CC BY
152
Ushakov Mikhail Vitalyevich, doctor of technical sciences, professor, [email protected], Russia, Tula, Tula State University
УДК 622.23.05
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ БЕЗВЗРЫВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ДОБЫЧИ ИЗВЕСТНЯКОВ И ДОЛОМИТОВ
В.П. Сафронов, Ю.В. Зайцев, В.В. Сафронов
Приводится технико-экономический анализ различных видов технологий подготовки и экскавации пород при разработке месторождений известняков и доломитов на примере применения буровзрывного способа с использованием добычного фрезерного комбайна, гидравлического экскаватора с комплектом быстросъемного навесного оборудования, бульдозерно-рыхлительного агрегата на базе трактора. Определены области их применения, где технология, с использованием того или иного вида оборудования, может максимально проявить свои преимущества и показать эффективность при правильной оценке породного массива.
Ключевые слова: известняк, карьер, безвзрывные технологии, проектирование.
В условиях рыночной экономики, когда горнодобывающее предприятие само занимается поиском потребителей своей продукции, возникает необходимость гибко реагировать на спрос товарной продукции. Под гибким реагированием подразумевается то, что горное предприятие должно иметь возможность менять ассортимент продукции в зависимости от спроса на рынке, то есть оно должно иметь гибкость в технологии добычи сырья и его переработки в товарную продукцию. При этом подразумевается рациональное использование полезного ископаемого, что предполагает не только снижение количественных потерь, но и максимальное использование показателей качества ископаемого, заложенных природой.
Как показывает практика, «гибкость» желают иметь все карьеры, а внедрять новые технологии по добыче и переработки сырья вызывает сомнение с позиции времени окупаемости. Однако в силу ряда причин, горные предприятия вынуждены, по крайней мере, все чаще обращать внимание не только на передовую технику, но и на прогрессивные технологии, позволяющие снижать себестоимость продукции, даже если срок окупаемости капитальных вложений, как правило, составляет 5 - 7 лет [1].
Гибкость технологий разработки известняков и доломитов в целом обеспечивается гибкостью отдельных технологических процессов по добыче сырья и процессам переработки, которые реализуются прогрессивными машинами по передовым технологическим схемам. Первые экспериментальные попытки уже встречаются на практике работы карьеров. Так, в технологические процессы добычи сырья включаются селективные схемы разработки залежи и пород вскрыши, а вот селективных схем отработки месторождений пока нет [2].
Более привлекательными становятся безвзрывные технологии подготовки и экскавации запасов полезного ископаемого из-за ограничений по охранным зонам (населенный пункт, инженерные сооружения, заповедные территории и др.). В основном карьеры по-прежнему ведут взрывные работы, а при приближении к охранным зонам вынуждены переходить на безвзрывной или усовершенствованный взрывной способ подготовки массива к экскавации.
Выбор способа подготовки породных массивов к экскавации зависит не только от места расположения охранных зон относительно границ горного отвода, но и от горно-геологических условий разработки месторождений, от требований к сырью, технических условий эксплуатации вы-емочно-погрузочного и перерабатывающего сырье оборудования.
Для реализации безвзрывного способа разработки известняков и доломитов требуется применение следующих машин: бульдозерно-рыхлительного агрегата на базе трактора, фрезерного добычного комбайна, гидромолот в качестве навесного оборудования на гидравлический экскаватор, экскаватора с прямой лопатой (ковш с активными зубъями, гидравлический экскаватор), рыхлителя (вместо ковша) для гидравлического экскаватора с обратной лопатой. Применение перечисленных машин в безвзрывной технологии возможно при добыче полускальных трещиноватых и даже скальных пород. Одним из неоспоримых главных преимуществ данной технологии над БВР является возможность производить селективную выемку породной массы в условиях осадочных месторождений, имеющих слоистую структуру с прослойками пустой или некондиционной породы. Наибольшее распространение эти машины получили на месторождениях известняка и доломита, в том числе песчанике, мергеле, а также на техногенных залежах - например, металлургическом шлаке, слежавшихся хвостах обогатительных предприятий. В настоящее время безвзрывная технология широко применяется на известковых месторождениях в Германии, где в связи с высокой плотностью населенных пунктов, наряду с тенденцией к увеличению производительности горнодобывающих комплексов и снижению себестоимости работ особое внимание уделяется
уменьшению вредного воздействия на окружающую среду. Окончательный выбор машин для безвзрывной технологии можно сделать только после детального анализа горно-геологических условий залегания полезного ископаемого на всем месторождении.
При оценке карбонатных массивов, пригодных для добычи по безвзрывной технологии, учитываются: слоистость, трещиноватость массива и прочностные свойства пород. Для оценки пригодности породного массива к механическому рыхлению широко используется акустический метод. Акустический метод позволяет произвести раскройку карьерного поля на выемочные блоки и установить для каждого блока вектор эффективного направления перемещений добычных технологических машин. В зависимости от скорости прохождения звуковой волны через породный массив определяются пригодность пород и эффективное направление рыхления (чем породы монолитнее, тем выше скорость звуковой волны и наоборот). Однако этот метод только косвенно определяет физико-механические свойства породного массива. Результатом раскройки залежи полезного ископаемого является паспорт технологических свойств карбонатного массива. Паспортизация массива пород дает возможность установить участки месторождения, которые подходят для реализации механического способа. К технологическим параметрам породного массива, которые наиболее существенно влияют на процесс рыхления породного массива, относятся: мощность слоя, размеры отдельностей в каждом слое, прочностные характеристики цементационных связей отдельностей. При паспортизации технологических параметров породного массива следует обращать внимание на то, что такие параметры, как мощность слоя и размер отдельности слоя зависимы: при мощности слоя И длина и ширина природной отдельности карбонатного массива соответственно равны 2И и И.
Рассмотрим эффективные области применения вышеперечисленных машин и оборудования на примере среднестатистического месторождения известняков.
Месторождение представлено пластами мелкозернистого известняка, перемежающимися слоями мергеля и глинистыми отложениями. Угол падения формации 4...8 Месторождение имеет невыдержанную по качеству структуру, что обусловлено наличием в пластах низкосортных известняков, прослоев карбонатных песчаников и мергеля. Известняки сред-
3
ней абразивности имеют плотность 2,4 т/м , влажность 7.11 % летом и 15 % в сезон осадков, характеризуются пределом прочности на сжатие 40.60 МПа. Скорость прохождения сейсмических волн через массив известняка в пределах 850.1950 м/с. Вскрышные породы представлены в основном рыхлыми отложениями, разрабатываются гидравлическим экскаватором обратной лопатой с погрузкой в автосамосвалы грузоподъемностью 30 т.
В этих условиях применяется комбайн модели 2100 SM Wirtgen. Выявлены особенности и трудности его использования. Так, при разработке известняка на участках, представленных крепкими монолитными разностями крепостью 60 МПа и более, на комбайне имели место повышенные вибрации. При разработке слоев, представленных более крепким конгломератом, отмечается повышенный износ и порезы лент первичного конвейера. Кроме того, на влажной и скользкой поверхности рабочей площадки комбайн работал с пробуксовыванием гусениц.
В этих же условиях применяется комбайн модели 2500 SM Wirtgen. При разработке крепких известняков не отмечалось ни пробуксовывания гусениц, ни вибрации. Из-за снижения темпов вскрышных работ произошло сокращение фронта добычных работ с 150 до 100 м, что повлекло за собой увеличение количества разворотов комбайна от одного до пяти и соответственно увеличение суммарного времени на развороты с 60 до 70 мин, что в конечном итоге отрицательно сказалось на его производительности. Глубина фрезерования составляла около 50 см. Рабочая скорость комбайна составила в среднем около 6,5 м/мин. Монолитные крепкие разности в структурных слоях известняка также создавали трудности для работы комбайна. Крепкие отдельности застревали между режущим барабаном и передней плитой. Плита не могла быть поднята, что не позволяло комбайну совершить разворот. Негабаритные отдельности приходилось извлекать из рабочей камеры фрезерного барабана вручную. Время простоев составило в среднем 13 % от сменного времени, и простои обусловлены только этой причиной. Высокий процент затрат времени на развороты комбайна связан с малыми размерами рабочей площадки, что не только увеличивало количество разворотов комбайна, но и затрудняло их выполнение. Технические возможности машины позволяют достаточно легко развивать производительность 480 т/ч. Вместе с тем, отмечены значительные затраты времени на обмен автосамосвалов, обусловленные плохим состоянием поверхности рабочих площадок.
Опыт разработки известняковых месторождений комбайнами Wirtgen при тонкослоевой технологии подтвердил высокие качественные показатели безвзрывной добычи сырья для цементной промышленности при вполне удовлетворительных затратах, но не для производства щебня, штучных блоков и бутового. Технология выемки известняков комбайнами Wirtgen отвечает требованиям экологии и самым эффективным способам механизации при селективной разработке сложноструктурных месторождений полезных ископаемых, находящихся вблизи населенных пунктов, железнодорожных линий и автодорог и других инженерных сооружений, а также вблизи природных заповедников и других охраняемых зон и объектов. Запасы месторождения могут быть реально и без потерь извлечены из
недр. Комбайновая выемка облегчает контроль процесса производства, который к тому же сопровождается значительным сокращением потребности в людских ресурсах. Удельные эксплуатационные показатели работы комбайна 2100 8М и 2500 8М приведены в табл.1.
Таблица 1
Удельные эксплуатационные показатели работы комбайна
2100 8И и 2500 8И
Среднесуточная продолжительность работы, ч Расход резцов, шт./1000 т Расход дизельного топлива, л
На 1 мото-час На 1 т
9,08 6,48 65 0,49
Среднесуточная продолжительность работы, ч Расход резцов, шт./1000 т Расход дизельного топлива, л
На 1 мото-час На 1 т
8,9 2,65 90 0,38
Максимальный размер куска полезной массы, добытой комбайном, значительно меньше по сравнению не только с традиционной буровзрывной технологией, но и с применением, например, рыхлительно-бульдозерных агрегатов на базе трактора.
Для цементного производства требуется исходная полезная масса фракции менее 70 мм. Комбайн 2100 8М выдает около 90.95 % массы, которая соответствует указанным кондициям. Комбайн 2500 8М увеличивает до 30 % выход крупных (до 250 мм) фракций, а кондиционная масса снижается до 70 %. Следовательно, часть массы может идти как бутовый камень или для производства щебня.
Добыча (фрезерование) известняков прочностью 30.60 МПа комбайном 2500 8М обеспечивает лучшие показатели по сравнению с моделями 2100 8М и 2200 8М, что объясняется задним расположением разгрузочного конвейера, при котором создаются наилучшие условия для передачи материала от фрезерного барабана на разгрузочную консоль. Большая масса машины способствует лучшему внедрению резцов в массив, и благодаря более высокому тяговому усилию наблюдается концентрация больших динамических сил. Вибрация на комбайне 2500 8М практически отсутствует.
Применение комбайновой технологии сокращает потребность в первичном дроблении. Мелкофракционный материал полезной массы позволяет увеличить коэффициент использования грузоподъемности автоса-
мосвала. Сокращаются расходы на транспортирование полезной массы от забоя до пункта приема. Ровная поверхность рабочих площадок способствует уменьшению износа ходового механизма автотранспорта.
Комбайны типоразмеров 2200 8М и 2500 8М благодаря большой собственной массе в условиях с крупноблочной структурой массива известняков более эффективны, а благодаря наличию в известняках внутренней (поровой) влаги, пыль при работе комбайна образуется в малых количествах. В сухих известняках на комбайне включается система пылеподав-ления, предусматривающая подачу воды через форсунки в камеру рабочего барабана и на разгрузочный конвейер. Однако фрезерный комбайн требует фронт добычных работ значительной протяженности. Для этого нужно иметь существенные опережения фронта вскрышных работ и фронта отвальных работ с учетом фронта рекультивационных работ. Многим карьерам выдержать такое положение не под силу, во-первых, по причине мощности вскрышной толщи, которая достигает 15.. .20 м и более, во-вторых, сезонности (нестабильности) спроса на производимое ими сырье. Закарстованные карьерные поля также накладывают дополнительное ограничение на внедрение фрезерных комбайнов.
Не эффективно применение фрезерных комбайнов при тонкоплитчатой структуре породного массива. Производительная работа комбайна наблюдается при крупноблочной структуре карбонатного массива. Технология с применением фрезерных комбайнов предусматривает задействование больших рабочих площадей.
Применение мобильных комплексов оборудования, включающих бульдозерно-рыхлительные агрегаты (БРА), является тоже перспективным направлением механизации горных работ в карьерах, разрабатывающих массивы известняков или доломитов [1]. Основные достоинства БРА - это возможность работы при небольшой протяженности фронта добычных работ; мобильность; возможность работы на наклонной поверхности забоя; регулирование фракционного состава полезной массы в широком диапазоне. Несмотря на достоинства БРА, имеются и существенные недостатки: эффективная область применения ограничивается прочностными особенностями карбонатного массива (до 80 МПа); по производительности добычные работы с применением БРА уступают результатам буровзрывных работ и результатам работы фрезерных комбайнов; для эффективной работы БРА базовая мощность трактора должна быть не менее 500 л.с. Однако, как показала практика, даже при такой мощности трактора невозможно ее реализовать в максимальное тяговое усилие - по причине пробуксовки гусениц. Устранение этих недостатков является актуальной проблемой внедрения БРА. Необходимость разработки уступов слоями небольшой мощности и, как следствие этого, незначительная высота забоя для погрузочного механизма несколько ограничивают область применения рыхлителей и
оказывают существенное влияние на выбор рациональных средств комплексной механизации и технологии добычных работ. С одной стороны, незначительная высота забоя затрудняет непосредственную выемку разрыхленной горной массы механическими лопатами, так как для производительной их работы в данном случае требуется предварительное ее штабелированные. С другой стороны, обеспечивая высокое качество подготовки известняков или доломитов, БРА позволяет повысить эффективность работы скреперов, бульдозеров, одноковшовых погрузчиков и погрузочных машин непрерывного действия. Наиболее рациональной является схема рыхления горизонтальными слоями (поуступная схема), при которой разрыхленная порода сталкивается бульдозером по выположенному откосу на подошву уступа, где и производится ее погрузка в транспортные средства. При рыхлении наклонными слоями откос уступа выполаживается до 20.25 что позволяет увеличить производительность БРА.
На практике при рыхлении карбонатных массивов с прочностью пород до 80 МПа себя зарекомендовали БРА на базе трактора более 500 л.с. Главные достоинства БРА - простота конструкций рыхлителя, не требуются большие площади забоев. Как показывает практика, область применения БРА ограничена не только мощностью базового трактора, но и невозможностью реализовать его паспортную мощность в максимальные тяговые усилия по причине недостаточного зацепления гусениц трактора с поверхностью забоя. Основным недостатком рыхления пород БРА является то, что процессы рыхления и погрузки разрушенной породы разделены во времени и требуют дополнительной горной техники. Применение БРА не обеспечивает выполнение требований инспекции по уровню шума.
Анализ опыта механического рыхления с применением БРА показывает, что применение гидростатических рыхлителей на бульдозерах нового поколения существенно увеличивает максимальные тяговые усилия.
Применение гидравлических экскаваторов типа прямая лопата позволяет совместить в одной машине процессы разрушения массива пород и погрузку. Разрушение массива прямой гидравлической лопатой производится путем внедрения ковша в трещины между отдельностями и выламывания кусков пород поворотом ковша. Высота забоя для прямых лопат, как правило, не превышает 10 м. Машинист экскаватора, видя перед собой забой, выбирает места видимых ослаблений породного массива и производит его разборку. При этом обеспечивается селективная выемка пород.
При работе гидравлического экскаватора типа обратная лопата машинист не видит поверхность забоя. Разрушение массива производится путем рыхления пород ковшом или рыхлителем, который устанавливается вместо ковша обратной лопаты. При использовании рыхлителя достигается высокая концентрация усилий, что обеспечивает подготовку к выемке
мощных слоев с крупноблочной структурой. Высота забоя обратной лопаты не превышает 6 м. Рыхлитель для обратной лопаты впервые разработан фирмой ЫЕБНЕКЯ специально для работы в тяжелых условиях (прочность пород 80.100 МПа). При этом быстрая смена ковша на рыхлитель и обратно обеспечивается адаптером оригинальной конструкции. Этими устройствами оборудуются все карьерные экскаваторы фирмы ЫЕБНЕКЯ типа обратная лопата эксплуатационной массой до 115 т. Анализ опыта применения гидравлических экскаваторов фирмы ЫЕБНЕКК на карьерах строительных материалов показывает, что прочность на одноосное сжатие пород, разрабатываемых без предварительного рыхления взрывом, может достигать 120.150 МПа. Для выемки пород гидравлические экскаваторы со сменным рабочим оборудованием по типоразмеру принимаются всегда больше, чем требуется для обеспечения заданной производительности по погрузке горной массы.
Отметим достоинства и недостатки таких машин на примере выемки известняков гидравлическим экскаватором типа обратная лопата весом 165 т Я-992.
Экскаватор имеет рыхлитель с одним клыком. Погрузка в автотранспорт осуществляется ковшом. Быстрая смена ковша обратной лопаты на рыхлитель и обратно обеспечивается специальным адаптером с гидравлическим приводом тяжелого типа. Управление адаптером осуществляется непосредственно из кабины экскаватора. По времени операция по смене навесного оборудования составляет в среднем за 20 сек. Высота забоя экскаватора для рассматриваемого случая в среднем составляла 4,5 м. Глубина рыхления при такой высоте уступа составляла 0,7.1 м. При встрече по уступу участков с крупной блочной структурой появлялись негабариты. Для их дробления использовался гидромолот. В процессе отработки забоя разрушенная порода обрушалась вниз на нижнюю площадку уступа, а затем отгружалась в автосамосвалы. Время погрузки автосамосвалов грузоподъемностью 40 т составляла в среднем 2 - 3 мин.
Разрушение массива рыхлителем начиналась сразу, после окончания погрузки и продолжалась в течение обмена автосамосвалов. Одна треть рабочего времени экскаватора приходилась на погрузку разрушенной породы. Остальное время занимал процесс рыхления, сортировки блоков, разрушение негабаритов, замену коронок и т.д. Производительность экскаватора при выемке известняков из массива с предварительным их рыхлением при мощности пропластка пустой породы до 0,2.0,4 м составила более 400 т/ч.
Рассмотрены три варианта технологических процессов.
1. Бурозрывные: буровые работы, взрывные работы, разделка негабаритов, экскавация, транспортирование породной массы до пункта приема породной массы.
2. Механическое разрушение с использованием фрезерного комбайна: послойное разрушение породного массива с одновременной погрузкой породной массы, транспортирование до приемного пункта.
3. Механическое рыхление с использованием рыхлительно-бульдо-зерного агрегата: послойное рыхление, укладка в штабель, погрузка экскаватором или погрузчиком, транспортирование до пункта приема породной массы.
4. Механическая разборка породного массива гидравлическим экскаватором с комплектом навесного оборудования: рыхление, погрузка, транспортировка до приемного пункта дробильно-сортировочного комплекса, дробление.
Получены результаты технико-экономического сравнения приведенных вариантов по технологиям добычи известняков (табл.2).
Таблица 2
Стоимость добычных работ при одинаковой заданной производительности добычного комплекса
Наименование технологии добычных работ по известнякам Стоимость без учета амортизации, руб./т Стоимость с учетом амортизации, руб./т
С применением БВР 21,2 26,4
С применением фрезерного комбайна 31,63 46,12
С применением БРА 19,3 28,7
С применением гидравлического экскаватора со сменным рабочим органом 7,25 8,9
Из табл. 2 следует, что эксплуатационные затраты для экскаватора ниже, чем для фрезерного комбайна, ниже, чем для технологии с использованием БВР, ниже, чем для технологии с применением БРА.
По результатам технико-экономического анализа стоимости добычных работ сделаны следующие выводы:
1) при разрушении известняков наименьшие затраты достигаются при использовании гидравлического экскаватора «обратная лопата» со сменным рабочим органом. Удельные затраты на разрушение пород (руб./т) в 3 раза ниже, чем для БВР, и в 4,5 раза ниже, чем для добычного фрезерного комбайна. Выгодным является режим работы экскаватора с использованием рыхлителя в пределах 20.35 % от общего времени работы экскаватора;
2) добычные работы с применением фрезерного комбайна эффективны в случае отсутствия необходимости повторного дробления горной массы на выходе из добычного комбайна. Если комбайн не обеспечит не-
97
обходимый гранулометрический состав сырья, подаваемого на переработку, то себестоимость при использовании данной технологии превысит себестоимость БВР и себестоимость при использовании технологии с применением гидравлического экскаватора «обратная лопата» со сменным рабочим органом. Кроме того, ряд предприятий, эксплуатирующих добычные фрезерные комбайны на второй и последующие годы, отмечают резкий рост эксплуатационных затрат, а также снижение коэффициента их технической готовности и производительности при переходе комбайна на участки карьера, где материал обладает более высоким сопротивлением резанию;
3) добычные работы с применением БРА характеризуются высокими эксплуатационными затратами, в основном связанными с интенсивным износом ходовой части трактора. Недостаток технологии с применением БРА заключается в необходимости включать в добычной комплекс вы-емочно-погрузочное оборудование.
Список литературы
1. Сафронов В.П., Сафронов В.В. Прогрессивные технологии и комплексы оборудования разработки месторождений карбонатных горных пород: монография. Тула: Изд-во ТулГУ. 2009. 242 с.
2. Сафронов В.П., Ликин В.Н. К вопросу создания оборудования избирательного действия для открытой добычи твердых полезных ископаемых // Технология механизация горных работ: сб. науч. трудов / ТулГУ. Тула, 1998. С. 143 - 145.
3. Сафронов В.П., Ликин В.Н., Олюнин В.В. Технические средства и эффективные технологии добычи и переработки нерудных строительных материалов. Тула: Тульский полиграфист, 2001. 556 с.
Сафронов Виктор Петрович, д-р техн. наук, проф., Safronov-vpalist.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Зайцев Юрий Владимирович, канд. техн. наук, доц., yura.zaytsev. [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Сафронов Вадим Викторович, канд. техн. наук, гл. инженер, Safronov-vp@,list.ru, Россия, Тула, ОАО «Тулагипрохим»
EFFICIENCY OF USE OF THE EQUIPMENTFOR REALIZATION OF TECHNOLOGIES OF PRODUCTIONLIMESTONES AND DOLOMITES
WITHOUT EXPLOSION
V.P. Safronov, Y. V. Zaytsev, V. V. Safronov
In clause the technical and economic analysis of various kinds of technologies of preparation and collection of breeds is resulted by development of deposits limestones and dolomites on an example of application of an explosive way with use of a milling combine, hydraulic dredge with a complete of the equipment, BRА on the basis of a tractor. The areas of their application are certain, where the technology, with use of that or other kind of the equipment, can much as possible show the advantages and to show efficiency at a correct estimation of rock mass.
Key words: limestone, mine, technology without explosion, designing.
Safronov Viktor Petrovich, doctor of technical sciences, professor, [email protected], Russia, Tula, Tula State University,
Zaytsev Yurii Vladimirovich, candidate of technical sciences, docent, yu-ra.zaytsev. [email protected], Russia, Tula, Tula State University,
Safronov Vadim Viktorovich, candidate of technical science, main engineer, [email protected], Russia, Tula, Open Society «Tulagiprohim»
УДК 621.9
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА СМЕШЕНИЯ РАЗНОАГРЕГАТНЫХ СРЕД
В.Б. Морозов, Т.Г. Морозова
Проведена экспериментальная оценка процесса смешивания смеси «газ - жидкость». Разработан и реализован алгоритм процедуры, сформулированы конкретные рекомендации.
Ключевые слова: смешивание, агрегатное состояние, эксперимент, алгоритм, технологические рекомендации, производительность, эффективность.
Технологическое оборудование пищевых производств, используемое для приготовления смесей состава «газ - жидкость», имеет рекомендательное обоснование функциональных параметров. Возникает задача научно подтверждённого определения различных характеристик процесса смешивания. Главными из них являются длительность эффективного перемешивания и время сохранения качества готового продукта. Второстепенными параметрами, но выступающими в рамках начальных условий, являются объём продукта, частота вращения мешалки, тип и характеристики рабочего органа под конкретный вид продукта.
Для решения данной задачи определено следующее.
