CC BY
34
© С.Н. Иванченко, С.А. Шемякин,
2004
УДК 621.879:622
С.Н. Иванченко, С.А. Шемякин
БЕЗВЗРЫВНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ВСКРЫШНЫХ РАБОТ В ЗИМНИЙ ПЕРИОД НА УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЯХ
Семинар № 12
арактерной особенностью большинст-
У\- ва угольных разрезов является то, что у них вскрышной слой имеет мягкие наносные породы. При сезонном промерзании поверхностного слоя уступов крепость мерзлой породы не превышает двух единиц по классификации Протодьяконова М. М. (старшего). Глубина сезонного промерзания поверхностного слоя породы достигает 2-2,5 м, что приводит к необходимости буро-взрывных работ. При небольшой глубине промерзания поверхностного слоя уступа (0,5-0,7 м) корку мерзлоты можно разрушить напорным или подъемным усилиями рабочего оборудования карьерных экскаваторов. Расшатывание и взламывание тонкой корки мерзлоты со стороны откоса уступа можно осуществлять и совместным действием напорного и подъемного усилий карьерных экскаваторов. Разрушение тонких корок мерзлоты не вызывает больших динамических нагрузок на рабочее оборудование карьерных экскаваторов и практически не влечет за собой поломок этих машин. Однако попытки разрушать промерзший поверхностный слой толщиной более 0,7 м приводит к частым поломкам, простоям, затратам на ремонты и к сокращению срока службы дорогостоящей техники.
При разрушении тонких корок мерзлоты ковшами карьерных экскаваторов возможно появление негабаритных кусков породы, особенно со стороны подрытого забоя в зоне рабочих площадок уступов. Значительно уменьшить выход негабаритных кусков при глубине промерзания породы до 0,7 м можно за счет применения для разрушения мерзлой корки со стороны рабочей площадки уступа строительных экскаваторов с рабочим оборудованием в виде рыхлительного зуба или ковша с рыхлительны-ми зубьями, у которых удельное линейное давление режущей кромки зуба на породу увели-
чено в 5...6 раз по сравнению с давлением зубьев для работы с талыми породами.
Для разрушения мерзлой породы со стороны рабочей площадки уступа используют на Лучегорском, Ерковецком и ряде других угольных разрезов бульдозерно-рыхлитель-ные агрегаты. При глубине промерзания до 1.2 м себестоимость разработки мерзлоты бульдозерами-рыхлителями несколько меньше, чем при буро-взрывном способе, однако при большей глубине промерзания из-за необходимости многократного прохода зубьев рыхлительного оборудования по одному месту, преимущества этого способа перед буро-взрывным утрачиваются. При глубине промерзания породы более 0,7-1 м целесообразно использовать для разупрочнения поверхностного слоя рабочих площадок роторные траншейные экскаваторы со специальными прореженными ступенчатошахматными расстановками зубьев на ковшах (рис. 1).
С целью обоснования эффективности использования для разработки мерзлых пород одноковшовых строительных экскаваторов с рыхлительными зубьями на днище ковша и роторных траншейных экскаваторах со специальной расстановкой зубьев, обеспечивающей крупный скол породы, в Хабаровском государственном техническом университете (ХГТУ), были проведены в большом объеме экспериментальные исследования по резанию (рыхлению) мерзлой породы зубьями экскаваторов в полевых и лабораторных условиях, а также производственные испытания одноковшовых и роторных траншейных экскаваторов в зимнее время при различной глубине промерзания. Часовая эксплуатационная производительность испытуемых машин в районах г. Хабаровска, г. Магадана, г. Комсомольска-на-Амуре в неблагоприятный зимний период (конец февраля -начало марта) составляла соответственно для
5
Рис. 1. Схема расстановки зубьев на ковшах роторного траншейного экскаватора (ЭТР-204 А)
одноковшовых экскаваторов (ЭО-4121, ЭО-3322) 8-10 м3/ч, а для роторных траншейных экскаваторов (ЭР-7АМ) 120-130 м3/ч. [1] [2].
Проведенные экспериментальные исследования позволили подойти к созданию аналитической теории определения сопротивлений резанию (рыхлению) мерзлой породы зубьями экскаваторов, навесных рыхлителей и т.п.. Например, для резания (рыхления) методом крупного скола (сотовое резание) касательную составляющую сопротивления Р01, можно определить путем интегрирования нормальных (Гр ,
сдвиговых Т и сминающих (Гсм напряжений
по поверхности отделения элемента стружки в соответствующих четырех зонах (рис. 2).
Зависимость для определения Р01 имеет вид
Р„,
. Й2 + * • * • + -") ] +
008^
{[ А (5. А)+2^22(* ■ А ^ ] +
tg гв 2У 2 3(5 ■ tgв + А)
+[■
(5 ■ tgв + 2А - 2А2)2 - (5 ■ tgв + А)2
[ 5 ■ tgв + А - 2А2
-]}
3,5(5 ■ + И) 3,5(5 ■ tgв + 2И - 2И2
где 5 - ширина режущей кромки зуба; Ь - ширина площадки износа зуба; И - толщина срезаемой стружки; И2 - глубина нижней части
прорези; /и - угол трения породы о зуб; -
угол наклона между плоскостью площадки затупления и касательной к траектории движения зуба; в - угол переднего скола.
Рассматриваемая теория достаточно уникальна, так как легко осуществить переход от крупного скола, например, к блокированному резанию, отняв составляющие сопротивления в третьей и в четвертой зонах поверхности отде-
Рис. 2. Схема предельного равновесия и проекции элемента стружки при резании (рыхлении) мерзлой породы методом крупного скола
ления элемента стружки. Для разрушения промерзшего слоя породы на глубину 0,7 м со стороны откоса уступа все перечисленные ранее машины непригодны.
Анализ мирового парка горной техники показывает, что для указанных целей отсутствуют какие-либо машины или механизмы и единственным средством пока является глубокое бурение с последующим взрывом. С целью полного разрушения всего промерзшего слоя породы со стороны откоса уступа высотой 15-18 м скважины бурят и закладывают взрывчатые вещества на глубину до 9-12 м (Райчихинский угольный разрез) согласно известных технологий [3]. Со стороны рабочих площадок скважины бурят и закладывают взрывчатые вещества на глубину промерзания породы. При такой технологии буровзрывных работ расчетная себестоимость разрушения промерзшего слоя породы составляет не менее 0,7 уел. ед./м3.
Существенное повышение стоимости взрывчатых веществ в последние годы, а в ряде случаев трудности с приобретением их, привели к поискам альтернативных технологий разрушения промерзшего слоя уступов.
Кафедрой «Строительные и дорожные машины» ХГТУ совместно с институтом горного дела ДВО РАН разработана безвзрывная тех-
нология разрушения промерзшего поверхностного слоя уступов на угольных разрезах (рис. 3). Согласно этой технологии для обеспечения разрушения промерзших откосов уступов целесообразно проводить разупрочнение их путем бурения скважин параллельно поверхности откоса под углом ориентировочно 30° относительно вертикали и в подошве уступа под углом 45° относительно вертикали. Скважины в подошве уступа достаточно бурить только на глубину промерзания породы и в один ряд по длине уступа с минимальными расстояниями друг от друга, чтобы уменьшить сопротивление отрыву блока мерзлой породы ковшом карьерного экскаватора. Скважины параллельные поверхности откоса уступа необходимо бурить рядами, оси которых будут перпендикулярны к поверхности откоса. Расстояние между рядами должно быть несколько меньше ширины ковша карьерного экскаватора. Бурение скважин целесообразно осуществлять высокопроизводительными станками, например Д-90 КБ или Д-400 БР. Такие станки могут бурить скважины диаметром 254-311 мм на глубину до 18... 19,8 м без замены штанги с подачами 37...38 м/мин в однородных мерзлых породах с коэффициентом крепости порядка двух единиц, достигая эксплуатационной производительности до 1000 и более метров в смену.
После прохода буровых станков в работу вступает роторный траншейный экскаватор
марки ЭТР-204 А или ЭТР-254-01, который отрывает продольные траншеи шириной 1.2 м в рабочей площадке уступа на глубину промерзания породы с перемычками в 1,01 ми сразу их засыпает ленточным конвейером от дальнейшего промерзания.
После разупрочнения продольные блоки мерзлой породы на рабочей площадке и наклонные блоки по откосу уступа взламываются путем совокупного воздействия подъемного и напорного усилий рабочего оборудования или за счет работы механизма передвижения карьерного экскаватора. Выламывание ковшом карьерного экскаватора продольных блоков со стороны рабочей площадки не представляет затруднений. Этот метод широко применяется в строительстве. Продольные блоки шириной 11,2 ми толщиной 1,5-2,5 м после нарезания щелей баровыми машинами выламываются и вынимаются на поверхность ковшами строительных экскаваторов четвертой и пятой размерной группы (ЭО-4121, ЭО-5124), Усилия на ковшах карьерных экскаваторов (ЭКГ-5А, ЭКГ-8И, ЭКГ-8У) в 2-4 раза больше, чем у строительных экскаваторов рассматриваемых размерных групп. Значительно больших усилий и энергозатрат требует расшатывание и отделение мерзлоты из разупрочненного борта уступа. С целью выявления возможностей того или иного карьерного экскаватора для разрушения ра-зупрочненных откосов уступов авторами пред-
ложена методика определения необходимых усилий для отделения блоков мерзлоты.
Определение расчетным путем необходимого усилия для разрушения разупрочненных откосов уступов представляет достаточно трудоемкую и специфичную задачу, поскольку сечение по местам отделения каждого блока, с учетом ослабления пробуренными скважинами, имеет сложную форму в двух плоскостях, причем прочность породы по глубине промерзания различна.
Анализ изменения температуры, влажности, крепости породы, оцениваемой числом ударов динамического плотномера ДорНИИ, по глубине сезонного промерзания, показывает, что в наиболее неблагоприятный зимний период, когда достигается максимальная глубина промерзания откоса уступа (конец февраля - начало марта), можно принять распределение предельных напряжений разрушения породы по глубине массива линейным. В другие зимние месяцы года оценивать распределение прочностных характеристик породы по глубине промерзания откоса возможно путем использования данных метеостанций о распределении температуры в массиве земли, а также известных соотношений между предельными разрушающими напряжениями и температурой породы.
Задачу по определению необходимого усилия Р (рис. 4) для отделения одного блока
мерзлой породы с размерами (■ 12 ' Ь ) можно решить путем приближенного интегрирования предельных разрушающих (в данном случае изгибающих) напряжений в перемычках
Рис. 3. Технологическая схема разупрочнения откосов и рабочих площадок уступов в зимнее время
между скважинами и применения принципа независимости действия сил по расчетным сечениям в вертикальной (BCEF) и нижней наклонной (ЛВСД) плоскостях. Расчетное сечение (ЛВСД) в нижней наклонной плоскости, ослабленное также скважинами, можно разбить на ряд участков (1, 2, 3..n) ив каждом из них опре-
делить среднее разрушающее напряжение.
Необходимое усилие для отделения блока мерзлой породы P, направленное в плоскости параллельной рабочей площадке уступа равно
P = S ■ sin а,
где ОС - угол наклона откоса уступа.
В свою очередь усилие S, направленное перпендикулярно к поверхности откоса, может быть определено из выражения S = S1 + S2 + G • sin a,
где S] - необходимое усилие для отделения блока по вертикальному сечению BCEF; S2 -необходимое усилие для отделения блока по нижнему наклонному сечению АВСД; G - вес блока.
Усилие S], создает момент для отделения блока по вертикальному сечению BCEF, a S2 -по нижнему наклонному сечению АВСД.
Тогда Mi = Si • li, a M 2 = S 2 • /2 . Момент M], с достаточной степенью точности можно определить по зависимости
м i = ^ W +^, W +... + • W,
где <J1cp ...G - средние значения предель-
ных разрушающих напряжений в соответствующих перемычках между скважинами;
W .. W - моменты сопротивления сечений соответствующих перемычек ме^ду скважинами относительно ОСИ X - X.
Аналогично можно определить и момент М2, используя зависимость
M =&' ■ W' + a' -W' + +а' ■ W',
1И2 и1ср гг1^и2ср "2Т”'Т и ncp rrn ’
где СГ-
\ср
' ^2ср-----^пср
средние значения пре-
дельных разрушающих напряжении соответственно на участках перемычек (1, 2.. .п) нижнего наклонного сечения АВСД.
Следует учитывать, что момент М1 и усилие SI, необходимые для отделения блока по вертикальному сечению БСЕЕ значительно больше момента М2 и усилия S2, которые необходимы для отделения блока по сечению АВСД. В связи с этим уменьшение расстояния между скважинами в вертикальной плоскости
Рис. 4. Расчетная схема для определения необходимого усилия для отделения одного блока мерзлой породы из откоса уступа: а - общая схема; б -сечение в вертикальной плоскости; в -сечение в нижней наклонной плоскости
имеет особое значение, особенно с внешней стороны откоса, где крепость породы имеет наибольшее значение.
Карьерные гидравлические экскаваторы предпочтительнее для отрыва блоков, поскольку имеют более жесткое рабочее оборудование по сравнению с экскаваторами имеющими гибкую подвеску стрелы и рукояти. Кроме того, для отрыва промерзших блоков со стороны откоса уступа целесообразно использовать механизм передвижения экскаваторов, поскольку свободная сила тяги на гусеницах (при вычитании сопротивления передвижению) значительно превосходит суммарную силу подъема и напора карьерных экскаваторов.
Предлагаемая технология вскрышных работ в зимнее время позволяет уменьшить в 1,51,7 раза себестоимость разрушения мерзлой породы по сравнению со взрывным способом. Расчетная себестоимость разрушения мерзлой породы по предлагаемой технологии составляет (на конец февраля) 0,4-0,45 уел. ед./м3.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Домбровский Н.Г., Шемякин С.А. Повышение производительности траншейных экскаваторов при разработке мерзлых грунтов. Межвузовский сборник научных трудов. «Оптимальное использование машин в строительстве». Вып. 3. Хабаровск, 1974.
2. Шемякин С.А., Крадинов ИС. Ковш одноковшовых гидравлических экскаваторов для разработки
мерзлого грунта//Строительные и дорожные машины, № 8, 1982.
3. Томаков П.И., Наумов И.К. Технология, механизация и организация открытых горных работ: Учебник для вузов. - 3-е изд., перераб. - М.: Изд-во Моск. горного ин-та, 1992. - 464 с.
— Коротко об авторах ------------------------------------------------------------------------
Иванченко Сергей Николаевич - профессор, доктор технических наук, ректор ХГТУ, заведующий кафедрой «Строительные и дорожные машины» со специализацией «Открытые горные работы».
Шемякин Станислав Аркадьевич - кандидат технических наук, доцент кафедры «Строительные и дорожные машины» со специализацией «Открытые горные работы» Хабаровского гос. техн. ун-та (ХГТУ)
