CC BY
22
УДК 622.61:622.625.24+622.647.2 © С.А. Кариман, 2017
Конвейерная откатка грузовых железнодорожных составов по подземным горным выработкам и наклонным стволам шахт и транспортным линиям разрезов
Р01: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2017-11-32-36
КАРИМАН Станислав Александрович
Доктор техн. наук, профессор, 115583, г. Москва, Россия, тел.: +7 (495) 399-12-83
В статье приводятся сведения о возможностях конвейерной откатки грузовых составов железнодорожных вагонов в подземных горизонтальных и наклонных горных выработках и о преимуществах этого вида подземного транспорта.
Ключевые слова: конвейерная откатка, грузовые составы, железнодорожные вагоны,ленточные конвейеры, техническая производительность.
ВВЕДЕНИЕ
Изобретение [1] конвейерной откатки как вида транспорта состоит в применении железнодорожного транспорта на наклонных участках подземных горных выработок путем замены локомотивной тяги конвейерной, с использованием промежуточных и концевых приводных станций, располагающихся ниже уровня рельсовой колеи. Данный способ позволяет использовать преимущества железнодорожного транспорта с рельсовой колеей шириной 1520 мм и движущихся по ней грузовых вагонов большой емкости и грузоподъемности в шахтах, рудниках, разрезах и карьерах.
Изобретение конвейерной откатки, по существу, является дальнейшим развитием технической идеи пластинчатого конвейера в направлении:
- конструктивного отделения грузонесущего полотна от тяговых цепей, что реализовано в работе [2];
- отказа от устройства холостой ветви для обратного движения грузовой ветви;
- значительного увеличения размеров кузовов для грузов с целью увеличения производительности и приемной способности подземного транспорта;
- перехода на использование в подземных горных выработках для транспортировки угля железнодорожной колеи шириной 1520 мм и грузовых железнодорожных вагонов с диаметром колес 950 мм.
Конструктивное отделение грузонесущего полотна от тяговых цепей в конструкции пластинчатого конвейера [2] позволило реализовать сквозное движение грузонесущего полотна конвейера через промежуточные электроприводы без перегрузки транспортируемых материалов, что позволило вместе с другими вышеуказанными изменениями по совершенствованию пластинчатого конвейера прийти к технической идее конвейерной откатки грузовых вагонов.
ПРЕИМУЩЕСТВА КОНВЕЙЕРНОЙ ОТКАТКИ
ГРУЗОВЫХ СОСТАВОВ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ
ВАГОНОВ В ПОДЗЕМНЫХ УСЛОВИЯХ
Для высокопроизводительных очистных забоев ленточные конвейеры как вид транспорта становятся все менее подходящими из-за их недостаточной приемной способности и производительности, значительных энергозатрат на транспортировку грузов, конструктивной неприспособленности ленточных конвейеров для транспортировки высокогазоносного угля и высокой стоимости.
Решением транспортных проблем на современных горных предприятиях является применение в качестве основного вида транспорта под землей конвейерной откатки грузовых железнодорожных составов на горизонтальных горных выработках и наклонных стволах.
Конвейерная откатка какспособ транспортировки грузов по горизонтальным или наклонным горным выработкам состоит из рельсового железнодорожного пути с шириной колеи 1520 мм и тягового конвейера. Линейные секции тягового конвейера укладываются между рельсами на шпалы рельсового пути по всему транспортному маршруту движения. Концевые и промежуточные электроприводы конвейера устанавливаются в подземные камеры, которые устраиваются ниже уровня рельсовой колеи на рациональном расстоянии друг от друга также по всему транспортному маршруту. При конвейерной откатке грузовые железнодорожные вагоны движутся сверху над тяговым конвейером, при этом оси колесных пар вагонов находятся выше тягового конвейера на 100 мм (см. рисунок).
Схема передачи тягового усилия от конвейерного толкателя выдвижному буферу железнодорожного вагона или платформы (поперечный разрез по линии оси толкателя): 1 - конвейерный толкатель; 2 - выдвижной буфер железнодорожного вагона или платформы; 3 - ролики верхней ветви; 4 - тяговые цепи верхней ветви; 5 - рама кузова; 6 - колеса вагона; 7 - рельсы; 8 - шпалы; 9 - балластный слой; 10 - швеллерные направляющие верхней ветви
Вагоны приводятся в движение путем зацепления конвейерными толкателями 1 выдвижных буферов вагонов 2. Приобретаемые усилия от зацепления буферов вагонов 2 с конвейерными толкателями 1 передаются рамам вагонов 5, от которых усилия передаются всей массе кузовов вагонов и находящемуся в них грузу, что обеспечивает движение вагонов.
Высота насыпки угля на конвейерную ленту у самых производительных конвейеров не превышает 0,25 м. Высота насыпки угля в кузов грузового вагона возможна на всю высоту кузова и составляет 2,06 м. Максимальная ширина конвейерной ленты у ленточных конвейеров 4Л1600А-2, используемых в угольных шахтах России, - 1600 мм [3]. Внутренняя ширина кузова грузового полувагона 12-533 равна 2878 мм.
При разработке маломощных угольных пластов и проведении подземных горных выработок уменьшенного сечения вместо грузовых полувагонов можно использовать железнодорожные платформы грузоподъемностью 70 т.
На горизонтальных участках пути расход электроэнергии на перевозки ленточными конвейерами определяется затратами электроэнергии на преодоление сопротивления движению из-за трения катания конвейерной ленты о конвейерный ролик, имеющий диаметр 159 мм [3], а на железной дороге - колеса вагона, имеющего диаметр 950 мм, о рельс. Диаметр колеса вагона в шесть раз больше, чем диаметр конвейерного ролика. Поэтому сила сопротивления движению
колеса вагона из-за трения катания согласно формуле Кулона [4] будет в шесть раз меньше, чем сила сопротивления движению конвейерной ленты о ролик при одинаковом весе перемещаемого груза. В связи с этим при конвейерной откатке грузов вагонами по рельсам в шесть раз сократится расход электроэнергии по сравнению с ее расходом при транспортировке угля ленточными конвейерами.
Ленточные конвейеры конструктивно совершенно не приспособлены для транспортировки высокогазоносного угля по участковым и панельным транспортным горным выработкам.
Накоплены обширные сведения о газовыделениях из добываемых углей. Эти сведения позволяют утверждать, что половина всего метана, содержащегося в угле, выделяется уже на участковом конвейерном штреке, а вторая половина выделяется из угля при его дальнейшем движении.
Две трети из действующих угольных шахт относятся к сверхкатегорным [5], опасным по газовыделениям. На этих шахтах более 15 куб. м метана выделяется в атмосферу из каждой добываемой тонны. Особенно интенсивно происходит газовыделение метана в первые 10-15 мин. после его отбойки из угольного массива.
На участковом конвейерном штреке расположены: электропоезд лавы, электродвигатели конвейера, участковая электроподстанция, электрокабели высокого напряжения. Поэтому максимально допустимая концентрация метана в атмосфере участкового конвейерно-
го штрека согласно правилам безопасности составляет 0,5%. В высокопроизводительных очистных забоях на сверхкатегорных шахтах из отбитого угля выделяется много метана, и происходит систематическое загазиро-вание участковых конвейерных штреков до весьма опасных уровней концентрации метана, что в итоге приводит к тяжелым взрывам газа с гибелью множества людей.
При конвейерной откатке на этажный откаточный штрек подаются грузовые железнодорожные вагоны с уровнем насыпки угля в кузова вагонов 2,06 м. Метан из угля, находящегося в кузове вагона глубже, чем 20-30 см от поверхности, не сможет пробиться в атмосферу транспортных горных выработок и останется в угле. Это приведет к 10-кратному уменьшению газовыделения метана из перевозимого угля в атмосферу горных выработок. Таким образом, при конвейерной откатке конструктивно обеспечиваются полная изоляция перевозимого угля и непопадание метана из транспортируемого угля в атмосферу горных выработок. Следовательно, сокращается потребность шахты в свежем воздухе для проветривания горных выработок.
Предварительные расчеты показывают, что применение конвейерной откатки грузовых железнодорожных вагонов позволяет значительно увеличить производительность подземного транспорта горных предприятий и существенно удешевить подземные транспортные перевозки в связи с ликвидацией значительных затрат на закупку ленточных конвейеров. Закупочная стоимость ленточных конвейеров для работы одного высокопроизводительного очистного забоя будет составлять 400 млн руб./км х х 2,5 км = 1 млрд руб.
Оценим теперь величину затрат на сооружение конвейерной откатки грузовых вагонов для транспортировки добываемого угля от погрузочного пункта лавы до выхода на поверхность при работе одного высокопроизводительного очистного забоя.
Для сравнения принята лава № 50-03 шахты им. Ялев-ского.
Вся транспортная цепочка шахты от очистного забоя до поверхности была оборудована ленточными конвейерами с шириной ленты 1600 мм и производительностью до 4 тыс. т в час. В оснащение лавы инвестировано 1,3 млрд руб. [6].
В работе [7] приведена технологическая схема отработки выемочного поля лавы № 50-02, которая такая же,
как у лавы № 50-03. Уголь из лавы выдается на конвейерный штрек и далее транспортируется к конвейерному наклонному стволу, по которому он затем выдается на поверхность. Длина этажного конвейерного штрека - 1800 м, длина ствола - до 1000 м.
П роизведем оценку затрат на сооружен ие кон вейерной откатки угля от погрузочного пункта отработанной лавы № 50-02 на поверхность с целью соизмерить затраты на транспорт ленточными конвейерами наиболее производительных модификаций с грузовым железнодорожным транспортом с использованием конвейерной откатки.
Для этого применительно к условиям выемочного поля лавы № 50-02 примем прямоточную сквозную схему движения грузовых составов:
- спуск порожних грузовых составов производится по порожняковому откаточному наклонному стволу, который обустраивается на базе уже действующего конвейерного наклонного ствола, расположенного со стороны исходного положения лавы № 50-02;
- движение порожних грузовых составов к погрузочному пункту лавы № 50-02, а затем движение груженых составов к грузовому откаточному наклонному стволу производится по этажному откаточному штреку, который обустраивается на базе существующего конвейерного штрека № 50-02;
- движение груженых составов с углем на поверхность производится по грузовому откаточному наклонному стволу, который обустраивается на базе уже существующего конвейерного ствола, со стороны конечного положения лавы № 50-02;
- движение порожних грузовых составов по поворотной горной выработке от порожнякового наклонного ствола с выходом на этажный откаточный штрек производится по новой пройденной горной выработке длиной 240 м с радиусом поворота 150 м;
- движение груженых составов по второй поворотной горной выработке от этажного откаточного штрека с выходом на грузовой откаточный наклонный ствол производится по новой пройденной горной выработке длиной 240 м с радиусом поворота 150 м.
Общая протяженность подземных горных выработок с конвейерной откаткой грузовых составов по подземным горным выработкам будет составлять: 1800 м + 1000 м + + 1000 м + 240 м + 240 м = 4280 м.
В табл. 1 приведены результаты расчетов расходов на закупку материалов для укладки балластного слоя и двух
Таблица 1
Затраты на сооружение рельсового пути
Наименование материалов Цена с НДС, руб. Затраты на 1 м пути, тыс. руб. Длина железнодорожного пути, м Общий расход материалов Общие затраты, тыс. руб.
Песок карьерный просеянный, 1 куб. м 420 0,963 4200 4000 1680
Гравийная щебенка, 1 куб. м 1500 1,05 4200 4400 6600
Шпалы железобетонные, шт. 1500 1,25 4200 5250 7850
Рельсы Р65, т 34800 0,129 4200 520 18000
Всего 34,13 млн руб.
Таблица 2
Общие объемы работ на сооружение камер приводных станций
Наименование горных выработок Выемка породы, куб. м. Бетонирование, куб.м.
Этажный откаточный штрек 92 64
Две поворотные горные 76,4 48,8 выработки
Порожняковый наклонный ствол 152 97,6
Грузовой наклонный 528 188 ствол
Всего объемов работ 848 398
рельсовых нитей рельсов Р65 для движения грузовых составов по порожняковому и грузовому наклонным стволам, поворотным горным выработкам и этажному откаточному штреку. Сведения о закупочных ценах на материалы приняты наименьшими из интернет-рекламы на 2017 г.
Расходы на закупку металлоизделий для комплектации тягового конвейера на длину конвейерной откатки 4200 м составляют 27 млн руб. В целом затраты незначительны, и это объясняется тем, что закупаются готовые изделия и металлопрокат, из которых собирается тяговый конвейер.
Общая мощность электроприводов, устанавливаемых в концевых и промежуточных приводных станциях, - 9520 кВт. Затраты на закупку электроприводов для приводных станций конвейерной откатки, подсчитанные согласно прайс-листам интернет-рекламы, -8,15 млн руб.
Затраты на сооружение камер для приводных станций конвейерной откатки состоят из расходов на выемку горной породы из почвы транспортных выработок, где прокладывается железнодорожная колея, для создания в необходимом объеме пространства камер вчерне, а затем расходов на бетонирование оснований камер, стен и перекрытий.
В табл. 2 приведены данные по общим объемам работ по выемке породы из почвы и объемам бетонирования при сооружении камер для приводных станций в этажном откаточном штреке, обоих поворотных горных выработках, порожняковом и грузовом откаточных наклонных стволах.
Согласно интернет-рекламе цена 1 куб. м бетона составляет 2250 руб. Тогда затраты на закупку бетона составят 2,25 тыс. руб./куб. м х 398 куб. м = 900 тыс. руб. Затраты на доставку бетона в шахту, устройство опалубки, закупку и установку арматуры, а также расходы на оплату труда бетонщиков принимаются на уровне затрат на закупку бетона. Тогда в целом расходы на бетонирование камер можно принять на уровне двух млн руб.
Расходы на выполнение буровзрывных работ, погрузку взорванной горной породы в вагонетки и их выдачу на поверхность в объеме 848 куб. м при сооружении камер могут составить еще:
1200 руб./куб. м х 848 куб. м = 1 млн руб.
Затраты на проходку и крепление двух поворотных горных выработок общей длиной 480 м и сечением вчерне 28 кв. м при проходке по пласту мощностью 4 м - не более 30 тыс. руб./м х 480 м = 14,4 млн руб.
Итого затраты на сооружение конвейерной откатки грузовых составов по подземным горным выработкам для выдачи на поверхность добываемого угля могут составить:
- отсыпка балласта и укладка двух рельсовых нитей при сооружении железнодорожного пути - 34,1 млн руб;
- расходы на закупку металлоизделий для комплектации тягового конвейера длиной на расстояние откатки 4,2 км - 27 млн руб.;
- расходы на закупку электроприводов для приводных станций - 8,1 млн руб.;
- расходы на выемку породы из почвы горных выработок и бетонирование оснований, стен и перекрытий при сооружении камер для приводных станций конвейерной откатки - 3 млн руб.;
- проходка и крепление вновь проводимых поворотных горных выработок - 14,4 млн руб.
Всего затраты составят: 34,1 млн руб. + 27 млн руб. + + 8,1 млн руб. + 3 млн руб. + 14,4 млн руб. = 86,6 млн руб.
Сумма 86,6 млн руб. на сооружение конвейерной откатки грузовых железнодорожн ых соста вов по выдаче на поверхность угля, добываемого в лаве, в 11,5 раза меньше суммы 1 млрд руб., в которую, по нашим обоснованным расчетам, могло обойтись устройство конвейерной цепочки с производительностью 4 тыс. т/ч по выдаче на поверхность угля, добываемого в лаве № 50-03. Производительность конвейерной откатки в 1,5 раза выше и составляет 6 тыс. т/ч.
Производительность грузового углевыдающего ствола в 6 тыс. т/ч обеспечивает возможность выдачи угля на поверхность за 20 часовую продолжительность его работы в сутки (4 ч в сутки оставляются на осмотр и профилактический ремонт) в количестве 6 тыс. т х 20 ч = = 120 тыс. т/сут. или 120 тыс. т/сут. х 300 сут. = 36 млн т в год.
Это обеспечивает возможность одновременной работы на шахте двух таких высокопроизводительных забоев с производительностью до 60 тыс. т/сут. каждый.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Конвейерная откатка грузовых составов железнодорожных вагонов обеспечивает шахту всеми видами грузовых перевозок: выдача на поверхность добываемого угля, выдача на поверхность горной породы от горноподготовительных и ремонтных работ, транспортировка в шахту и выдача на поверхность горношахтного оборудования, транспортные операции при монтажно-демонтажных работах. На всех транспортных операциях достигается большой экономический эффект за счет упрощения технологии транспортных операций, сокращения трудоемкости и продолжительности работ. При конвейерной откатке конструктивно обеспечиваются полная изоляция перевозимого угля
и непопадание метана из транспортируемого угля в атмосферу горных выработок, и, следовательно, сокращается потребность шахты в свежем воздухе для проветривания.
С помощью конвейерной откатки вагонов, приспособленных для перевозки рабочих, впервые создается техническая возможность групповой доставки рабочих с поверхности прямо к рабочим местам на добычной участок и обратно в конце рабочей смены в людских вагонах прямо от рабочих мест и существенного сокращения рабочего времени нахождения людей под землей.
Конвейерная откатка грузовых составов железнодорожных вагонов может эффективно применяться на открытых горных работах. Функционирование конвейерной откатки на рельсовой колее шириной 1520 мм легко сочетается с локомотивной откаткой, существующей на отдельных разрезах. Применение конвейерной откатки на этих разрезах может обеспечить существенное увеличение производительности транспорта за счет использования крутонаклонных рельсовых транспортных линий с движением груженых составов на поверхность и порожних составов вниз на действующий добычной горизонт. При этом локомотивной откаткой обеспечиваются маневровые работы с составами при подаче их под загрузку и откатке груженых со-
ставов к крутонаклонной рельсовой линии для выдачи их на поверхность.
Список литературы
1. Кариман С.А. Конвейерная откатка: пат. 2627918 Ш С2. Заявитель и патентообладатель Кариман С.А. № 2016102147; заявл. 25.01.2016; опубл. 14.08.2017.
2. Кариман С.А. Пластинчатый конвейер: пат. 2421388 Ш 2421388 С2. Заявитель и патентообладатель Кариман С.А. № 2009103263; заявл. 03.02.2009; опубл. 20.06.2011.
3. Козлов С.В., Юрицын В.А. Технические средства, применяемые на подземном транспорте / Каталог-справочник. М., 2007. 120 с.
4. Путилов К.А. Курс физики. Т. 1. М.: Физматгиз, 1962. 560 с.
5. Прогнозный каталог шахтопластов Кузнецкого угольного бассейна с характеристикой горно-геологических факторов и явлений. М.: Минуглепром СССР, АН СССР, ИГД им. А.А.Скочинского, 1987. 147 с.
6. На шахте им. В.Д. Ялевского АО «СУЭК-Кузбасс» установлен российский рекорд месячной добычи // Уголь. 2017. № 7. С. 22. СЫ: 10.18796/0041-5790-2017-7-22
7. Ютяев Е.П., Иванов Ю.М. Управление рисками на опасном производственном объекте «шахта - лава» // Уголь. 2017. № 6. С. 20-25. СЫ: 10.18796/0041-5790-20176-20-25
MINE TRANSPORT
UDC 622.61:622.625.24+622.647.2 © S.A. Kariman, 2017
ISSN 0041-5790 (Print) • ISSN 2412-8333 (Online) • Ugol' - Russian Coal Journal, 2017, № 11, pp. 32-36 Title
BELT HAULAGE OF FREIGHT RAILROAD trains on underground tunneling mines
and inclines and open-pit mines transport lines
DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2017-11-32-36
Author
Kariman S.A.1
1 Moscow, 115583, Russian Federation Authors' Information
Kariman S.A., Doctor of Engineering Sciences, Professor, tel.: +7 (495) 399-12-83
Abstract
The paper gives information on the possibilities of belt haulage of freight trains of railway cars in underground horizontal and inclined tunneling mines and on the advantages of this type of underground transport.
Keywords
Belt haulage, Freight trains, Railway cars, Belt conveyors, Technical productiveness.
References
1. Kariman S.A. Konveyernaya otkatka [Belt haulage]. Patent 2627918 RU C2. Applicant and Patent owner Kariman S.A., no. 2016102147, Appl. 25.01.2016, Published 14.08.2017.
2. Kariman S.A. Plastinchatyy konveyer [Crocodile]. Patent 2421388 RU 2421388 S2. Applicant and Patent owner Kariman S.A., no. 2009103263, Appl. 03.02.2009, Published 20.06.2011.
3. Kozlov S.V. & Yuritsin V.A. Tekhnicheskie sredstva, primenyaemye na podzem-nom transporte [Technical means used in underground transport]. Catalogue-reference book. Moscow, 2007, 120 p.
4. Putilov K.A. Kurs fiziki [Physics course]. Vol. 1. Moscow, Fizmatgiz Publ., 1962, 560 p.
5. Prognoznyiy katalog shakhtoplastov Kuznetskogo ugol'nogo basseiyna s kharakteristikoiy gorno-geologicheskikh faktoroviyavleniiy [Prognostic catalogue of mine beds of the Kuznetsk coal basin with the characteristics of mining and geological factors and phenomena]. Moscow, Ministry of Coal Industry of the USSR, Academy of Science of the USSR, A.A. Skochisky Mining Institute, 1987, 147 p.
6. Na shakhte imeni V.D. YAlevskogo AO «SUEK-Kuzbass» ustanovlen rossiiyskiiy rekord mesyachnoiy dobychi [V.D. Yavlevsky mine JSC "SUEK-Kuzbass" saw the Russian monthly production record]. Ugol'- Russian Coal Journal, 2017, no. 7, pp. 22. doi: 10.18796/0041-5790-2016-2017-7-22.
7. Yutyaev E.P. & Ivanov Yu.M. Upravlenie riskami na opasnom proizvodstvennom ob'ekte «shakhta-lava» [Risk management at the hazardous production facility "mine-lava"]. Ugol' - Russian Coal Journal, 2017, no. 6, pp. 20-25. doi: 10.18796/0041-5790-2017-6-20-25.
