算，同时采出6条平行间距30米的出矿穿脉是铜矿峪矿主采矿体的最佳开采推进方式，以及0.4KV用电设备供电距离限制（沿脉长度+穿脉长度），因此每6条穿脉上下盘各由1座变电所负责供电。结合出矿溜井以及铲运机工作方式和出矿能力，1台大型电动铲运机可承载2条出矿穿脉单翼方向出矿任务。每个变电所可负责3台铲运的供电。
1.2、为避免铲运机拖拽电缆在运行过程中交叉作业，每台铲运机在相应的出矿穿脉配置1个配出回路，即配置1个铲运机配电点。形成每6条穿脉设置1个铲运机变电所，并附带2个铲运机配电点的供电模式。
1.3、自然崩落发采矿工艺就是依靠地压实现矿石崩落的方法，因此为避免地压对变电所的危害，提高使用寿命和供电安全性，变电所和配电点选择在矿体分界线以外布置。且要避免二次破碎的爆破冲击对供配电设备的影响，一般情况下，变电所选择在两条出矿穿脉的鼻梁建造变电所及配电点。供电方式均采用3相3线制供电。
2、无轨设备变电所供电系统结构及设备选型
2.1如图1所示，无轨设备供电系统结构为6KV高压分别降压至0.4KV供电系统和1K供电系统，照明供电系统由0.4KV供电系统降压至220V和36V两种电压等级，供固定照明以及作业现场照明电源。
2.2每个变电所配置3台高压柜，分别是进线柜、0.4KV系统高压柜，1KV系统高压柜。0.4KV系统高压柜配出1台500KVA矿用一般型干式变压器以及3台0.4KV低压柜，1台进线柜，2台配出柜，配出柜满足平巷凿岩台车、移动空压机、湿喷台车、大功率混凝土拖泵、风机、检修电源、照明供电系统和备用回路等不小于8条配出回路；1KV配电系统高压柜配出2台630KVA矿用干式变压器，每台变压器配置3台1KV低压开关柜，1台进线柜和2台配出柜，配出柜负责电动铲运机、1座配电点配出电源、中深孔台车以及备用回路等4条回路。
2.3矿用一般型供配电设备的引进，降低设备费用投入，降低人工劳动强度。
根据矿山电力设计规范要求，金属矿山井下变电所高度应高出运输巷道底板50CM以上，且铜矿峪矿自然崩落发无轨开采工艺供配电的复杂性要求电缆地沟内电缆容量，一般无轨设备变电所地面均高于运输巷道地面80CM以上，因此矿用一般型供配电设备相较其他规格的矿用设备有体积小、质量轻的优点。即降低了设备费用投入，也降低设备安装和维护劳动强度。同时小体积电气设备降低破碎爆破冲击力，提高使用寿命。
3、自然崩落法采矿工艺各水平高低压供电线缆采用穿大孔敷设方式，减少供电距离和减少线缆投入，降低供电线路损耗。自然崩落法的采矿工艺主要包括：拉低水平、出矿水平、通风水平、回风水平、有轨运输水平以及副层开采水平等。各水平之间通过在矿体边界线以外区域穿大孔敷设电缆方式，减少线缆投入、降低供电距离和线路损耗。
4、出矿层电缆敷设选用钢绞架空敷设方式，节约电缆敷设空间，保证巷道行车安全。由于自然崩落法无轨开采工艺供供电系统的复杂性，供电系统配出电缆的多样性，电缆敷设要满足高于运输设备20cm和不同电压等级电缆间距不小于5CM的要求。结合铜矿峪矿出矿水平上下盘沿脉巷道断面，在巷道中心位置顶板架设钢绞架，钢绞架采用2根φ36圆钢倒八字的形式插入到巷道岩体50CM深。每10m安装一组钢绞架，通过钢绞架之间安装GJ-35钢绞线来悬挂电缆以及照明线路，为保证钢绞架固定电缆的安全，电缆每1m在钢绞线上进行一次绑扎。该电缆敷设方式利用巷道拱顶处顶板空余空间架设电缆，电缆在钢绞线上形成柔性悬挂，起到缓冲爆破、碎石冲击力，降低电缆受损概率，提高电缆使用寿命。
5、1KV供电系统变压器并列运行针对无轨设备负荷变化对供电系统冲击的解决方案
在自然崩落法在铜矿峪矿二期工程应用的前期，由于大型电动铲运机在运行过程中不断变化的负荷输出对供电系统的冲击致使原投入的2台500KVA变压器连续烧毁后，改为2台630KVA变压器独立运行供电，烧毁变压器的现象得到遏制，但电能的损耗大幅增加。经计算，将2台630kva变压器改为两台500KVA并列运行，在保证铲运机正常生产的前提下也保证了变压器不收损坏，还降低了电能损耗。
5.1电动铲运机在运行过程中负荷变化还未达到过大的冲击，两台并列运行的500KVA的变压器完全能够承载三台铲运机最大工作电流的冲击。
5.2铲运机拖拽电缆短路是非常规性现象，很少出现两台或三台同时短路现象，因此单台铲运机爆电缆，短时内是不会影响到另外两台铲运机的继续运行。同时也不会导致变压器受损。
5.3并列运行变压器充分利用里1台变压器负载1台铲运余下的供电能力。一个变电所可降低230KVA的空载运行负荷。减少电能损耗，降低能源投资。
5.4这项也是很关键的一项，就是矿用一般型干式变压器在金属矿山中的应用相对油浸式变压器和矿用防爆变压器有很多优点[2]。
5.4.1相对于油浸式变压器，金属矿山井下虽然温度相对恒定，不会有太高环境温度，但井下矿山的通风还是没有地表优越，因此在长期的冲击负荷的作用下，油浸变压器的温升大于散热，变压器设备温度增高同时带来的危害就是变压器电阻会加大，自损增高，在大电流冲击、短路电流冲击以及自损增高的过程中不断积蓄热量，会导致变压器油受热膨胀，安全阀工作，甚至会导致瞬间膨胀，设备变形，密封损坏等现象。虽然说油浸式变压器已严令禁止在矿山井下使用，但是干式变压器还是相对油浸变压器有更高的耐高温优点。
5.4.2最为主要的是，相对于矿用KBG等煤安认证以及矿用防爆变压器等其他井下变压器，矿用一般型变压器在非煤矿山井下应用有，自重轻、安装方便、散热快以及价格低等优点。在矿山电力设计规范中要求井下变电所硐室的地面，应比其出口处大巷底板高出0.5m，因此矿用一般型变压器在井下安装大大降低劳动强度，同时还提高了施工安全性。同时矿用一般型变压器的防护外壳没有其他型矿用变压器的外壳厚重，因此会有更好的散热。
四、还需解决的铜矿峪矿二期工程矿体结构下的自然崩落法无轨开采工艺供电系统纯在的供电难题。
1、自然崩落法是靠岩体应力崩落的开采工艺，矿石块度大是其一项重要弊端，因此要进行二次爆破来降低矿石块度，同样在出矿水平进行频繁的二次爆破必然会对供配电系统以及用电设备产生大量的爆破冲击，严重危害设备运行安全。但将变电所移出出矿层必然会带来供电距离的延长，提高线路损耗，降低供电经济性。这一矛盾因素是铜矿峪矿二期工程供电系统急需解决的一项技术难题。
2、供电级别多，继电保护难度大，由于自然崩落法的出矿工艺布置，最大配电分级多大5级配电：总降压变电所→井下中央变电所→矿体采区牵引变电所→主层出矿无轨设备变电所→副层出矿无轨设备变电所等五级，多级数的配电给矿山安全用电继电保护提出更好的灵敏度要求。
3、出矿区域变电所的通风、密封防尘、变电所温升之间的矛盾。无轨设备变电所安装在井下出矿水平，变电所在降低二次爆破冲击和地压影响的同时，选用U型巷道结构，相当于形成2个互通小型的堵头巷道。如加强变电所通风必然带来大量粉尘的入侵，如不进行通风，变电所内温升将加快电气元件老化。
总结：综上所述，自然崩落法无轨采矿工艺在铜矿峪矿矿体结构下供电系统的布置、应用以及一些复杂供电难题的解决为日后自然崩落法无轨采矿工艺在其它矿山应用的供电系统设计提供宝贵的参考价值。随着科技发展，数字化矿山、智能化矿上逐步走向采矿行业主流，通过对自然崩落法无轨开采工艺供电系统数据采集，尤其是电动铲运机和凿岩台车这一类运行负荷频繁变化的无轨设备供电数据采集，分析供电系统数据变化，为自然崩落法无轨开采工艺安全可靠供电提供有力数据支持，供电将其和信息技术相结合，推出了远程遥控自动化采矿也已经在多个矿山中应用。通过本文分析，对自然崩落法无轨开采工艺供电系统的进一步创新，供电安全性、可靠性、经济性都得到了提高，值得推广。
参考文献：
[1]刘育明.自然崩落法的发展趋势及在铜矿峪矿二期工程中的技术创新[J].采矿技术，2012，12（03）：01-04+28.
[2]陈育敏.变压器并联运行在工厂供配电设计中的运用[C]上海市电气工程设计研究会2009年学术年会论文集，2009：53-58.
[3]张传国.浅析矿井电气设备保护[J].民营科技，2019（09）：25-26.
论文作者:赵菁
论文发表刊物:《电力设备》2019年第16期
论文发表时间:2019/12/9
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