CC BY
65
© Е.А. Гарина, С.А. Жиронкин, 2015
УДК 622.271.3:622.013.364.2 Е.А. Гарина, С.А. Жиронкин
К РАСЧЕТУ ПОТЕРЬ УГЛЯ ПРИ ВЕДЕНИИ ДОБЫЧНЫХ РАБОТ МЕХЛОПАТАМИ И ОБРАТНЫМИ ГИДРАВЛИЧЕСКИМИ ЛОПАТАМИ
В настоящее время в Кузбассе основная часть угля добывается гидравлическими экскаваторами. Но часть запасов, особенно на разрезах, горные работы на которых движутся к завершению, отрабатывается прямыми мехлопатами. В данной статье описана графо-аналитическая модель к расчету потерь угля при отработке пластов прямыми мехлопатами, а также приведены формулы для расчета потерь при отработке обратными гидролопатами.
Ключевые слова: открытая разработка угольных месторождений, мехлопаты, обратные гидролопаты, потери угля.
В Кузбассе сосредоточена значительная часть общероссийского производства угля. По прогнозам, объемы угледобычи в регионе будут постоянно возрастать и к 2025 г. могут достигнуть 270 млн т [1]. Основным руководящим документом для определения потерь угля при добычных работах на слож-ноструктурных угольных месторождениях Кузбасса являются «Указания по нормированию, планированию и экономической оценке потерь угля в недрах...» [2]. В работе приводятся виды и места образования потерь при разработке пологих, наклонных и крутых пластов. Указывается толщина слоев угля, удаляемых при зачистке пластов со стороны кровли пласта, его почвы и верхней площадки.
Необходимо отметить, что в [2] не указывается тип оборудования, которым удаляются слои угля при зачистке пласта. Несмотря на то, что в последнее десятилетие на разрезы Кузбасса поступило [3, 4] значительное количество обратных гидравлических лопат, созданы основы проектирования типовых технологических схем для их работы [5-7], а также проанализированы предпосылки к созданию методики расчета потерь угля в сложных тектонических условиях [8], прямые мехлопаты
536
все еще достаточно широко используются на выемке угольных пластов. Поэтому данное исследование, в котором предпринята попытка построения графоаналитической модели расчета потерь угля при работе мехлопат, является весьма актуальным.
В работе выделен диапазон углов залегания в 16—20. Это связано с тем, что в этом диапазоне при применении прямых механических лопат для снижения потерь угля зачистка кровли пласта и его разработка на всю высоту уступа предусматривается бульдозером-рыхлителем с перемещением угля в зону действия ковша экскаватора, осуществляющего погрузку угля в автосамосвалы.
При работе обратных гидравлических лопат в этом диапазоне углов залегания пластов уступы высотой 10-15 м разделяются на слои высотой 4-5 м. Поэтому пласт также разделяется на слои и тогда возможна двух- или трехслойная разработка угольного пласта.
В общем случае при разработке наклонных и крутых пластов виды и места образования потерь угля показаны на рис. 1, а, б [2].
На рис. 1: П1 — потери в виде слоя угля при зачистке верхней площадки уступа от пород, попадающих на него в процессе отработки вышележащих уступов: 0,15 м при наклонном и крутом залегании пластов; П2 — при зачистке кровли пласта мехлопатой и бульдозером: 0,15 м на наклонных пластах (15-30) и 0,20 м на крутых пластах (>30); П3 — в почве пласта при применении мех-лопаты: 0,10 м; П4 — потери в «треугольниках» угля у верхней и нижней бровок уступа при зачистке угольно-породного контакта.
В работах Цепилова И.И. [9, 10] приводится теоретическое обоснование площади нормального сечения «треугольника» угля в почве и кровле для условий разработки крутых пластов мехлопатой. Однако не приводятся ограничения по применению метода по углу залегания пласта и его мощности.
Рис. 1. Виды и места образования основных потерь угля при разработке:
а — наклонных пластов; б — крутых
а
537
Минимальный радиус черпания (R^) определяется по формуле [11], м,
Rmin _ Hн.е — C,
где С — величина подъема режущей кромки зубьев ковша под осью напорного вала (в расчетах можно принимать величину С равной высоте ковша), м; Ннв — высота напорного вала мехлопаты.
Минимальный радиус черпания экскаватора на уровне стояния при зачистке угольно-породного контакта соответствует минимально возможному приближению экскаватора к угольно-породному контакту (уступу), что определяется условием вращения хвостовой части кузова [12] и равен, м,
.у.min _ +
где 1 м — минимальное расстояние между контргрузом и нижней бровкой откоса уступа.
Потери при пологом залегании пласта у нижней бровки образовываются в том случае, если экскаватор не приближается на минимальное расстояние. В исследовании принято положение — производить расчет потерь при минимальном приближении экскаватора к угольно-породному контакту.
При крутом залегании пластов в низу призмы недобора также не образуются [2] при минимальном приближении экскаватора (рис. 1).
Факторами, обусловливающими образование того или иного вида дополнительных потерь при зачистке почвы пласта, являются: угол залегания пласта; конструктивные и рабочие параметры мехлопаты, определяющие минимально допустимое расстояние от режущих кромок зубьев ковша до почвы пласта (^ч.у.тш); минимальная траектория режущих кромок зубьев ковша при втянутой рукояти; максимальная траектория режущих кромок.
Основной особенностью выполнения операции зачистки кровли и почвы пласта является то, что траектория движения режущей кромки зубьев ковша не криволинейная, как при черпании породы, а линейная, и она должна следовать направлению угольно-породного контакта. Из-за конструктивных особенностей мехлопаты (стационарный угол наклона стрелы и
538
жесткое крепление ковша к рукояти) протяженность прямолинейной траектории существенно зависит от угла падения пласта. Переход траекторий движения режущей кромки зубьев ковша от криволинейной к прямолинейной и наоборот приводит к образованию потерь в «треугольниках» угля (призмах недобора).
Опыт работы мехлопат при выемке угольных пластов показал, что для снижения потерь угля необходимо снижать высоту горизонтального слоя при разработке пласта на такую величину, чтобы высота слоя примерно соответствовала длине прямолинейного (наклонного) участка траектории.
В данной статье при рассмотрении вариантов угол падения пластов изменяется от 21 до 90 (диапазон 16-20 рассмотрен выше). Поэтому при расчете каждого варианта при применении мехлопат необходимо знать высоту и число слоев, на которые разделяется добычной уступ.
В работе [9] представлены зависимости высоты прочерпыва-ния (т.е. высоты отрабатываемого слоя) от угла падения пласта, построенные по условиям полного прочерпывания угольно-породного контакта и обеспечения минимальных потерь угля. Однако в работе, во-первых, не приводится методика определения высоты прочерпывания и не указаны определяющие её факторы, а во-вторых, не указаны составляющие «минимальных потерь».
Поэтому нами произведены расчеты высоты слоев с учетом следующего положения: минимально допустимое расстояние установки экскаватора до кровли (почвы) пласта при учете трех факторов — минимальной траектории движения режущей кромки зубьев ковша при втянутой рукояти, траектории при максимально вытянутой рукояти и обеспечения необходимого зазора безопасности между контргрузом и откосом добычного уступа (1 м).
Расчетная схема к определению высоты прочерпывания (высоты слоя) показана на рис. 2.
На схеме приняты обозначения: Ич.у — максимальный радиус черпания на горизонте установки экскаватора, м; ^.тах — максимальный радиус черпания при максимально выдвинутой рукояти, м; Нч.тах — максимальная высота черпания, м; ^ч.тп — радиус черпания при максимально втянутой рукояти, м; — радиус вращения хвостовой части кузова, м; п.с. — ось
539
и высоты слоя
пяты стрелы; н.в. — ось напорного вала; аст — угол наклона стрелы, градус.; а — угол между плоскостью Q, проходящей через режущие кромки зубьев ковша и ось напорного вала, и плоскостью ^ проходящей через режущие кромки зубьев ковша и переднюю стенку ковша; — высота слоя линейного про-черпывания, м; ф — угол падения пласта, градус; 0,1 — пачка угля, оставляемая в почве пласта при ведении добычных работ, м; I и II — траектория движения режущей кромки зубьев ковша соответственно при максимально втянутой и максимально вытянутой рукояти.
Для зачистки угольно-породного контакта на этапе завершения добычных работ мехлопата максимально приближается к почве пласта (на схеме — точка а, лежащая на пересечении плоскости рабочей площадки и поверхности предохранительной пачки угля). Положение точки а привязывается к контргрузу мехлопаты, расстояние до которого должно быть не менее 1 м. Режущие кромки зубьев ковша устанавливаются по линии, проекцией которой является точка а. Далее начинается операция зачистки угольно-породного контакта, под которой понимается
540
операция доработки пласта с оставлением угольной пачки толщиной 10 см над угольно-породным контактом.
На начало движения ковша (положение А) имеется зазор между рабочей площадкой и нижним ребром на передней стенке, равный с. При зачистке режущие кромки зубьев ковша перемещаются линейно и по мере продвижения зазор с уменьшается до нуля. Линейная траектория осуществляется до тех пор, пока передняя стенка ковша не совпадет с плоскостью черпания (положение ковша Б). При дальнейшем продвижении ковша его зубья отрываются от предохранительной пачки угля и начинают двигаться по криволинейной траектории, формируя призму недобора. Следовательно, высота прочерпывания соответствует положению ковша А. По мере увеличения угла падения пласта длина прямолинейного участка траектории увеличивается.
При крутых пластах вследствие конструктивных особенностей мехлопат у нижней и верхней бровок уступа (слоя) образуются призмы недобора: у нижней ^Дн), если почва пласта пересекает траекторию II; у верхней ^Дв), если отрыв зубьев от плоскости черпания начался до пересечения ими верхней пло-
г.б.
Рис. 3. Схема к определению дополнительных потерь ^Дв) и ^Д.н)
541
щадки уступа (слоя) (рис. 3). Поверхность предохранительной пачки касается траектории I в точке К.
На основе изложенных положений разработан графо-анали-тический метод, позволяющий рассматривать зачистку почвы пласта в диапазоне углов залегания 21^90 с целью определения высоты зачистки и возможности образования призм недобора (рис. 4).
По схеме, построенной в системе координат с осями Я и ^ определение высоты слоя зачистки (прямолинейного участка траектории) производится следующим образом: из точки минимального приближения режущей кромки зубьев ковша к почве пласта (точка а) под углом залегания пласта (ф) проводится луч. Другой луч проводится из точки оси напорного вала (точка н.в.) под углом а до пересечения с построенным. Координата по оси h определяет высоту слоя.
При положении линий почвы пластов в зоне между траекториями I и II положение траектории I не сказывается на результате расчетов. При значительных углах залегания (более
^_
я
Рис. 4. Расчетная схема для определения высоты слоев прочерпывания без дополнительных потерь угля
542
50) положение траектории I становится ограничивающим фактором: почва пласта проводится как касательная к траектории I и при этом начало зачистки почвы пласта смещается из точки а в точку а1 (рис. 4).
Данный метод позволяет определить высоту отрабатываемого слоя, при которой не образуется дополнительных потерь угля, для любых мехлопат при известных рабочих параметрах последних.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Жиронкин С.А. Угольная отрасль Кузбасса / С.А. Жиронкин // ЭКО. - 2008. - № 5. - С. 81-86.
2. Указания по нормированию, планированию и экономической оценке потерь угля в недрах по Кузнецкому бассейну (открытые работы). — Л., 1991. — 25 с.
3. Стрельников А.В. Опыт применения обратных гидравлических лопат на разрезах ОАО «УК «Кузбассразрезуголь» / А.В. Стрельников, М.А. Тю-ленев // Вестник КузГТУ. — 2011. — № 2. — С. 8-12.
4. Стрельников А.В. Применение обратных гидравлических лопат при разработке сложноструктурных угольных месторождений Кузбасса /
A.В. Стрельников, М.А. Тюленев // Горное оборудование и электромеханика. — 2011. — №1. — С. 30-34.
5. Тюленев М.А. Определение числа слоев при разработке породоу-гольных панелей обратными гидравлическими лопатами / М.А. Тюленев,
B.Г. Проноза, А.В. Стрельников // ГИАБ. — 2012. — № S7. — С. 112-118.
6. Тюленев М.А. Разработка схем забоев для послойной проходки траншей и отработки заходок обратными гидравлическими лопатами / М.А. Тюленев, В.Г. Проноза, А.В. Стрельников // ГИАБ. — 2011. — № S10. — С. 23-33.
7. Тюленев М.А. Матричный метод идентификации схем забоев обратных гидравлических лопат / М.А. Тюленев, В.Г. Проноза, А.В. Стрельников // ГИАБ. — 2011. — № S10. — С. 34-41.
8. Гарина Е.А. Предпосылки к созданию методики нормирования потерь угля при отработке пластов в зонах тектонических нарушений / Е.А. Гарина, В.В. Битюков // Вестник Кузбасского государственного технического университета. — 2015. — №4. — C. 9-14.
9. Цепилов И.И. Исследование технологии отработки свиты крутопадающих пластов с учетом потерь угля (На примере разрезов центрального Кузбасса): Автореф. дис. ... канд. техн. наук. / Кемерово. — 1973. — 25 с.
10. Цепилов И.И. Технология разработки угленасыщенных зон разрезов Кузбасса: Учеб. пособие / И.И. Цепилов, А.И. Корякин, С.И. Протасов // Кемерово: Кузбас. гос. техн. ун-т, 1999. — 139 с.
543
11. Горное оборудование Уралмашзавода / Колл. авт. Отв. ред.-сост. Г.Х. Бойко. — Екатеринбург: Уральский рабочий, 2003. — 240 с.
12. Правила безопасности при разработке угольных месторождений открытым способом (ПБ 05-619-03). Сер. 05. Вып. 3 / Колл. авт. — М.: ГУП «НТЦ по безопасности в промышленности Госгортехнадзора России», 2003. — 114 с.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Гарина Екатерина Александровна — аспирант, ФГБОУ ВПО «Кузбасский государственный технический университет им. Т.Ф. Горбачева», e-mail: garina_e@mail.ru
Жиронкин Сергей Александрович — д-р экон. наук, доцент кафедры «Открытые горные работы», ФГБОУ ВПО «Кузбасский государственный технический университет им. Т.Ф. Горбачева», e-mail: zhironkin@inbox.ru
UDC 622.271.3:622.013.364.2
TO THE CALCULATION OF COAL LOSSES AT MINING BY SHOVELS AND BACKHOES
Garina Ekaterina A., Postgraduate Student, Gorbachev Kuzbass State Technical University, e-mail: garina_e@mail.ru
Zhironkin Sergey A., Doctor of Economic Sciences, Assistant Professor, Open Pit Mining Department, Gorbachev Kuzbass State Technical University, e-mail: zhironkin@inbox.ru
At present, the main part of coal producing in Kuzbass is extracted by hydraulic excavators. But additional part of coal seams, especially on open-pit mines that come to the final stage of processing, is extracted by shovels. A graph-analytic model of the calculating of coal losses accordingly to seams extracting with shovels is given in this article. The article also contains formulae for calculating of coal losses during extracting it by backhoes.
Key words: open-pit mining, shovels, backhoes, coal losses. References
1. Zhironkin S.A. ECO, 2008, no. 5, pp. 81-86.
2. Instructions on rationing, planning and evaluation of coal loss in subsoil in Kuznetsk Basin (open pit mining), Leningrad, 1991, 25 p.
3. Strel'nikov A.V., Tyulenev M.A. Kusbass State Technical University Bulletin, 2011, no. 2, pp. 8-12.
544
4. Strel'nikov A.V., Tyulenev M.A. Mining Equipment and Electrical Engineering, 2011, no. 1, pp. 30-34.
5. Tyulenev M.A., Pronoza V.G., Strel'nikov A.V. Mining Informational and Analytical Bulletin, 2012, no. S7, pp. 112-118.
6. Tyulenev M.A., Pronoza V.G., Strel'nikov A.V. Mining Informational and Analytical Bulletin, 2011, no. S10, pp. 23-33.
7. Tyulenev M.A., Pronoza V.G., Strel'nikov A.V. Mining Informational and Analytical Bulletin, 2011, no. S10, pp. 34-41.
8. Garina E.A., Bityukov V.V. Kusbass State Technical University Bulletin, 2015, no. 4, pp. 9-14.
9. Tsepilov I.I. Analysis of mining technology for steep coal measures, considering coal loss (in terms of open pit mines in the central Kuzbass), Synopsis of Candidate of Engineering Sciences Thesis, Kemerovo, 1973, 25 p.
10. Tespilov I.I., Koryakin A.I., Protasov S.I. Mining Technology for Zones with High Coal Content in Open Pit Mines in Kuzbass: Educational Aid, Kemerovo, KGTU, 1999, 139 p.
11. Boiko G.Kh. (Ed.) Mining Equipment Manufactured by Uralmash Plant, Ekaterinburg, Uralskii rabochii, 2003, 240 p.
12. Safety regulations for open pit coal mining (PB 05-619-03), Series 05, issue 3, Moscow, Science and Technology Center for Industrial Safety of the Federal Environmental, Industrial and Nuclear Supervision Service of Russia, 114 p.
545
