CC BY
9
cases reduce maintenance and inspection workloads. // Coal August. 2016. Vol. 121. No. 8. p. 34.
11. Fisenko G.L. Stability of the sides of quarries and dumps. M.: Nedra, 1965.
378 p.
12. Methodological guidelines for determining the angles of slopes of sides, slopes of ledges and dumps of quarries under construction and operated / G.L. Fisenko [et al.]. L.: VNIMI, 1972.
УДК 622.234.8
МОДЕЛИРОВАНИЕ ОТРАБОТКИ ПОРОДОУГОЛЬНЫХ БЛОКОВ СЛОЖНОГО СТРОЕНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИМИ ЭКСКАВАТОРАМИ
Н.М. Качурин, Е.В. Курехин
Сложноструктурные угольные месторождения Кузнецкого бассейна характеризуется наличием угольных пластов малой мощности, доля которых составляет 50 % от всех угольных пластов. Свитовое залегание угольных пластов с породными прослоями обусловливает применение гидравлических экскаваторов с менее мощным ковшом, что позволит повысить полноту выемки месторождений. Применение технологических схем и селективного способа отработки угольных пластов, который не подлежит обогащению, повысит эффективность открытой угледобычи. Для этих условий предлагается методика, позволяющая определить время отработки породо-угольного блока при селективной выемки угольных пластов малой мощности. Установлены зависимости времени отработки угольных пластов мощностью от 1 до 3 м и вскрышных пород от угла падения с отработкой гидравлической обратной лопатой с вместимостью ковша от 1 до 3 м3.
Ключевые слова: маломощный угольный пласт, время отработки блока, гидравлический экскаватор, селективная выемка угля.
Введение
Разработка угольных месторождений Кузбасса характерна сложно-структурным строением пластов. Маломощные угольные пласты (до 10 м) составляют 50 % от всех пластов [1, 2].
По отношению ко всей горной массе способ выемки в соответствии с терминологией акад. В.В. Ржевского может быть либо валовым, либо раздельным. По отношению к угольному пласту выделяют валовый, селективно-валовый и селективный способ отработки [3].
Валовый способ выемки горной массы и валовый способ отработки пласта: из забоя поступает только разубоженный уголь, подлежащий дальнейшему обогащению [4]. Этот способ приводит к дальнейшему увеличению эксплуатационных затрат и стоимости 1 т угля.
Раздельный способ выемки горной массы и селективно-валовый способ отработки пласта из забоя поступает разубоженный и чистый уголь.
Раздельный способ выемки горной массы и селективный способ отработки пласта - из забоя поступает только чистый уголь, который не подлежит обогащению.
Каждый способ отработки пласта может осуществляться различными технологическими схемами. Например, в практике отработки крутопадающих маломощных пластов селективно-валовый способ наиболее часто реализуется фронтальными проходами экскаватора по простиранию пласта или торцевым забоем.
Выбор способов и технологических схем выемки, запланированных к отработке угольных пластов, которые бы обеспечивали максимальный эффект.
При формировании комплекса вскрышного оборудования должно быть обеспечено соответствие технологических характеристик горных пород и самого процесса (крупность пород, параметры развала и т.д.) техническим условиям применения горного оборудования, а его производительность по смежным технологическим процессам должны соответствовать друг другу [3]. Необходимость селективной выемки угля обеспечивают менее мощного горное оборудование, чем при валовой выемке. В этих условиях рационально применение гидравлических экскаваторов с вместимостью ковша менее 5 м3.
Для условий сложноструктурных угольных месторождений расчет производительности гидравлического экскаватора имеет ряд особенностей, связанных с неоднородностью экскавируемой горной массой (порода, уголь), изменением объемами извлекаемых частей, а также технической сложностью выемки [4]. Последовательное чередование работы экскаватора по породе и углю, различное время по отработке отдельных частей блока и факторы, усложняющие организацию работы оборудования, должны учитываться при расчете его эксплуатационной производительности.
Основная часть
Отрабатываемый блок состоит из трех раздельно извлекаемых частей - угольной (пласт) и двух породных прослоев (порода со стороны висячего и лежачего боков пласта). При разработке свиты пластов идет чередование угля и междупластья.
Время отработки экскаваторного блока зависит от параметров блока (ширины, длины) и высоты уступа, эксплуатационной производительности гидравлического экскаватора и от скорости подготовки трассы [5, 6].
Для оценки эксплуатационной производительности гидравлического экскаватора были разработаны методики, уточняющие продолжительность цикла, которые изложены в работах [5, 6, 7, 8]. Зарубежный опыт
эксплуатации обратных гидравлических экскаваторов на разрезах показал их эффективность с автомобильным транспортом [9, 10].
На период времени (Т) запланировано отработка (n) добычных блоков. Критерием в этом случае будет прибыль (П, р/т) по технологическому варианту. Доля балансовых запасов угля (Xi), содержащихся в породо-угольном блоке. Рассмотрим породоугольные блоки, объемом (V) которые планируем вынимать селективным способом. По качеству породогольные блоки включены в план добычных работ.
Целевая функция будет иметь следующий вид:
n
X Пx{ ^ max; 0 < x{ < 1;
1 (i)
n
V ^ max; ^бл = XЩ-i=1
Таким образом, максимум целевой функции определяется выражением
^rniax = П1х1
+ П2 Х2 + П3 хз + Д Xi. (2)
Поставленная оптимизационная задача позволяет получить структуру оптимального решения при планировании отдельных породоуголь-ных блоков.
Объем горной массы (породы и угля) отрабатывается гидравлическим экскаватором с учетом его эксплуатационной производительности за время, которое определяется системой уравнений
* Xv XV
Xt = t +1 = Tfi ;t = XV;t = XV;
/ / i в у бл' в у /О
i=1 Ув qy
Xv X v
К = 1 -—у = XV-,
в V у V
гм гм
где ty - время отработки части блока по породе и по углю, сут; Тбл - календарное время отработки блока, сут; Ув, Vy - объем вскрышных пород, угля, м3; кв, ку - объемные доли породных и угольных частей, дол. ед.; Q&, Qy - эксплуатационная производительность экскаватора по породе и углю, м3/сут.; Vm - объем горной массы, м3.
Решая записанную систему уравнений относительно объема горной массы, получим
Q = ^ = ^ + м3/сут. (4)
Тбл tb ty
Тбл =
п+1
I Ув
I=1
вв
кв +
п
I Уу
'=1 ку =
п+1
I Ув,
I=1
в
у
вв
1 -
I УуЛ
У
гм
+
п
I Уу
I=1
у I Уу
ву Уг
гм
сут. (5)
При наличии в блоке трех раздельно извлекаемых частей
Ув1 + Ув2 + Ув3
Уу1 + Уу2
Тбл = в1 ^ вз кв + у2 ку. сут. (6)
Для определения параметров в системе уравнений (3) приняты следующие исходные данные: гидравлический экскаватор с вместимостью ковша Е=1 - 3 м3; суммарная мощность свиты угольных пластов 2т=1 - 3 м; угол падения свиты угольных пластов ф=30 - 80°; высота уступа (^=10 м); ширина заходки (А=25 м); длина блока £бл=100 - 600 м.
Регрессионная зависимость доли объема вскрышных пород в блоке от угла падения угольного пласта выражается уравнением
ДУ = аехтфЬтУ , (7)
где ф - угол падения свиты угольных пластов, град.; а, Ь - регрессионные коэффициенты.
Значения регрессионных коэффициентов представлены в таблице.
Регрессионные коэффициенты
Мощность угольного пласта, м а Ь
1 0,7995 0,043
2 0,6227 0,091
3 0,4697 0,146
4 0,3406 0,210
5 0,2349 0,286
Среднее 0,49348 0,1552
Дисперсия 0,0502 0,0092
В результате аналитических исследований представлены графики зависимости времени отработки породоугольного блока от угла падения угольного пласта наклонного и крутого падения и длины блока (рис. 1 - 6).
По результатам исследований разработана многофакторная модель времени отработки породоугольного блока, представленного маломощными угольными пластами наклонного и крутого падения с применением гидравлического экскаватора:
ЫЩ277е(-0'3053 т)ф0'0414 т1Д766 1 - кв
Т бл = tв + * у =---+ —--. (8)
вв в
у
Вместимость ковша 1 м3 2т=1 м
Ту, сут 14
12 10 8 6 4 2 0
50 150
100 ■200
Тв, сут 36
50 150
100 200
32 28 24 20 16 12 8 4 0
20 30 40 50 60 70 80 град.
20 30 40 50 60 70 80р,град.
!т=2 м
Ту, сут 14
12 10 8 6 4 2 0
50 150
100 200
Тв, сут 36
50 150
100 200
32 28 24 20 16 12 8 4 0
——О—"—<►
20 30 40 50 60 70 80 граД.
20 30 40 50 60 70 80р,град.
2т=3 м
20 30 40 50 60 70 80р, град. 20 30 40 50 60 70 80р,град.
Вместимость ковша 2 м3 Ет=1 м
Ту, сут 14 12 10 8 6 4 2 0
50 150
100 ■200
Тв, сут
36 32 28 24 20 16 12 8 4 0
■50 150 250 350
100 ■200 300 400
ь- « 1-( --« 1-« 1-1 1
: и: и: г
20 30 40 50 60 70 80),град.
!т=2 м
Ту, сут 14 12 10 8 6 4 2 0
50 150
100 200
Тв, сут
36 32 28 24 20 16 12 8 4 0
40 50 60 70 8
$ 50 _и_100
—й- 150 —»«—200
-Ж- 250 —•—300
—1— 350 —-—400
20 30 40 50 60 70 80),град. 20 30 40 50 60 70 80),град.
1т=3 м
Ту, сут 14 12 10 8 6 4 2 0
50 150
100 200
Тв, сут
36 32 28 24 20 16 12 8 4 0
50 150 250 350
100 200 300 400
I
20 30 40 50 60 70 80),град. 20 30 40 50 60 70 80),град.
Вместимость ковша 3 м3 2т=1 м
Ту, сут
4
■50 ■200 350
100 250 400
■ 150 300 450 -600
Тв, сут
36 32 28 24 20 16 12 8 4 0
50 200 350 500
■ 100 250 400 550
150 300 450 600
--1 [-' I 11 11 11-
Т-1-1-1-1-г
20 30 40 50 60 70 80 (9,град. 20 30 40 50 60 70 80 р,град.
Ет=2 м
Ту, сут 6
50 200 350 500
100 250 400 550
-150 300 450 600
5 4 3 2 1 0
<
—<
Тв, сут
36 32 28 24 20 16 12 8 4 0
50
200
350
100 250 400
150 300 450 600
20 30 40 50 60 70 80 р,град.
20 30 40 50 60 70 80 р,град.
2т=э м
Ту, сут 14 12 10 8 6 4 2 0
50 200 350 500
■ 100 250 400 550
150 300 450 600
Тв, сут
36 32 28 24 20 16 12 8 4 0
50 200 350 500
100 250 400 550
-150 300 450 600
20 30 40 50 60 70 80 р, град.
20 30 40 50 60 70 80 р,град.
Ту, сут 14
12 10 8 6 4 2 0
Ту, сут 14
12 10 8 6 4 2 0
Ту, сут 14 12 10 8 6 4 2 0
Вместимость ковша 1 м3 2т=1 м
■30 50 70
40 ■60 80
Тв, сут
36 32 28 24 20 16 12 8 4 0
50 100 150 200Ь, м
!т=2 м
30 50 70
40 60 80
Т в, с ут
36 32 28 24 20 16 12 8 4 0
50
100
30 50 70
150 200 Ь, м
2т=э м
40 60 80
Т в, с ут
36 32 28 24 20 16 12 8 4 0
50
100 150 200 Ь, м
30 50 70
40 60 80
50
100 150 200 Ь, м
30 50 70
40 60 80
50 100 150 200 Ь, м
■ 30 —■— 40
■ 50 —х— 60
70 — 80
50 100 150 200 Ь, м
0
0
0
0
0
0
Вместимость ковша 2 м3 2т=1 м
Ту, сут 14
30 50 70
40 60 80
12 10 8 6 4 2 0
Тв, сут
36 32 28 24 20 16 12 8 4 0
30 50 70
40 60 80
0 100 200 300 400Ь, м
100 200 300 400 Ь, м
!т=2 м
Ту, сут 14
30 50 70
40 60 80
12 10 8 6 4 2 0
Т в, с ут
36 32 28 24 20 16 12 8 4 0
30 50 70
-■-40 -х—60 80
100 200 300 400 Ь, м
100 200 300 400 Ь, м
2т=э м
Ту, сут 14 12 10 8 6 4 2 0
30 50 70
40 60 80
Т в, с ут
36 32 28 24 20 16 12 8 4 0
30 50 70
40 60 80
100 200 300 400 Ь, м
100 200 300 400 Ь, м
0
0
0
0
0
Ту, сут 14 12 10 8 6 4 2 0
■30 50 70
40 ■60 80
Вместимость ковша 3 м3 2т=1 м
Тв, сут 36
30 50 70
40 60 80
32 28 24 20 16 12 8 4 0
0 100 200 300 400 500 600Ь , м
0 100 200 300 400 500 600 Ь, м
!т=2 м
Ту, сут 14
30 50 70
40 60 80
12 10 8 6 4 2 0
Т в, с ут
36 32 28 24 20 16 12 8 4 0
30 50 70
-■-40 -х—60 80
г
У
0 100 200 300 400 500 600 Ь, м
0 100 200 300 400 500 600 Ь, м
2т=3 м
Ту, сут 14 12 10 8 6 4 2 0
30 50 70
40 60 80
Т в, с ут
36 32 28 24 20 16 12 8 4 0
30 50 70
40 60 80
0 100 200 300 400 500 600 Ь, м
0 100 200 300 400 500 600 Ь, м
Рис. 6. Зависимость времени отработки угольных платов (Ту) и вскрышных пород (Тв) в блоке от длины блока (Ь)
На основании выполненных аналитических исследований установлены следующие выводы:
- доля объема вскрышных пород в блоке от угла падения угольного пласта характеризуется экспоненциальной зависимостью;
- с увеличением угла падения свит угольных пластов наклонного и крутого падения (30... 80°) время их отработки снижается по степенной зависимости, а время отработки вскрышных пород возрастает по линейной зависимости;
- чем меньше нормальная мощность свиты угольных пластов, тем интенсивность времени их отработки снижается.
Заключение
1. Селективная выемка свит угольных пластов наклонного и крутого падения, характеризуемая мощностью от 1 до 3 м обеспечивается гидравлическими экскаваторами с нижним черпанием и с вместимостью ковша 1 - 3 м3.
2. Предложена многофакторная модель времени отработки породо-угольного блока гидравлическими экскаваторами с нижним черпанием, учитывающая взаимосвязь горно-геологических условий (мощность и угол падения угольных пластов) с параметрами забоя (высотой уступа, шириной заходки, длины блока) и эксплуатационной производительности экскаватора.
3. Установлено, что с увеличением угла падения свит угольных пластов наклонного и крутого падения (30.80 °) время их отработки снижается по степенной зависимости, а время отработки вскрышных пород возрастает по линейной зависимости. Чем меньше нормальная мощность свиты угольных пластов, тем ниже интенсивность времени их отработки.
4. Максимальная длина породоугольного блока при отработке маломощных угольных пластов (1 - 3 м) наклонного и крутого падения гидравлическими экскаваторами с вместимостью ковша 1, 2, 3 м3 в течение одного месяца составит соответственно 170 , 340 , 510 м.
Список литературы
1. Угольная база России. Том II. Угольные бассейны и месторождения Западной Сибири (Кузнецкий, Горловский, Западно-Сибирский бассейны; месторождения Алтайского края и Республики Алтай). М: ООО Геоинформцентр, 2003. 604 с.
2. Цепилов И. И., Корякин А. И., Протасов С. И. Технология разработки угленасыщенных зон разрезов Кузбасса: учеб. пособие. Кемерово: Кузбасс. гос. техн. ун-т, 1999. 140 с.
3. Ржевский В. В. Открытые горные работы: учеб. для вузов / В.В. Ржевский. 4-е изд., перераб. и доп. Ч. 1. Производственные процессы. М.: Недра, 1985. 509 с.
4. Сысоев А. А. Приезжев Н. С. Великанов А. М. Экономико-математические модели в задачах оптимизации добычи разубоженных углей. Кемерово: Кузбассвузиздат, 1997. 116 с.
5. Колесников В. Ф., Корякин А. И., Стрельников А. В. Технология ведения выемочных работ с применением гидравлических экскаваторов. Кемерово: Кузбассвузиздат, 2009. 143 с.
6. Сысоев А. А., Литвин О. И., Литвин Я. О. Обоснование технологических решений на разрезах: учеб. пособие. Кемерово: КузГТУ, 2015. 126 с.
7.Литвин О. И., Никифорова А. С. Результаты хронометражных наблюдений технологического цикла обратных гидравлических лопат // Вестн. КузГТУ. 2008. № 3. С. 10-11.
8. Литвин О. И., Сысоев А. А. Сравнительная оценка производительности обратных гидравлических лопат а различных горно-технических условиях // Уголь. 2008. № 10. С. 8-9.
9. Equipment Selection for Surface Mining: A Review. Draft paper July 19. 2013. URL: http://www.optimization-online.org/DB FILE/2013/04/ 3831.pdf (дата обращения 2022-09-20).
10. Koji Fujita, Tomohiko Yasuda, Kazuhiro Imaie, Dr. Eng. Ultra Large Hydraulic Excavators and Dump Trucks for Large Open-pit Mines. 2011. URL: https://www.hitachi.com/rev/pdf/2011/r2011 05 110.pdf (дата обращения 2022-09-20).
Качурин Николай Михайлович, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Курехин Евгений Владимирович, канд. техн. наук, доц., kev.ormpi@,kuzstu.ru, Россия, Кемерово, Кузбасский государственный технический университет имени Т. Ф. Горбачева
MODELING OF MINING OF ROCK-COAL BLOCKS OF COMPLEX STRUCTURE
BY HYDRAULIC EXCA VATORS
N.M. Kachurin, E.V. Kurekhin
The composite coal deposits of the Kuznetsk basin are characterized by the presence of low-capacity coal seams, the share of which is 50 % of all coal seams.
The ground occurrence of coal seams with rock layers determines the use of hydraulic excavators with a less powerful bucket, which will increase the completeness of the excavation of deposits.
The use of technological schemes and a selective method of mining coal seams, which is not subject to enrichment, will increase the efficiency of open-pit coal mining.
For these conditions, a technique is proposed that allows determining the time of working out of a coal block with selective excavation of low-power coal deposits. The dependences of the working time of coal seams with a capacity of 1 to 3 m and overburden rocks
on the angle ofpenetration, with the working of a hydraulic reverse shovel with a bucket capacity of 1 to 3 m3, are established.
Key words: low-power coal seam, block mining time, hydraulic excavator, selective coal excavation.
Kachurin Nikolay Mikhailovich, doctor of technical sciences, professor, head of chair, [email protected], Russia, Tula, Tula State University,
Kurekhin Evgeny Vladimirovich, candidate of engineering sciences, associate professor, [email protected] Russia, Kemerovo, Kuzbass State Technical University named after T. F. Gorbachev
Reference
1. The coal base of Russia. Volume II. Coal basins and localities of Western Siberia (Kuznetsky, Gorlovsky, West Siberian basins; deposits of the Altai Territory and the Altai Republic). Moscow: Geoinformcenter LLC, 2003. 604 p.
2. Tsepilov I. I., Koryakin A. I., Protasov S. I. Technology of development of coal-saturated zones of Kuzbass sections: textbook. stipend. Kuzbass. State Technical University un-T. Kemerovo, 1999. 140 p.
3. Rzhevsky V. V. Open-pit mining: studies. for universities / V.V. Rzhevsky. 4th ed., reprint. and add. Part 1. Production processes. Moscow: Nedra. 1985. 509 p.
4. Sysoev A. A. Priezdev N. S. Velikanov A.M. Economic and mathematical models in problems of optimization of extraction of diluted coal. Kemerovo: Kuzbassvuzizdat, 1997. 116 p
5. Kolesnikov V. F., Koryakin A. I., Strelnikov A.V. Technology of excavation works using hydraulic excavators. Kemerovo: Kuzbassvuzizdat, 2009. 143 p.
6. Sysoev A. A., Litvin O. I., Litvin Ya. O. Justification of technological solutions on sections: textbook. stipend. KuzSTU. Kemerovo, 2015. 126 p.
7. Litvin O. I., Nikiforova A. S. Results of time-lapse observations of the technological cycle of reverse hydraulic shovels // Vestn. KuzSTU. 2008. No. 3. pp. 10-11.
8. Litvin O. I., Sysoev A. A. Comparative evaluation of the performance of reverse hydraulic shovels in various mining and technical conditions // Coal. 2008. No. 10. pp. 8-9.
9. Equipment Selection for Surface Mining: A Review. Draft paper July 19. 2013. URL: http://www.optimization-online.org/DB_ FILE/2013/04/ 3831 .pdf (accessed 2022-0920).
10. Koji Fujita, Tomohiko Yasuda, Kazuhiro Imaie, Dr. Eng. Ultra Large Hydraulic Excavators and Dump Trucks for Large Open-pit Mines. 2011. URL: https://www.hitachi.com/rev/pdf/2011/r2011_05_110.pdf (accessed 2022-09-20).
