CC BY
62
УДК 622.271.4
Е.В. Курехин
К ВОПРОСУ КОМПЛЕКТАЦИИ ВЫЕМОЧНО-ПОГРУЗОЧНОГО ОБОРУДОВАНИЯ ПРИ ОТРАБОТКЕ РАЗРЕЗОВ МАЛОЙ И СРЕДНЕЙ МОЩНОСТИ
В работе [1] показано, что на перспективных угольные месторождения Кузбасса в Ленинском, Ерунаковском, Терсинском, Томусинском геоло-го-экономических районах возможно строительство преимущественно разрезов малой и средней мощности (0,1-1,5 млн.т/год).
Для таких разрезов актуальным является вопрос комплектации оборудования ввиду требования минимальности капитальных вложений и, следовательно, ограниченной возможности насыщения разрезов выемочно-погрузочным оборудованием.
Рассмотрим принципиальный подход к комплектованию оборудования на разрезах малой и
средней мощности. При открытом способе разработки месторождения в карьерном поле выполняются три вида выемочно-погрузочных горных работ: разработка наносов (рыхлых четвертичных отложений), коренных пород и угольных пластов.
Для выполнения этих работ оборудование для разработки малых и средних разрезов может комплектоваться по следующим вариантам: 1) для отработки наносов, коренных пород и ведения добычных работ используются экскаваторы одной модели; 2) для разработки наносов и коренных пород применяются экскаваторы одной модели, а на добычных работах другой модели; 3) для разработки наносов и добычных работах применяют-
Таблица 1.Четвертичные отложения (наносы) на перспективных месторождениях Кузбасса [2]
Геолого-эконо-мический район Месторождения Мощность наносов, м
Ленинский Тамбовское, Никитенско-Мусохрановское, Ленинское и др. от 5-10 м в долинах рек до 24 м на водоразделах
Ерунаковский Новоказанское, Жерновское, Ерунаковское, Соколовское и др. от 0,5-1 м ,,, повсеместно до 35-40 м
Терсинский Макарьевское, Терсинское, Кушеяковское, Увальное и др. от 5-10 м в речных долинах до 5-15 м на водоразделах
Томусинский Ольжерасское, Томское, Распадское, Чексинское и др. от 5-10 м в речных долинах до 0,5-2 м на водоразделах
Таблица 2. Достигнутая производительность обратных гидравлических лопат на разрезах Кузбасса
Модель Вместимость Годовая производи- Горная Продолжи-
экскаватора ковша, м3 тельность, тыс.т. м3 масса тельность цикла, с
Cat-375L 3,6 964 уголь 25,0
Volvo EC460 3,7 954 уголь 25,0
Hitachi ZX-850 4,3 343,5 уголь 26,5
Hitachi ZX-850 4,3 874 вскрыша 27,3
Volvo EC 460B 2,6 1270 вскрыша 22,5
Liebherr 974C 5,0 1181 вскрыша 27,2
Volvo EC 460B 2,6 1061 вскрыша 22,5
Cat-385 4,8 480 уголь 27,8
Cat-365 3,2 146 уголь 24,0
Volvo EC 460B 3,2 1247 уголь 24,0
Volvo EC 460B 3,2 1065 вскрыша 23,5
R984 C 5,2 605 уголь 28,5
Volvo EC 460 2,4 680 уголь 23,5
Volvo EC 460 3,2 939 уголь 23,5
Cat-375 3,6 795 уголь 30,1
Cat-345 3,1 691 уголь 26,2
Volvo EC 460 3,2 648 уголь 23,5
Volvo EC 460 2,5 502 уголь 23,3
Cat-375 5,1 1226 уголь 28,2
Cat-375 5,1 1163 уголь 28,2
R984 C 6,0 1212 уголь 28,5
R994 L 11,0 1872 уголь 34,3
Таблица 3. Годовые объемы наносов при разработке малых и средних разрезов
Мощность наносов, м Годовая скорость подвигания фронта работ, м/год Годовой объем разрабатываемых наносов (УН, тыс. м3) при длине фронта работ (ЬФ)
ЬФ=800 м ЬФ=1200 м ЬФ=1500 м
5 40 160 240 300
50 200 300 375
60 240 360 450
80 320 480 600
10 40 320 480 600
50 400 600 750
60 480 720 900
80 640 960 1 200
15 40 480 720 900
50 600 900 1 125
60 720 1 080 1 350
80 960 1 440 1 800
20 40 640 960 1 200
50 800 1 200 1 500
60 960 1 440 1 800
80 1 280 1 920 2 400
Таблица 4. «Резерв» производительности обратных гидравлических лопат
Вместимость ковша экскаваторов марки «Уоіуо», (Е, м3) Расчетная годовая производительность экскаватора при разработке наносов, ^г, тыс. м3) Значение резерва производительности (^, тыс. м3/год) при производственной мощности разреза (Пг), тыс. т/год (тыс. м3/год)
200 (148) 400 (296) 600 (444) 800 (592) 1000 (740)
1,55 981 833 685 537 389 241
2,1 1266 1118 970 822 674 526
3,0 1854 1706 1558 1410 1262 1114
3,78 2348 2200 2052 1904 1756 1608
ся экскаваторы одной модели, а при разработке коренных пород другой модели; 4) все виды работ выполняются разными моделями экскаваторов.
Анализ этой систематизации показывает, что в условиях ограниченной возможности насыщения разрезов выемочно-погрузочным оборудованием необходимым условием его комплектации является совмещение его для выполнения разных видов работ.
С учетом этого положения рассмотрен один из актуальных вопросов проектирования малых разрезов - выбор оборудования для разработки наносов, поскольку перспективные угольные месторождения Кузбасса повсеместно перекрыты четвертичными отложениями (табл.1).
В настоящее время разработка наносов на разрезах Кузбасса производится или способом гидромеханизации или разработкой экскаваторами (мехлопата, прямая гидравлическая лопата, драглайн) с погрузкой породы в автосамосвалы.
Для малых и средних разрезов применение низкозатратного способа гидромеханизации осложняется выделением площадей под гидроотвалы и оплатой за них. В определенных условиях этот способ может быть применен, однако в основном наносы будут отрабатываться «сухим» способом по транспортной технологии.
В безугольной зоне карьерного поля для разработки наносов и коренных пород применяют
мощные выемочные механические или гидравлические прямые лопаты с вместимостью ковша 1030 м3. Приобретать для разработки наносов отдельный экскаватор такой мощности возможно только в исключительных случаях (например при большой мощности наносов) из-за значительных капитальных затрат. Для ведения добычных, и реже, вскрышных работ в Кузбассе нашли широкое применение обратные гидравлические лопаты зарубежного производства с ковшами вместимостью 2,6-11,0 м3. В табл. 2 приведены значения достигнутой ими производительности на выемке угля и породы, а в табл. 3 годовые объемы подлежащих удалению наносов на разрезах малой и средней мощности.
Как видно из сопоставления данных табл.2 и табл.3, годовая производительность обратных гидравлических лопат часто превышает объем годовой добычи разреза.
«Резерв» производительности обратной гидравлической лопаты может быть значительный и его можно использовать направив экскаватор на разработку наносов. Таким образом в ряде случаев производительности обратной гидравлической лопаты достаточно, чтобы осуществить и добычные работы и разработку наносов.
В этом случае выбор обратной гидравлической лопаты при проектировании разреза следует-производить по условию выполнения двух видов
работ.
Годовая производительость экскаватора (РГ) определяется по формуле, м3/год.
(
Qr =
П
г
Л
ГУ
+ VH ■ К
Н 'КН.Г
КРЕЗ
(1)
где ПГ - проектная производственная мощность разреза, т/год; уУ - плотность угля, т/м3; КНГ -коэффициент неравномерности распределения объемов наносов по годам (КНГ=1,10-1,15); КРЕЗ -
нормативный коэффициент резерва производительности экскаваторов при разработке мягких пород Крез=1,2-1,3) [4].
Годовой объем разрабатываемых наносов (УН)
равен, м
vh = иФ.Г • тН ■ ІФ.Н >
(2)
где Оф.г - годовая скорость подвигания фронта работ, м/год; тН - мощность наносов, м; ЬФ.Н -длина фронта работ по наносам, м.
Таблица 5. Высота верхнего (НВ) и неижнего (НН) уступов и их сумма (Н) при разработке наносов
обратной гидравлической лопатой
Модель экскаватора; вместимость ковша (Е), м3 Высота уступов, м Длина рукояти (Ьг), м
2,5 2,9 3,2 3,6 4,0 4,5 4,8 5,6 6,8
Экскаваторы фирмы «Volvo»
EC 240 B 1,9 Нв 5,6 5,8 5,9
Нн 3,8 4,1 4,4
Н 9,4 9,9 10,3
EC 290 B 2,1 Нв 4,8 5,0 5,2
Нн 4,0 4,3 4,9
Н 8,8 9,3 10,1
EC 360 B 3,0 Нв 4,8 4,9 5,1
Нн 3,9 4,2 4,6
Н 8,7 9,1 9,7
EC 460 B 3,7 Нв 5,5 5,7 5,8 5,8
Нн 4,4 4,9 5,2 5,8
Н 9,9 10,6 11,0 11,6
Экскаваторы фирмы «ЬіеЬЬегг»
984 CL 6,0 Нв 10,8 11,5 12,0
Нн 7,9 9,0 10,1
Н 18,7 20,5 22,1
994 L 11,0 Нв 7,8
Нн 6,4
Н 14,2
Экскаваторы фирмы «Саіегріїїаг»
Длина рукояти (Ьг), м
2,1 2,5 2,8 3,0 3,2 3,6 3,9 4,1 4,6
Cat 330 DL 1,9 Нв 4,5 5,0 5,2 5,8
Нн 4,1 4,3 4,6 5,1
Н 8,6 9,3 9,8 10,9
Cat 345 CL 2,0 Нв 6,9 7,2
Нн 4,5 4,8
Н 11,4 12
Cat 345 CL 2,6 Нв 6,5 6,9
Нн 4,1 4,4
Н 10,6 11,3
Cat 365 CES 3,2 Нв 5,9 6,0 6,6 6,9 7,5
Нн 4,9 5,0 5,5 5,8 6,2
Н 11,0 12,1 12,7 13,7
Cat 365 CES 4,0 Нв 5,7 5,7
Нн 4,5 4,7
Н 10,2 10,4
а)
б)
а)
Рис. 1. Схема к определению высот уступов при работе обратной гидравлической лопаты: а - верхеного; б - нижнего
б)
18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0-1 -2 -3 111
Рис. 2. Траектория движения режущей кромки зубьев ковша экскаваторов: а - Liebherr 984 C, где Lr длина рукояти 1 - Lr=3,4 м, 2 - Lr=4,5 м; б - Caterpillar 365 CES 1 - Lr=2,6 м, 2 - Lr=2,8 м, 3 -
Lr=3,6 м, 4 - Lr=4,1 м, 5 - Lr=4,6 м,
Пг
Ц>Ф г =------------г-------, (3)
Ьф.У ■ т ■Уу где ЬФ.У - длина фронта работ по угольному пласту (численно равна длине дна карьерного поля), м; т - мощность пласта угля, м.
Для разработки наносов обратными гидравлическими лопатами рассмотрены структуры возможных технологических схем.
Для выявления вида структур необходимо
знать значения высоты верхнего и нижнего уступов, поскольку обратная гидравлическая лопата может работать как верхним, так и нижним черпанием.
Ширина заходки исследована в работе [6], в которой установлено что для пород не требующих рыхления буровзрывным способом, и при погрузке их в транспортные средства, ширина заходки (А) примерно равна максимальному радиусу черпания обратной гидравлической лопаты на уровне
Таблица 6. Определяющие факторы структур технологических схем разработки наносов обратной гидравлической лопатой
Место установки экскаватора на уступе Площадка установки автосамосвала на уступе под погрузку
верхняя нижняя
Вид погрузки
Отработка слоя наносов одним уступом
- на верхней площадке На горизонте установки экскаватора (рис. 3 а) Нижняя (рис. 3 б)
- на нижней площадке Верхняя (рис. 3 в) На горизонте установки экскаватора (рис. 3 г)
Отработка слоя наносов двумя подуступами
На промежуточном горизонте Верхняя (рис. 3 д) Нижняя (рис. 3 ж)
Таблица 7. Техническая характеристика автосамосвалов БелАЗ и высота верхнего уступа (НВ)
при верхней погрузке
Параметры Марка автосамосвала
7540А 7547D 7555B/D 75491
Г рузоподъемность автосамосвала, т 30 45 55 80
Габариты: длина, м 7,1 8,1 8,9 10,3
ширина, м 4,3 4,6 5,2 5,4
высота, м 3,9 4,4 4,5 5,3
Высота уступа (НВ) при Е=3,2 м3 0,54 0,51 0,77 0,58
погрузке Cat 365 CES Е=4 м3 - - - -
Высота уступа (Нв) при погрузке 4,5 4,5 4,8 4,6
Liebherr 994 L (Е=11 м3)
его установки R^max), т.е. А»R4y.max-
Определение высоты верхнего и нижнего уступов при работе обратной гидравлической лопаты предлагается производить в соответствии со схемами, представленными на рис. 1 а, б.
Максимальная высота верхнего уступа определяется по схеме на рис. 1а, на которой обозначено: RK - радиус вращения хвостовой части кузова, м; b - зазор безопасности между кузовом экскаватора и откосом забоя (b=1-2 м), м; аЗВ -рабочий угол откоса верхнего уступа по наносам (аЗВ=45-55°); Rчy.min - минимальный радиус черпания на горизонте установки экскаватора. Точка К, определяющая максимальную высоту верхнего уступа (Нв), находится на пересечении траектории движения режущей кромки зубьев ковша и линии откоса вертхнего уступа (отрезок АК на рис. 1 а). Траектория движения режущей кромки зубьев ковша представляется в техническом паспорте экскаватора (например, для моделей Liebherr 984 C и Caterpillar 365 на рис. 2а, б).
Необходимо отметить, что при верхнем черпании отработка уступа ведется крутонаклонными слоями выемки в нисходящем порядке (рис. 1а).
Высота нижнего усупа определялась по методике рекомендованной в работах [1, 5], реализация которой производится в соот-
ветствии со схемой на рис. 1б. На схеме: ЬП - ширина предохранительной бермы (Ьп=2-3 м), м; т.0
- положение оси пяты стрелы, м; аЗН - рабочий угол откоса нижнего уступа (аЗ.Н=45°-55°). Точка М, определяющая максимальную высоту нижнего уступа (НН), находится на пересечении траектории движения режущей кромки зубьев ковша и стороной устойчивого угла откоса уступа (отрезок ВМ на рис. 1б). Значение высот верхнего (НВ) и нижнего (НН) уступов, а также их сумма (Н), определяющая высоту отрабатываемого слоя наносов для ряда экскаваторов зарубежного производства, приведена в табл. 5. Угол устойчивого откоса уступа для наносов ау=37°.
Как видно из табл. 5, при применении эксава-торов с вместимостью ковша 1,9-4,0 м3 диапазон высот верхнего уступа находится в пределах 4,57,5 м, нижнего несколько меньше - 3,8-6,2 м. При разработке наносов верхним и нижним черпанием суммарная высота отрабатываемого слоя наносов может составлять 8,3-13,7 м.
Для более мощных экскаватором с ковшом вместимостью 6-11 м3 диапазон высот верхнего уступа находится в пределах 10,8-12 м, нижнего 7,9 - 10,1 м. Высота отрабатываемого слоя наносов может составляет 18,7-22,1 м. Такие показатели, в основном, удовлетворяют условиям выемки
наносов на перспективных разрезах Кузбасса.
На основе анализа в работе рассмотрены, с учетом полученных параметров, структуры технологические схемы разработки наносов. В табл. 6 приведены факторы определяющие их структуры.
Разработанные с учетом этих факторов структуры технологических схем приведены на рис. 3.
На схемах (рис. 3а,б) обозначены: А - ширина экскаваторной заходки, м; Н - высота уступа, м; НВ, НН - соответственно высота верхнего и нижнего подуступов, м; аз - рабочий угол откоса уступа, град.
Схемы на рис. 3-а и рис. 3-б целесообразно применять при мощности наносов 4-6 м (экскаваторами с вместимостью ковша 1,9-4,0 м3 и 8-10 м с вместимостью ковша 6,0-11,0 м3 и более. Работа по данным схемам наиболее эффективна, поскольку, как установлено в работе [3], при нижнем черпании обеспечивается максимальная производительность обратной гидравлической лопаты (коэффициент экскавации имеет максимальные значения). Кроме того, экономически выгодна
погрузка породы в автотранспорт на уровне стояния экскаватора (по сравнению с нижней), т. к. из-за отсутствия подъема автосамосвала на высоту уступа снижаются затраты на перевозку породы.
В конкретных условиях выбор одной из этих схем определяется возможностью организации подъезда автосамосвалов. Для схемы на рис. 3а автодорога располагается на наносах, имеющих
слабую несущую способность. Поэтому на трассу дороги необходимо наносить покрытие из щебня прочных пород. Для схемы на рис. 3б основанием автодороги являются коренные породы и её необходимо только регулярно грейдировать.
Работа по схеме на рис. 3в имеет существенный недостаток - незначительную высоту уступа, т.к производится верхняя погрузка породы в автосамосвалы (рис. 4).
Высота уступа в этом случае (Н) равна (рис. 4), м,
Н = {§аЗ ' [- кк - (ка + А + ^к)' -
- Як - Ь - Ьп - Шв - 0,5 • Ша ]
(4)
где кк - габарит ковша по высоте, м; Иа - высота
автосамосвала (табл. 7), м; А - безопасный зазор между кромкой зубьев ковша при его разгрузке и кузовом автосамосвала (А=0,5), м; в -средний угол отклонения траектории движения режущей кромки зубьев ковша на рабочем участке от вер-
тикали (0=85°), градус; ШВ - ширина основания предохранительного вала при его высоте равной половине диаметра колеса автосамосвала, м; Ша -ширина колеи автосамосвала, м.
С учетом параметров автосамсовалов применяемых на разрезах Кузбасса расчитаны высоты верхнего уступа при верхней погрузке породы по схеме на рис. 3в (табл.7).
Рис. 3. Структуры схем разработки наносов одним слоем обратной гидравлической лопатой с погрузкой в автотранспорт: а, б, в, г - одним уступом; д, е, ж - двумя уступами с одной установки экскаватора на промежуточном горизонте
Рис. 5. Схемы разработки наносов обратной гидравлической лопатой двумя смещенными уступами [4]
Из табл. 7 видно, что при применении экска-ватоов с вместимостью ковша 3,2-4,0 м3 высота уступа будет составлять менее 1 м или верхняя погрузка вообще не возможна.
При применении экскаваторов фирмы ЫеЪЬегг с большими рабочими параметрами и вместмио-стью ковша до 11 м3 высота уступа по схеме на рис. 3в может составлять 4,5-4,8 метров. Такая схема может быть применена только для отработки участков при локальном увеличении мощности слоя наносов.
Схема на рис. 3-г, по которой экскаватор работает верхним черпанием, отличается несколько большой высотой уступа, чем схемы на рис. 3-а и рис. 3-б (см. табл. 5). Недостатком схемы является более низкая производительность экскавтора, т. к он работает верхним черпанием. Достоинство -размещение подъездной дороги на прочном основании.
Схема на рис. 3-д имеет ограниченное применение. Как было показано выше, верхний подус-туп или невозможен из-за верхней погрузки породы или имеет небольшую высоту. Схема может быть применена только для отработки локальных участков при небольшом увеличении мощности слоя наносов.
Широкое применение может получить схема на рис. 3-е. В этом случае отрабатываемый слой
наносов может достигать мощности 8,3-13,7 м при работе экскаваторов с вместимостью ковша 1,94,0 м3 и 18,7-22,1 м при вместимости ковша 2,9-11
м3.
Для разработки слоя наносов обратной гидравлической лопатой может использоваться технология, отличающаяся ведением работ двумя самостоятельными смещенными уступами [4], как показано на рис. 5.
Как видно из приведенных схем, в основе разработки каждого самостоятельного уступа лежат описанные выше схемы на рис. 3-а или 3-б.
В работе [4] предлагается осуществлять также разработку наносов в соответствии со схемами на рис. 5 двумя экскаваторами: обратной гидравлической лопатой верхнего уступа и мехлопатой нижнего. Для рассматриваемого вопроса такие схемы можно применять, если «резерва» производительности обратной гидравлической лопаты недостаточно для разработки наносов двумя уступами и тогда она должна рассматривается как дополнительная выемочная машина к основной -мехлопате.
Выводы.
1. При применении на малых и средних разрезах обратных гидравлических лопат целесообразно предусматривать их работу на добыче угля, как основную, а на разработке наносов - для реализа-
ции резерва производительности экскаватора. При выборе модели экскаватора его производительность должна рассчитываться с учетом выполнения этих видов работ.
2. При проектировании технологических схем разработки наносов в конкретных условиях рекомендуется выбирать их из широкого диапазона описанных выше структур.
СПИТОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Курехин Е.В. Выемка маломощных пластов гидравлическими экскаваторами зарубежного произ-водства/Курехин Е.В.// Вестн. Кузбасского гос. тех. унив., 2008. № 3. с. 3-5.
2. Угольная база России. Том II. Угольные бассейны месторождения Западной Сибири (Кузнецкий, Горловский, Западно-Сибирский, бассейны; месторождения Алтайского края и Республики Алтай). - М.: ООО «Геоинформцентр», 2003. - 604 с.
3. Рыбаков Б.Н. Исследование и обоснование технико-технологических условий обеспечения полноты выемки пластов угля на карьерах Кузбсса. Автореф. Диссерт. М. 1980 г. - 22 с.
4. Мельников Н.Н. Технология применения и параметры карьерных гидравлических экскавато-ров/Н.Н.Мельников, Д.Г.Неволин, Л.С. Скобелев //Отв.ред. Н.Н. Мельников. - Апатиты: Кольский научный центр РАН. - 1992. - с. 210.
5. Томаков П.И. Гидравлические обратные лопаты для разработки сложноструктурных месторождений Кузбасса/ П.И.Томаков, А.С.Ненашев, Б.Н.Рыбников//: Обзор/ЦНИЭИуголь. - М., 1984. - с. 49.
□ Автор статьи
Курехин Евгений Владимирович
- канд. техн. наук, доц. каф. «Открытые горные работы» ГУ КузГТУ.
Тел. 8-(384-2)-58-30-59. e-mail: kev.ormpi@kuzstu.ru
УДК 622.002.5
В.В. Аксенов, А.Б. Ефременков, М.Ю. Блащук, В.Ю. Тимофеев
ОБОСНОВАНИЕ НЕОБХОДИМОСТИ РАЗРАБОТКИ ТРАНСМИССИИ ГЕОХОДОВ
Формирование и использование подземного пространства является одним из приоритетных направлений развития промышленности до 2020 г. При этом сооружение подземных выработок представляет собой трудоемкий и требующий больших капитальных вложений процесс. В условиях развивающихся рыночных отношений особо остро стоят задачи повышения скорости проходки, производительности труда, безопасности, а также снижения капитальных затрат и себестоимости ведения горнопроходческих работ.
За последние 10 лет технико-экономические показатели скорости проходки не только не улучшаются, но в ряде показателей появились тенденции к ухудшению. В связи с этим назрела необходимость разработки новых технологий, которые могли бы ускорить процесс проходки, снизить его себестоимость и энергоемкость, а главное повысить безопасность.
Для проведения подземных горных выработок наибольшее распространение получили технологии с использованием традиционного оборудования - проходческих комбайнов и щитов. В то же время, давно и широко используемое при ведении горнопроходческих работ и строительстве подземных сооружений оборудование, имеет сущест-
венные недостатки:
- невозможность движения проходческого оборудования в массиве горных пород в различных направлениях;
- сложность создания достаточных усилий тяги и напорных усилий на исполнительном органе для разрушения крепких горных пород;
- невозможность полностью обеспечить безопасность ведения горных работ в призабойной зоне.
На протяжении многих десятков лет повышение производительности традиционного горнопроходческого оборудования идет по пути увеличения его мощности и металлоемкости. В настоящее время масса, например, проходческого комбайна уже достигает 75 т (проходческий комбайн КСП-42), а проходческих щитов - существенно больше. Увеличение массы комбайнов и щитов ведет, в первую очередь, к увеличению материальных, стоимостных и трудовых затрат, а также к снижению их маневренности и ограничению области применения в части углов наклона и прочностных характеристик пород почв проводимой выработки.
При работе традиционного проходческого оборудования, например, проходческого комбайна
