Безвзрывная технология разработки угольных месторождений:реалии и перспективы Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

СИМПОЗИУМ «СОВРЕМЕННОЕ ГОРНОЕ ДЕЛО: ОБРАЗОВАНИЕ, НАУКА, ПРОМЫШЛЕННОСТЬ»

ПОСВЯЩАЕТСЯ ПАМЯТИ АКАДЕМИКА ВЛАДИМИРА ВАСИЛЬЕВИЧА РЖЕВСКОГО

29.01.96-2.02.96 г

В. И. КУЗНЕЦОВ, АО «Концерн Кузбассразрезуголь»

АР.МАТТИС, Институт горного дела СО РАН А.С.ТАШКИНОВ, Е.ВЖУРЕХИН Кузбасский государственный технический университет

Безвзрывная технология разработки угольных месторождений: реалии и перспективы

Концепция развития открытого способа разработки месторождений полезных ископаемых предполагает техническое и технологическое перевооружение на основе дотижений научно-технического прогресса и интенсификации горного производства. Задачи научно-технического прогресса в современных условиях необходимо решать с позиций возрастающих ограничений экологического характера. Одним из перспективных направлений повышения эффективности открытых горных работ, способным оказать решающее воздействие на производство, является внедрение безвзрывной технологии разработки месторождений твердых полезных ископаемых.

Открытые горные работы являются крупным потребителем энергоресурсов. Так на 1 т угля или руды, добываемых открытым способом, расходуется от 8 до 12 кВт ч элетроэнергии, а горнодобывающие отрасли промышленности потребляют до 10% электроэнергии, производимой в стране [1].

Кроме электрической энергии в технологических процессах горного производства потребляются и другие энергоресурсы: химическая энергия взрывчатых веществ, тепловая энергия дизельного топлива, расходуемые соответственно на подготовку и перемещение горной массы.

Транспортирование горной массы в условиях открытых горных работ является наиболее энергоемким производственным

процессом, т.к. на его долю приходится свыше 86% общего энергопотребления. На взрывное разрушение - около 6%. Высокая стоимость взрывчатых веществ коренным образом меняет экономические показатели. Расчеты, выполненные в ценах конца 80-х годов, показывают, что доля взрывного разрушения в общей стоимости энергетических ресурсов составляет 58%, а транспорта не превышает 30 % [ 1 ].

В условиях новых рыночных отношений и либеризации цен резко возросли затраты горных предприятий на взрывчатые вещества. Так к концу 1994 г. цены на материалы и оборудования поднялись (к уровню конца 80-х годов) до следующих значений: взрывчатые вещества возрос;! и в цене в 5218 раз (по граммониту 79/21); увеличение цен на основное технологическое оборудование к этому времени отражалось коэффициентом 3500.

Следовательно к концу 1994 г. сложился опережающий 1,5-кратный рост цен на взрывчатые материалы. К середине 1995 г. это опережение достигло уже 2-кратного значения, У тому же резко сократились возможности регулирования стоимости взрывных работ за счет ассортимента взрывчатых веществ.

Если в конце 80-х годов отношение стоимости наиболее дорогого взрывчатого вещества (тротил) к наиболее дешевым (гра-нулит, игданит) в условиях Кузбасса составляло 3,6-4, то к середине 1995 г. это соотношение составляло 1,8.

Такая динамика цен обуславливает резкое снижение эффективности буровзрывных работ. В результате доля взрывной подготовки в общей стоимости энергетических ресурсов на разработку пород возросла к этому периоду до 66-75%.

Из анализа материалов периодических публикаций по загрязнению атмосферы предприятиями угольной промышленности следует, что влияние их на окружающую среду имеет негативную тенденцию к росту [2]. Из основных технологических процессов при открытых горных разработках к мощным неорганизованным источникам загрязнения окружающей среды относятся также буровзрывные работы.

Взрывной способ, несмотря на его существенные недостатки, доминирует при подготовке скальных и полускальных пород к выемке. До последнего времени сложившуюся ситуацию можно было объяснить отсутствием конкурентоспособного способа выемки пород из массива. Разработка пород, предварительно разрушенных взрывом, по существу являлась единственно возможным техническим решением, удовлетворяющим требованиям технологии.

Последнее десятилетие характеризуется ускоренным развитием работ по созданию и внедрению на открытых разработках нового поколения машин, обеспечивающих в определенных условиях замену традиционной технологии с подготовкой горной массы к выемке буровзрывным способом на безвзрывную.

Анализ исследований по изучению процесса разрушения горных пород показал, что ударный способ является одним из наименее энергоемких, т.е. позволяет получить на лезвии инструмента большие усилия без существенного увеличения прочности и массы базовой машины.

Так на основании результатов обширных экспериментальных исследований, выполненных в ИГД СО РАН, установлено, что для ударного разрушения горных пород крепостью до 100-120 МПа необхо-

димо и достаточно иметь энергию, отнесенную к длине лезвия ударного устройства (Алог), в пределах 80-100 Апог 200-250 Дж/см. Более высокие значения нецелесообразны, т.к. ведут к резкому износу поро-доразрушающего инструмента. Установлено также, что для обеспечения требуемой скорости перемещения исполнительных органов горных машин 1,0-1,2 м/с достаточна частота ударов в пределах 7-12 Гц [3].

Установленные закономерности процесса ударного разрушения, имеющийся опыт создания и эксплуатации отечественных и зарубежных мощных пневмо- и гидроударных устройств показывает реальность задачи создания надежных, высокоэффективных исполнительных органов выемочно-погрузочны машин для горнодобывающих отраслей промышленности.

Для настоящего времени характерно ускоренное развитие работ по созданию и внедрению на открытых разработках нового поколения машин для безвзрывной выемки скальных и полускальных пород из массива, рабочий орган которых обеспечивает разрушение горных пород под действием механического ударного импульса.

Прогрессивным направлением в совершенствовании технологии открытых горных работ является создание высокопроизводительных карьерных комбайнов для безвзрывной выемки скальных и полускальных пород (имеются в виду, прежде всего, машины послойного фрезерования пород фирм «Виртген» и «Крупп Индустри-техник»). Предварительные испытания комбайна 2600 8М (фирмы «Виртген») при разработке кимберлитов в Якутии (прочность 45-80 МПа) показали, что при высоте резания 0,2 м и ширине стружки 2,6 м производительность его (разгрузка в автотранспорт) составила 198 мз/ч [4]. Расчетная производительность составляет 70-100 тыс. мз в месяц, или 650-850 тыс. мз в год, т.е. на уровне мехлопаты с вместимостью ковша не более 5 мз. В то же время стоимость комбайна с доставкой выше стоимости экскаватора ЭКГ-5А в 6-7 раз.

Имеющаяся информация об эффективности работы комбайнов на зарубежных карьерах носит, в основном, рекламный характер без достаточных сведений о свойствах пород и условиях работы. Очевидно, комбайны найдут применение при открытой разработке полезных ископаемых, в том числе и в угольной промышленности. Но масштабы их применения будут определяться техническим совершенством новых агрегатов в отечественном исполнении, стоимостью и соответствием конкретным горно-геологическим условиям.

ПО «Уралмаш» совместно с ИГД СО РАН на базе серийного экскаватора ЭКГ-5А создан и успешно испытан в разнообразных горно-геологических условиях экскаватор ЭКГ-5В с ковшом активного действия. В экскаваторах с ковшом активного действия, также как и в карьерных комбайнах, используется один из наименее энергоемких экологически чистых способов разрушения горных пород под действием направленного удара.

Появлению экскаваторов с ковшом активного действия предшествовал цикл теоретических и экспериментальных исследований по созданию высокоэффективных конструкций приводов для активизации исполнительных органов одноковшовых экскаваторов. Однако трудности, с которыми пришлось столкнуться создателям, удалось успешно преодолеть только в последние годы ученым ИГД СО РАН. Именно здесь были созданы новые, отличающиеся высокой надежностью, конструкции пневмомолотов с энергией единичного удара 1700, а затем 2000 Дж.

Первые образцы экскаватора с ковшом активного действия появились там, где в силу сложной ситуационной обстановки из-за вредных проявлений взрыва было запрещено ведение взрывных работ [5]. В создавшейся экстремальной ситуации при союзе науки с производством найдено новое техническое решение, отвечающее требованиям карьера нового технологического уровня.

В настоящее время экскаваторы типа ЭКГ-5В успешно работают на карьерах стройматериалов по породам крепостью от

30-40 до 120-140 МПа. Везде получены положительные результаты. Техническая производительность, в зависимости от категории пород, снижается в пределах 5-40% . Однако эксплуатационная производительность остается практически постоянной, т.к. экскаватор, в период отсутствия транспорта, занимается подготовкой забоя. Даже при работе в наиболее жестких условиях (в породах крепостью 120-140 МПа) снижение эксплуатационных расходов при использовании новой техники достигает 22-25%.

Накоплен положительных опыт применения экскаватора ЭКГ-5В на Полотнянозаводском карьере (Калужская обл.), разрабатывающем известняки со средней крепостью 100 МПа. В общей стоимости разработки (подготовка-экскавация-транспортирование) затраты на буровзрывные работы составляли 60%. В 1991 г., при обосновании эффективности разработки месторождения, рассматривались варианты с применением буровзрывных работ, механических рыхлителей и экскаватора ЭКГ-5В с ковшом активного действия. Выводы оказались в пользу последнего. Техническая производительность экскаватора ЭКГ-5В составляет 0,55-0,63 от номинальной для серийного экскаватора.

На карьере ПО «Гремячевнеруд» (Нижегородская обл.) экскаватором ЭКГ-5В с 1990 г. ведется разработка карбонатных пород со средней крепостью 60 МПа. Средняя техническая производительность составляет 135-150 мз/ч. При разработке до-ломитизированных известняков и доломитов крепостью 40-60 МПа (Афонасьевский карьер, Московская обл.) техническая производительность экскаватора ЭКГ-5В составляет 242 мз/ч.

Опыт эксплуатации первых экскаваторов с ковшом активного действия позволил выявить рациональные структуры рабочего процесса, так, если объем негабарита в массиве по размерам приемного отверстия бункера перегрузочного пункта не превышает 6-8 % (породы I категории по блочно-сти), то структуру рабочего процесса определяют следующие основные операции: черпание из массива с автоматическим

включением активных зубьев и разгрузкой по назначению - черпание обрушенной горной массы с разгрузкой по назначению - дробление негабаритной массы; осуществляется в период отсутствия транспорта.

При увеличении содержания негабарита в массиве до 70-80 % (породы IV категории по блочности и выше) рабочее время определяют операции: разрушение массива с автоматическим включением активных зубьев и открытым днищем ковша -дробление обрушенной негабаритной массы - черпание разрушенной породы с разгрузкой по назначению. Во избежание больших простоев транспорта подачу его в забой в этом случае следует нормировать.

ПО «Уралмаш» совместно с ИГД СО РАН ведут работы по созданию более мощного экскаватора ЭКГ-12В с новым рабочим оборудованием. Разработано и изготовлено новое ударное устройство к ковшовому пневмомолоту с энергией единичного удара 3,5 кДж, что удовлетворяет условиям ударного разрушения горных пород крепостью до 80 МПа.

Сравнительная оценка эффективности разработки пород по безвзрывной технологии экскаваторами ЭКГ-12В и комбай нами послойного фрезерования типа КЭМ-2000 на перспективных месторождениях Кузбасса показала, что при сложившемся к середине 1994 г. уровне цен на отечественное и импортное оборудование лучшие экономические показатели как по капи-

тальным затратам, так и по эксплуатационным расходам достигаются при применении экскаватора с ковшом активного действия.

ВЫВОДЫ

1. Прогрессивным направлением в совершенствовании технологии открытых горных работ является создание высокопроизводительных карьерных комбайнов для безвзрывной выемки скальных и полускальных пород. Однако известные их конструкции не отвечают в полной мере требованиям технологии, масштабам ведения горных работ и горно-геологическим условиям. Очевидно, в перспективе комбайны найдут применение при открытой разработке, но масштабы их использования будут определяться техническим совершенством новых агрегатов в отечественном исполнении.

2. Положительный опыт внедрения экскаваторов с ковшом активного действия, а также предварительные результаты по изучению области их эффективного применения на выемке скальных и полускальных пород их массива свидетельствуют, что на базе традиционной техники, оснащенной новым рабочим оборудованием, вполне реально создавать карьеры, нового технологического уровня для разработки угольных месторождений. Отечественная машиностроительная база позволяет делать это уже сегодня.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Тангаев И.Л. Энергоемкость процессов добычи и переработки полезных ископаемых. - М.: Недра. 1986. - 231 с.

2. Паначсв И.А., Масасв Ю.Л., Кононов Л.П, Анализ причин загрязнения воздушного бассейна при разработке угольных месторождений Кузбасса с применением буровзрывных работ // Уголь. - 1992. - № 1.-е. 45-46.

3. К оценке удельной энергоемкости рабочего процесса экскаватора с ковшом активного действия / А.Р,Маттис, С.В.Шишаев, Г'.Д.Зайцев и др. // ФТПРПИ. - 1991. - № 4. - с. 63-68.

4. Алистратов К.К)., Луцишин К.В., Хартман Г. Комбайн непрерывного действия 2600 - СМ на карьере тр, «Юбилейная» Ак «Алмазы России-Саха» II Горная промышленность; - 1994. - N9 I. - с. 8-9.

5. Экологические аспекты применения экскаваторов с ковшом активного действия на разрезах Кузбасса / А.С Ташкинов, В.И.Кузнецов, А.В.Бирюков и др. // Труды Второй научно-технической конференции «Экологические проблемы горного производства, переработка и размещение отходов». - М.: Изд-во Московского гос-го горн, ун-та. 1995. - с. 43-45.

© Авторов