CC BY
61
Таким образом создаются условия для образования вторичных ландшафтов и если в них выдерживается необходимое соотношение наклонных и ровных участков, то они становятся достаточно устойчивыми экосистемами и характеризуются высокой степенью биоразнообразия. Учитывая труднопроходимость этих территорий, они становятся прибежищем и для диких животных. Все это послужило основанием рекомендовать такие территории в качестве вторичных ядер и коридоров в создаваемой екологической сети. Учитывая высокую сельскохозяйственную освоенность земель (71%) и распаханность (81%), предложение использовать скальные отвалы в качестве элементов экологической сети имеет большое как экологическое, так и экономическое значение.
Как видно из вышеизложенного, высокая эколого-экономическая эффектив-
1. Булахов В.Л., Шапарь А.Г., Романенко В.Н. и др. Формирование ландшафтного разнообразия при организации заповедно-охраняемых территорий как экологическая мера успешной биологической реабилитации отработанных земель горнорудными разработками. Сб. научных трудов «Экология и природопользование». Вып. 3. ИППЭ - Днепропетровск, 2001.
ность, большие масштабы работ, целесообразность применения специального оборудования предопределяет необходимость рассматривать горно-техническую и биологическую рекультивацию при применении технологии ускоренного зарастания скальных отвалов в едином комплексе и обуславливает желательность выполнения этих работ единым производственным цехом. При этом внесением субстрата и семян работы на рекультивируемых площадях не должны заканчиваться. На этих территориях целесообразно создавать в последующем заказники и технопарки, как элемента экологической сети.
В настоящее время заложен опытный участок на карьере ИнГОКа с использованием элементов рассмотренных технологий, что позволит отработать основные технические и биологические параметры предложенного способа.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
2. Шапарь А.Г., Усенко А.Л. Санитарные зоны вокруг отвалов и шламохранилищ, платежи за загрязнение ими окружающей среды. Ж. «Горный информационный аналитический бюллетень», № 9. Из-во - Московского горного университета, 2004. с.197-199.
— Коротко об авторах
Шапарь А.Г., Скрипник О.А., Романенко В.Н., Гулямов Б.С., Дихтяр А.А. - Институт проблем природопользования и экологии НАН Украины.
--© Г.Д. Зайцев, В.И. Ческидов,
2006
УДК 622.271
Г.Д. Зайцев, В.И. Ческидов
ОЦЕНКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ И ТЕХНИЧЕСКИХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ БЕЗВЗРЫВНОЙ ДОБЫЧИ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ
Семинар № 12
дним из приоритетных направле-
Я^/ ний повышения эффективности открытых горных работ является замена традиционной технологии с буровзрывной подготовкой пород на безвзрывную, обеспечивающую помимо сокращения затрат значительное повышение качества и полноты выемки минерального сырья, а также улучшение экологической обстановки [1]. Масштабы применения такой технологии определяются созданием специальной техники, что предопределяет необходимость прогнозирования перспектив её развития.
Технический прогресс оборудования, обеспечивающего выемку горной массы из массива, связан с достижениями в области разрушения крепких пород - главного процесса в работе машины, обеспечивающего её технологические возможности, производительность и удельную энергоемкость. Основой для создания рабочих органов новых машин в ближайшие годы будет оставаться механический способ разрушения, поскольку другие способы (разрушение гидроструями высокого давления, лазерное, термо и электромеханическое воздействие и др.) пока не вышли из стадии исследований и экспериментального изучения.
Оборудование, используемое при безвзрывной разработке горных пород, по функциональному назначению может быть разделено на два класса, а по конст-
руктивно-технологическим признакам -на пять групп (рис. 1).
Навесные тракторные рыхлители, широко применяемые на открытых горных работах с 60-х годов прошлого века, в последнее время вновь привлекают внимание исследователей и производственников. Этому способствовало прежде всего увеличение тяговых возможностей буль-дозерно-рыхлительных агрегатов и создание исполнительных органов активного действия. За счет использования гидромолота с энергией удара до 6-8 кДж и частотой удара 540 мин-1 глубина рыхления может быть увеличена в 1.2-1.4 раза, а интенсивность процесса разрушения до 2-х раз. В результате область безвзрывного разрушения пород расширяется с прочности на сжатие с1 = 20 - 60 до 100-120 МПа, [2].
Для подготовки горных пород к выемке в последние два десятилетия расширено применение гидравлических молотов, которые ранее использовались в различных горнодобывающих отраслях для дробления негабаритных кусков породы, а с созданием более мощных и эффективных ударных устройств - для разрушения массивов пород прочностью до 250 МПа. В нашей стране и за рубежом освоен выпуск различных моделей гидромолотов с энергией удара 8 - 10 кДж и более. Разрушение массива пород осуществляется слоями высотой 1-4.5 м.
Рис. 1
Производительность машин осуществляющих механическое разрушение пород, как известно, зависит от ряда факторов. Наиболее существенными являются мощность рабочего органа, структурно-прочностные свойства разрабатываемого массива и степень дробления породы, рис. 2.
В последние годы большое внимание в мире уделяется созданию выемочно-погрузочных машин непрерывного действия, позволяющих осуществлять разработку крепких пород без предварительной подготовки - машинам послойного фрезерования (МПФ) - горным комбайнам. К настоящему времени промышленную апробацию прошли около 40 моделей машин зарубежных фирм. Наиболее представительными известны комбайны фирмы "Виртген" (WSM), "Крупп Фердертехник" (КБМ), "Ман Такраф" (МТБ) и "Фест Аль-пине" (УЛБМ) [3-6], которые различаются по конструкции, расположению и типу рабочего органа, принципу действия и др., (таблица).
При разработке пород максимальной прочности наилучшие результаты достигаются машинами фирмы "Виртген". Ком-
байны первого поколения WSM обеспечивали безвзрывную разработку пород 01 < 80 МПа слоями 0.2 - 0.6 м. Принципиальным отличием нового поколения комбайнов WSM является полный перевод всех машин на гидромеханическую передачу, четырёхтележечный ход, а также ряд усовершенствований в области их управления и обслуживания. Новые модели комбайнов WSM оснащены более мощными двигателями, вес машин увеличен на 30%. Это позволило увеличить в 2.4 раза один из главных эксплуатационных параметров, определяющих производительность комбайна - максимальную глубину фрезерования.
По характеру реализуемого рабочего процесса машины с исполнительным органом фрезерного типа относятся к поро-доразрушающим механизмам мелкого скола, что является преимуществом при разработке горной массы, подвергаемой измельчению в последующем технологическом процессе, так как позволяет исключить I и II стадии дробления на обогатительной фабрике. Однако, при разработке вскрышных пород и полезного ископаемого, не требующего дальнейшего дробления, это обусловливает высокие
Систематизация горных комбайнов
Конструкция рабочего органа шнекофрезерный вал роторное колесо, оснащенное ковшами фрезерный барабан ШБМ, МТБ КБМ УЛБМ
Расположение рабочего органа центральное под рамой машины фронтальное на раме фронтальное на стреле с гидроцилиндром ШБМ КБМ, МТБ УЛБМ
Процесс разработки горного массива вращением рабочего органа и напорным усилием на забой за счет: поступательного движения машины; перемещения стрелы сверху вниз под действием гидроцилиндров ШБМ, КБМ, МТБ УЛБМ
Удаление отбитой горной массы совмещенное раздельное комбинированное ШБМ, МТБ УЛБМ КБМ
Назначение, область возможного применения По прочности разрабатываемых пород: - для пород средней крепости, с = 30 - 70 МПа, прослойки до 100 - 120 МПа; - для крепких коренных пород с1 = 70 - 120 МПа, в отдельных случаях до с < 250 МПа. По условию селективной выемки: - для тонкослоевой и селективной выемки пластов полезного ископаемого и вмещающих пород; - для отработки мощных угольных пластов и вскрышных пород. КБМ Ш8М,МТБ, УЛБМ ШБМ, МТБ КБМ, УЛБМ
удельные энергозатраты, предопределяет повышенный износ рабочего органа и инструмента, увеличивает трудоемкость и время на его замену, что в итоге приводит к дополнительным эксплуатационным расходам. То есть в этом случае нарушается один из основных принципов технологии открытых горных работ - не дробить лишнего.
Номинальная производительность комбайнов изменяется в широких пределах (от 300 до 2000 м3/ч в разрыхленной массе). По сравнению с другими типами машин наибольшей производительностью обладает КБМ-2000Р.
Относительно эффективности применения новых выемочно-погрузочных машин в публикациях [6-11] встречаются диаметрально противоположные мнения. Как показал анализ, это является следствием непредвиденных и неучтенных технологических и организационных особен-
ностей работы техники. До сих пор специфические особенности и качество различных типов оборудования должным образом не оценены и не проверены на практике. Некоторые модели машин находятся в начальной стадии своего развития и требуют серьезной доработки.
Основной технологической особенностью карьерных комбайнов является порядок отработки уступов слоями по высоте и полосами в каждом слое. В этом случае забоем комбайна, как и при работе бульдозеро-рыхлительных агрегатов, служит поверхность площадки уступа. Применение машин этого типа обеспечивает наилучшие условия для снижения потерь и повышения качества добываемого сырья при разработке горизонтальных и пологих пластовых залежей полезных ископаемых. Совершенствование конструкций комбайнов, и в частности, уменьшение длины
стрелы и размещение рабочего органа на раме машины, с одной стороны позволило повысить усилия резания и жесткость конструкции, с другой стороны ухудшило технологические возможности оборудования. Так, использование машин типа WSM требует оставления целиков в торцах выемочного блока и необходимость обустройства на флангах горных работ широких рабочих площадок для разворота машин, что приводит к дополнительным объемам вскрышных работ. Поэтому данный тип машин, в основном, применяется на неглубоких карьерах при отработке залежей полезного ископаемого поверхностными одиночными и многорядными слоями, или на выемке тонких пластов полезного ископаемого и породных прослоев при разработке месторождения уступами с использованием традиционной техники и технологии. Отмеченных недостатков лишены комбайны с передним расположением рабочих органов. В целом же, как показывает опыт, специфика послойно-полосовой разработки массива с использованием комбайнов усложняет их эффективное использование в сложившихся системах разработки действующих карьеров.
Вследствие этого производительность, указываемая фирмами-изгото-вителями, а также расчетная, зачастую на практике не подтверждается. Так, например, годовая производительность KSM-2000Р по [7] составила около 30% от расчетных значений. Аналогичные результаты получены при эксплуатации 2600 SM на карьере Ай-хальского ГОКа (Якутия) [11]. Такое несоответствие объясняется тем, что техническая производительность любой вы-емочно-погрузочной машины с ростом разрабатываемых горных пород экспоненциально снижается, причем в сравнении с экскавацией взорванной горной массы, темп её снижения значительно выше, рис. 2. Отечественный и зарубежный опыт эксплуатации выемочного оборудования показал, что нельзя ориентироваться на предельные значения параметров прочно-
сти пород, указанных фирмами - изготовителями. Оптимальное качество забоя для работы карьерных комбайнов можно ориентировочно определить по величине [12]
к1 = (0,5 - 0,6) к2,
где к\ - удельное сопротивление массива пород копанию, к2 - удельное усилие копания выемочно-погрузочной машины.
Результаты расчетов и эксплуатации показали, что, например, KSM-2000P целесообразно эксплуатироватья в породах с 01 < 40 - 50 МПа. Техническая производительность выемочно-погру-зочного оборудования QТ в зависимости от хрупкости пород составит 200 - 800 м3/ч (коэффициент снижения технической производительности относительно номинальной п = 0,25 - 0,5). В этом диапазоне значений о\ коренных пород, как видно из графиков QТ, KSM-2000P в 3-4 раза ниже, чем у ЭКГ-12 при погрузке взорванной горной массы. Следовательно, на современном этапе в крупномасштабном горном производстве имеющиеся комбайны не могут пока конкурировать с одноковшовыми экскаваторами и буровзрывной подготовкой вскрышных пород с 0| > 50 МПа.
Для обеспечения поточной выемки пород о! < 50 МПа, с сохранением технологических преимуществ отработки карьера уступами, в ряде стран ведутся работы по созданию компактных роторных экскаваторов, основной отличительной особенностью которых является короткая стрела.
Опытно-промышленные испытания экскаватора К-650 фирмы "Юнекс" (Чехия) на карьере "Удачный" (Якутия) показали [13], что при безвзрывной разработке кимберлитовых руд с о1 = 30 - 50 МПа его производительность с погрузкой в самосвалы составила 347.5 м3/ч в рыхлой массе, а если доработать породоразрушаю-щий орган, область применения может распространиться на породы с о1 < 60 МПа с сохранением QT на том же уровне.
Рис. 2. Изменение технической производительности оборудования в зависимости от прочности разрабатываемых пород на сжатие: при безвзрывной разработке пород (1-11) и экскавации взорванной горной массы (12, 13): 1 - 6 - оборудование для рыхления (дробления) массива: 1, 2 - бульдозер-рыхлитель Б 11 Я формы "Катерпиллер" (1 - коренные породы, 2 - выветрелый массив); 3, 4 - рыхлитель активного действия (трактор Т-500, энергия удара гидромолота А1=6 кДж); 5 - навесной гидромолот, А1 = 10 кДж; 6, 7 - ЭКГ-5В, суммарная максимальная энергия удара активных зубьев А2 = 6 кДж (6), А2 = 9кДж (7); 7 - 13 - выемочно-погрузочные машины: 8, 9 - ЭКГ-12В, А2 = 16 кДж (8), А2 = 28 кДж (9); 10, 11 - К8М-2000Я (10 - коренные породы; 11 - выветрелые); 12 - ЭКГ-12; 13 - ЭКГ-20. - безвзрывная разработка; -------с применением БВР.
В России предложены роторно-фрезерные экскаваторы [14], конструкция фрезы которых позволяет вести отработку забоя вертикальными и горизонтальными стружками, что удовлетворяет условиям селективной выемки пластов практически при любом их залегании. Экскаваторные работы могут проводиться без предварительного взрывания при о1 до 40 МПа.
Дальнейшее развитие машин непрерывного действия связывают с усовершенствованием и созданием рабочих органов, создающих в процессе разрушения массива вместо сжимающих сдви-
говые или растягивающие напряжения, с изысканием качественно новых материалов, обеспечивающих повышение износостойкости инструмента, их надежность и долговечность. Это позволит [15], примерно в 1,5 раза расширить существующую область безвзрывной разработки крепких горных пород (рис. 3).
Отработку наклонных и крутопадающих залежей, особенно сложного строения, как показывает опыт, лучше осуществлять одноковшовыми экскаваторами.
В развитии конструкций карьерных одноковшовых экскаваторов для разработки массивов горных пород получили развитие два направления. Первое основано на использовании гидравлических экскаваторов со специальным ковшом и рыхлителем. Второе предусматривает оснащение экскаваторов ковшом с ударными зубьями - ковш активного действия (КАД). По скорости силового воздействия рабочего органа на забой, в первом случае, разрушение породы осуществляется статическим воздействием (V < 2,5 м/с), а во втором - динамическим (V > 2,5 м/с).
Поскольку усилия копания Р, кН крепких пород статическим воздействием весьма высокие, используются экскаваторы более мощной модели, чем необходимо для обеспечения требуемой производительности. Так, например, использование специально разработанного ковша вместимостью 8 м3, вместо стандартного 13,5 м3 для экскаватора фирмы "Либхерр" Я-994 массой 214 т позволило при Р = 1100 кН, получить на режущей кромке ковша удельное усилие Р = 350 кН/м, производительность Q = 500 - 650 м3/ч, [16], то есть производительность экскаватора используется примерно на 30 %.
Применение КАД позволяет, благодаря практически мгновенному переходу кинетической энергии удара в массив, получить на лезвии зуба усилия до 3500 - 4500 кН и более, что на порядок выше, чем у современных гидравлических экскаваторов равного класса. В конце 80-х годов фирмами "Фест-Альпине" и "Нидермайер" (Германия) соз-
Рис. 3. Область применения комбайнов в зависимости от прочности и абразивности пород: 1, 2 -
современная и перспективная области; k3 - показатель абразивности пород по Cerchar Abrasivity Index; cti, - прочность пород на сжатие, растяжение
дано рабочее оборудование с КАД для гидравлических экскаваторов массой до 115 т. [17]. В России в 90-е годы по техническому заданию ИГД СО РАН был спроектирован и изготовлен ОАО "Уралмаш" экскаватор ЭКГ-5В с КАД [18]. Сопоставление основных показателей ЭКГ-5В с показателями экскаваторов, применяемых за рубежом при безвзрывной выемке, показало, что энер-госиловые возможности механической лопаты с КАД позволяют разрабатывать массив с 01 пород в 1,5-2 раза выше, чем при использовании машин ЬБ-500M фирмы "Бола Ладетехник". При одинаковой прочности разрабатываемых пород QT у ЭКГ-5В и Я-992 примерно равны, а стоимость отечественной механической лопаты с КАД значительно ниже названных зарубежных аналогов.
В связи с общей тенденцией увеличения единичной мощности горнотранспортного оборудования карьеров, в ИГД СО РАН обоснованы параметры экскаватора ЭКГ-12В, [19]. Сопоставление ЭКГ-12В и KSM-2000Р по таким удельным показателям как QT при 01 = 50 МПа), отнесенная к единице массы машины, и энергоемкость выемки горных пород, угол откоса рабочего борта, оказывающего существенное влияние на режим вскрышных работ, новая модель экскаватора с КАД при разработке сложноструктурных крутопадающих месторождений полезных ископаемых в большей степени удовлетворяет требованиям безвзрывной технологии.
Опыт эксплуатации экскаваторов с КАД, а также проведенные теоретические и экспкриментальные исследования свидетельствуют о наличии возможностей повышения их технического уровня. Увеличение их производитель-ности и улучшение технико-экономи-ческих показателей может быть достигнуто путем повышения мощности пневмомолотов и применения новых износоустойчивых материалов, что позволит заметно увеличить производительность и эффективно осуществлять безвзрывную выемку горных пород прочностью до 80-100 МПа (рис. 2).
Главным показателем конкурентоспособности техники и технологии является их экономическая эффективность, и при оценке способов разрушения - экологич-ность. Конкурентоспособность безвзрывной технологии определяется, прежде всего, состоянием технического уровня экс-кавационных машин и стоимостью оборудования. Исследованиями доказана техническая целесообразность безвзрывной выемки угольных пластов и пород между-пластий с использованием комбайнов на карьерах Сибири. Однако по экономическим показателям [8], данный тип машин в настоящее время не имеет преимуществ в сравнении с традиционным оборудованием.. Это связано с высокой стоимостью, относительно низкой эксплуатационной производительностью зарубежных комбайнов в суровых климатических условиях России и ограниченным сроком их службы (2600 8М около 6 лет, экскаваторы типа ЭКГ - не менее 15-18 лет). По этим причинам, в частности, прекращена эксплуатация роторного экскаватора К-650, несмотря на то, что кроме устранения буровзрывных работ, на 18 % были снижены энергозатраты на измельчение руды на обогатительной фабрике [13].
Таким образом, из приведенного следует, что в настоящее время использование рассматриваемой техники и технологии привлекательно, прежде всего, при отработке участков карьеров, где
проведение взрывных работ ограничено по условиям техники безопасности и экологии. Исключение комплекса буровзрывных работ из технологических процессов позволяет в 3-5 раз уменьшить размеры санитарно-защитной зоны, прересмотреть границы действующих карьеров, где инженерные коммуникации и близость населенных пунктов не позволяют вести горные работы по существующей технологии, и в результате, кроме снижения экологической нагрузки, получить значительный экономический эффект.
Выводы
1. Современное оборудование для безвзрывных технологий в различных горно-геологических условиях обеспечивает эффективную разработку горных пород с пределом прочности на сжатие до 60 МПа. При выемке более крепких пород по экономическим показателям такое оборудование не может конкурировать с одноковшовыми экскаваторами и буровзрывной подготовкой массива.
2. Повышение технического уровня комбайнов и экскаваторов с КАД, масштабное применение которых представляется наиболее востребованным, позволит расширить эффективную область безвзрывной разработки пород до а1 < 100 МПа.
3. Результаты исследований и эксплуатации позволяют по конструктивно-технологическим параметрам машин выделить наиболее предпочтительные направления их применения:
- бульдозерно-рыхлительные агрегаты, горные комбайны, многоковшовые экскаваторы компактного исполнения - на разработке горизонтальных и пологопадаю-щих сложноструктурных залежей;
- одноковшовые механические и гидравлические экскаваторы, навесные гидромолоты - на разработке месторождений различных по условиям залегания и сложности.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Сеинов Н.П., Шендеров А.И., Жариков И.Ф., Нуриджанян Г.З. Перспективные направления повышения эффективности открытой угледобычи за счет совершенствования техники и технологии горных работ // Уголь.- 2002. - № 10.
2. Комаров Е.И. Результаты испытаний рыхлителя активного действия при разрушении кимберлитовых руд // Горные машины и автоматика. - 2003.- № 1.
3. Алешин Б.Г., Коваленко С.К., Виницкий К.Е., Шендеров А.И., Штейнцайг Р.М. Конструктивно-технологические особенности и перспективы применения машин типа КСМ на разрезах России // Горный вестник.- 1996.- № 4.
4. Пихлер М., Панкевич Ю.Б. Направления совершенствования и результаты применения Wirtgen Surface Miner на карьерах и разрезах мира // Горная промышленность. - 2000.- № 3.
5. Manfred Schaffer. Cotinuous Mining of Strong Rock with the Voest-Alpine Surfase-Miner // Bulk solids handling. - 1993, V13, № 2.
6. Краснянский Г.Л., Штейнцайг Р.М., Рудольф В., Коваленко С.К. Опыт создания и перспективы освоения в горнодобывающей промышленности машин нового поколения КСМ - 2000 РМ // Уголь. - 1998. - № 4.
7. Резников Е.Л., Штейнцайг Р.М. Повышение эффективности и расширение области использования геотехнологий с конвейеризацией транспорта крепких пород // Горный журнал.-2003. - № 6.
8. Щадов В.М. Технолого-организаци-онные основы формирования стратегии развития открытой угледобычи / Автореф. дисс. на соиск. уч. ст. д.т.н. - М.: МГГУ, 2001.
9. Домбровский А.Н., Сидоренко И.А. Эффективность применения компактного и мобильного оборудования для открытых горных работ // Горный журнал. - 1998.- № 1.
10. Комаров Е.И., Ломакина С.Н. Технологические преимущества комплексов мобильного оборудования с рыхлителями активного действия при разработке карбонатного сырья // Горные машины и автоматика. - 2003.- № 7.
11. Анистратов К.Ю., Луцишин С.В. Исследование характеристик комбайна послойного фрезерования 2600SM фирмы Виртген на карьере тр. "Юбилейная" // Сб. докл. Международной конф. по открытым горным, земляным и дорожным работам.- М.- 1994.
12. Беляков Ю.И. Выемочно-погрузоч-ные работы на карьерах.- М., "Недра".- 1987.
13. Радьков В.А., Усачев В.М., Юрин Н.Н. и др. Опытно-промышленные испытания компактного роторного экскаватора на карьере "Удачный"// Горный журнал. - 1997. - № 10.
14. Волков Д.П., Демин А.А., Кузнецов И.П., Савинко А.Я. Новые роторно-фрезерные экскаваторы для разработки сложноструктурных месторождений // Строительные и дорожные машины. -1996. - № 4.
15. Вагнер Н. Технологии открытых и подземных горных работ - тенденции развития // Материалы 21 горного конгресса. - Дели, 2003.
16. Анистратов Л.Ю. Безвзрывная выемка полускальных пород на карьерах стройматериалов гидравлическими экскаваторами фирмы LIEBHERR // Горная промышленность -1998. - № 1.
17. Weissflog J. Mobile equipment for excavation or crushing and transportation of hard material in openpits. International Journal of Surface Mining. -1989. - V.3, № 3.
18. Маттис А.Р., Лабутин В.Н., Лысенко Л. Л. и др. Опыт создания и эксплуатации экскаватора ЭКГ-5В // Горный журнал. - 1997. - № 10.
19. Маттис А.Р., Зайцев Г.Д. Создание экскаватора большой единичной мощности для безвзрывной разработки горных пород // ФТПРПИ.-2000.- № 6.
— Коротко об авторах -
Ческидов В.И. - кандидат технических наук, заведующий лабораторией открытой геотехнологии, Зайцев Г.Д. - кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории открытой геотехнологии,
ИГД СО РАН, г. Новосибирск,
