CC BY
26
УДК 622.234.8
ТЕХНОЛОГИЯ СЕЛЕКТИВНОЙ ВЫЕМКИ МАЛОМОЩНЫХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ СЛОЖНОГО СТРОЕНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИМИ ЭКСКАВАТОРАМИ
Н.М. Качурин, Е.В. Курехин, В.В. Мельник
Предложена методика определения высоты отрабатываемого слоя гидравлическим экскаватором обратной лопатой при отработке маломощных угольных пластов наклонного и крутого падения. Разработаны схемы отработки угольных пластов сложного строения, которые представлены в виде синклинальной, антиклинальной складки, с применением гидравлического экскаватора обратная лопата с разделением на слои. Установлена зависимость высоты отрабатываемого слоя от угла падения и мощности угольного пласта.
Ключевые слова: открытые горные работы, угол падения угольного пласта, сложное залегание, высота слоя.
Введение
Эффективность технологии ведения добычных работ определяется многими факторами, основными из которых являются: горногеологические условия залегания угольных пластов; мощность и угол падения пласта и расположение пласта относительно междупластья; технология отработки угольных пластов, рабочих параметров применяемого горного и транспортного оборудования и др.
Из горно-геологических условий залегания угольных пластов наибольшее влияние на применяемые технико-технологические решения и их эффективность отработки оказывают мощность и угол залегания пласта, расстояние между угольными пластами.
Особенностью отработки угленасыщенных зон карьерных полей является наличие сложных породоугольных заходок, включающих угольные пласты простого и сложного строения, разных условий залегания, отработка которых требует применения нескольких выемочно-погрузочных машин и вспомогательного оборудования.
При формировании выемочно-погрузочных комплексов используют горные машины различных типов (электрические экскаваторы и гидравлические с дизельным приводом).
При определении параметров технологических схем ведения вые-мочно-погрузочных работ в угленасыщенных зонах карьерных полей необходимо учитывать рациональную область и технологические параметры каждой выемочно-погрузочной машины, входящей в состав комплекса.
Установлено, что в наибольшей мере высокопроизводительная работа гидравлических экскаваторов обратных лопат обеспечивается подготовкой забоя, параметрами траншейных забоев с разделением на слои и
установкой автомобильного транспорта под погрузку. Но с увеличением высоты забоя выемка угольных пластов наклонного падения сложного строения требует дополнительных исследований.
Основная часть
Многообразие условий залегания пластов и качественного состава углей, большой диапазон изменения крепости вмещающих пород, более эффективные возможности гидравлических экскаваторов обратных лопат при отработке угленасыщенной зоны разреза и уступов в отдельности предопределяют наличие значительного количества разнообразных технологических схем ведения горных работ.
Выбор эффективных схем с обратными гидравлическими экскаваторами для разработки сложнозалегающих угольных пластов (например, в Кузбассе) должен основываться на теоретических исследованиях, включающих в себя определение взаимосвязи элементов экскаваторных блоков (высоты уступа, высота разрабатываемого слоя, ширины заходки) и рабочих параметров горных машин.
Исследования технологических параметров разработки угленасы-щенных зон с применением гидравлических экскаваторов были выполнены в работах, которые позволяют повысить полноту выемки свит угольных пластов малой мощности [1-7].
Зарубежный опыт применения гидравлических экскаваторов на открытых горных работах показал их эффективность в комплексе с автомобильным транспортом [8, 9].
В отечественной практике для повышения эксплуатационной производительности гидравлических экскаваторов в технологических процессах выемки и погрузки угля применяется автомобильный транспорт, работа которого регламентируется правилами безопасности [10].
Высота уступа с применением гидравлических экскаваторов определяется с учетом физико-механических свойств горных пород и полезного ископаемого, горно-геологических условий их залегания и траекторией движения ковша [10].
Исследования ИГД им. А.А. Скочинского и данные зарубежных фирм показали, что траектория копания обратного лопаты описывается параболой вида
у = ах + Ьх + с, (1)
где у - функция, качественно представляющая глубину копания при значении аргумента х (рис. 1), м.
Коэффициенты а, Ь, с определяются по формулам Крамера:
В^ Вп т Ва с = -с; а = -а; Ь = -Ь, (2)
В В В
где В - определитель третьего порядка; Ва, ВЬ, Вс - частные определители третьего порядка.
Рис. 1. Схема к расчету высоты уступа (Н) с разделением на слои (Н\, Нг, Нз) в зависимости от глубины копания (Нчшах)
Определители устанавливаются путем совместного решения следующих уравнений, составленных с использованием характерных точек траектории копания 1, 2, 3 (рис. 2):
aR4y + bR4y + с — 0;
(3)
2
а[2^чтах + hc ) + 2Lcc - R4y] + b[2(h4max + hc ) + 2Lcc - R4y] + c - 0;
a[(h + h ) + 2L l2 + b[(h + h ) + L 1 =- h ,
LVqmax c/ ccJ LV чтах c/ ccJ чтах'
где Ячу - радиус черпания на уровне стояния экскаватора, м; ^чтах - максимальная глубина копания, м; Ис - высота установки оси пяты стрелы (Ис=0,9 м), м; Ьсс - величина смещения оси пяты стрелы экскаватора относительно оси поворота платформы (£сс=2,4 м), м.
После преобразований формулы для расчетов определителей имеют следующий вид:
(4)
(5)
г2
D - 44,22H4max (Hчтах+hc ) - 0,9788HчтахНчтах+hc )
2
Da 32,935Нчтах ' r4
БЬ = 131,57872Нчшах. (6)
Получив, таким образом, значения коэффициентов а, Ь для выражения (3), можно совместным решением уравнений траектории копания и линии устойчивости откоса уступа определить высоту уступа И:
у = ах2 + Ъц;
у = (-XI + 0,5/г ^а о, где 1г - длина гусениц экскаватора (для экскаватора Кота1Би РС 210 /г=5,355 м), м; а0 - угол устойчивого откоса уступа, град.
Таким образом, при разработке массива горных пород однородного качества с нижним черпанием и загрузкой транспортных средств на уровне стояния экскаватора с учетом шага передвижки гидравлического экскаватора Кота1Би РС «обратная лопата» высота отрабатываемого слоя определяется так:
<
- наклонное падение угольного пласта (ау=20... 30°)
к = (0,16 - 0,30) • нчтх, (8)
- крутое падение угольного пласта (ау=30. 70°)
к2 = (0,39 - 0,81) • Н™, (9)
где Нтх - глубина копания гидравлического экскаватора Коша1Би РС, м.
В угленасыщенной зоне разреза, состоящей из последовательно чередующихся угольных пластов и породных междупластий, при подготовке горизонта или отработке наклонных и крутых пластов гидравлическими экскаваторами обратными лопатами высота слоя зависит от угла падения угольного пласта и находится из условия возможности прочерпывания экскаватором породоугольного контакта.
Высота уступа для гидравлического экскаватора с нижним черпанием определяется по выражению
I=1
к =1 к{, (10)
п
где к{ - высота слоя, м.; п - количество слоев.
Для определения высота слоя (^сл) при отработке угольного пласта наклонного и крутого падения гидравлическим экскаватором «обратная лопата» с нижним черпанием, необходимо установить взаимосвязь высота отрабатываемого слоя от угла падения угольного пласта и мощности пласта, которая будет определяться функцией ксл=/(НК, ф, т).
При разработке схемы к определению высоты слоя принят угол падения угольного пласта ф в диапазоне от 20 до 70°. Расстояние от края гусеницы экскаватора до границы угольного пласта на уровне стояния экскаватора составляет 2 м.
Схемы к определению высоты отрабатываемого слоя гидравлическим экскаватором Коша1Би РС210-10М0 с вместимостью ковша £=0,8... 1,2 м3 при разработке угольных пластов мощностью т=0,5... 1,5 м показаны на рис. 2 - 4.
В результате измерений установлены значения высоты слоя (^сл) с отработкой гидравлическим экскаватором Коша1Би РС-210 угольных пластов наклонного и крутого падения мощностью от 0,5 до 1,5 м, которые представлены на рис. 5.
Рис. 2. Схема к определению высоты слоя с нижней отработкой
гидравлическим экскаватором Кота1ш РС210-ЮМО (т=0,5м)
<М) 12
9 8
?
>
А 6 5 \ И
1 %
I. Г!
В 3 2 1 0
1
со ю ю = СЧ1 С\| 1 а.
ь. ■ 4
* \ \ Н -
с
л \ н
-5
' 1
V <4
1 1 9 8 7 6 5 4 Р 1
Е
Рис. 3. Схема к определению высоты слоя с нижней отработкой
гидравлическим экскаватором Кота1ш РС210-ЮМО (т=1,0м)
Рис. 4. Схема к определению высоты слоя с нижней отработкой гидравлическим экскаватором Кота18и РС210-10М0 (Е=1 м3) (т=1,5 м)
Рис. 5. Зависимость высоты слоя (Нал) с нижней отработкой гидравлическим экскаватором Коти18и РС210-10М0 от угла падения угольного пласта (ф) и мощности угольного пласта (т)
На основе предложенных схем (рис. 3 - 5) установлена степенная зависимость высоты слоя (^сл, м) с нижней отработкой гидравлическим экскаватором «обратная лопата» от угла падения угольного пласта (ф, град.) и мощности угольного пласта (т=0,5... 1,5 м).
Высота слоя с отработкой угольного пласта гидравлическим экскаватором «обратная лопата» с нижним черпанием описывается степенной зависимостью общего вида
у = ахЬ, (11)
где а, Ь - регрессионные коэффициенты.
Находим уравнение для определения высоты слоя для угольного пласта наклонного и крутого падения (ф=20...70о), мощностью (т=0,5... 1,5 м).
В ходе исследования были описаны уравнения для определения высоты слоя в зависимости от каждого значения угла угольного пласта.
По критерию точности - коэффициенту достоверности аппроксимации - получаем эмпирическую зависимость высоты слоя от мощности угольного пласта и угла падения угольного пласта, которые представлены в табл. 1.
Таблица 1
Уравнения для определения высоты слоя
Мощность угольного пласта т, м Уравнение Достоверность аппроксимации Я2
0,5 ксп = 0,0957ф0'9548 0,99
1,0 /гсл = 0,0593ф1'0599 0,99
1,5 ксл = 0,0546ф1'0701 0,99
Графическая зависимость высоты отрабатываемого слоя (^сл) от угла падения угольного пласта (ф) и мощности угольного пласта (т) представлена на рис. 6.
а) ка,и йсл=0.0957ф:
6,0
4:0 0.0
4:0 2,0 0.0
в) А«: М 6.0
0.9543
1Г = 0,9983
н
б) Исл = 0.059^тд
6.0
20 40 60 80
Ф: град.
0,9993
20 40 60 80
Ф: град.
кся — 0.054бф1:СС1
и: = 0.995
4:0 2:0 0:0
0 20 40 60 80
ф: град.
Рис. 6. Зависимость высоты слоя (Нсл, м) от угла падения угольного пласта (ф, град.) и мощности пласта (т): а - 0,5 м; б -1,0 м; в -1,5 м
На основе полученных уравнений (табл. 2) установлена зависимость высоты отрабатываемого слоя (^сл) от угла падения угольного пласта (ф) и мощности угольного пласта (т) при отработке гидравлическим экскаватором «обратная лопата» с нижним черпанием:
кся = (0,0634т2 - 0,1679т + 0,1638)ф"0'1898 т2 + 0449 т + °'7548 . (12)
Высота отрабатываемого слоя не должна превышать:
- максимальной глубины копания экскаватора
ксл < Нч ,
- безопасной высоты уступа
к^ < К
(13)
(14)
'сл < кслб,
где Нч - глубина копания гидравлического экскаватора (рис. 4.4), м
Для определения безопасной высоты уступа (высоты отрабатывае мого слоя кслб) по критерию устойчивости использована формула [11]
V
кслб
V
2
/
(15)
^ (1 - п )
где С - удельная сила сцепления в массиве, МПа, р - угол внутреннего трения породы (угля) (р=28°), град.; § - ускорение свободного падения, м2/м; у - плотность породы, т/м3; Р - угол откоса уступа (Р=60°), град.; -угол сдвига по контакту слоев (уп=24°), град.
В результате расчетов установлена безопасная высота уступа (слоя) в зависимости от удельной силы сцепления в массиве и угла внутреннего трения (рис. 7).
к слб, м 20
10 град.
20 град.
30 град.
15 10 5 0
8 7__-"""1 г11,6 1 О—-
1 О —3 5,8 _„ 8,2
2,9^—' й4- 4,1 6,1
14,6 12,2 10,2
20
40
60
80
100С, МПа
Рис. 7. Зависимость безопасной высоты уступа от удельной силы сцепления в массиве (10, 20, 30 - угол внутреннего трения, град.)
Анализ проектов разработки сложно-структурных угольных месторождений открытым способом, позволил составить типизацию условий формирования структур траншейного забоя, которые представлены в табл. 2.
Отработка угольных пластов представленных в виде синклинальной, антиклинальной складки предлагается гидравлическим экскаватором обратной лопатой с разделением уступа на слои, количество которых может быть от двух до четырех.
Таблица 2
Типизация условий формирования структур траншейного забоя и схем отработки угольных пластов сложного строения - синклинальной складки гидравлическим экскаватором «обратная лопата»
№
2
Структура забоя
Уступ без разделения на слои
Уступ с разделением в 2 слоя
Уступ с разделением в 3 слоя
Схема проходки разрезной траншеи
4
Уступ с разделением на 4 слоя
1
3
Окончание табл. 2
№
Структура забоя
Схема проходки разрезной траншеи
6
Уступ без разделения на слои
Уступ с разделением в 2 слоя
7
8
Уступ с разделением в 3 слоя
Уступ с разделением на 4 слоя
В табл. 2 приняты следующие обозначения: - берма безопасности, м; т - нормальная мощность угольного пласта, м; Ну - высота уступа, м; а, ау - углы откоса рабочего борта уступа, соответственно рабочий и устойчивый, м; Вт - ширина траншеи по дну, м; Врп - ширина рабочей траншеи по дну, м; П - ширина предохранительного вала, м.
5
Технологическая схема проходки разрезной траншеи по взорванной горной массе и отработкой угольного пласта крутого падения (в 4 слоя) синклинальной складки гидравлическим экскаватором «обратная лопата» представлена на рис. 8 а. Разработка взорванных пород и угольного пласта осуществляется раздельно.
Последовательность работ осуществляется в следующем порядке.
1. Подготовка коренных пород к выемке осуществляется буровзрывным способом.
2. Экскаватором производится планировка рабочей площадки поперечной заходкой с верхним черпанием по всей ширине развала с погрузкой взорванной породы в автомобильный транспорт.
3. Первым ходом экскаватор нижним черпанием раздельно отрабатывает взорванные породы и угольный пласт, расположенный в правой части траншеи с погрузкой в автотранспорт, расположенный ниже уровня стояния экскаватора. Вторым ходом экскаватор продольной заходкой экскаватор отрабатывает угольный пласт в левой части траншеи и вскрышные породы, расположенные под ним.
4. Третьим и четвертым ходом экскаватор отрабатывает взорванные породы и угольный пласт аналогично первому и второму ходу и оставшуюся часть породы в левой части траншеи.
5. Пятым ходом экскаватор вынимает среднюю часть замковой части угольной складки и шестым ходом вскрышные породы, расположенные в левой части траншеи.
6. Седьмым ходом экскаватор продольной заходкой отрабатывает замковую часть угольного пласта и оставшуюся часть вскрышных пород в нижней части траншеи.
Технологическая схема проходки разрезной траншеи по взорванной горной массе с отработкой угольного пласта крутого падения (в 4 слоя) антиклинальной складки гидравлическим экскаватором «обратная лопата» представлена на рис. 2, б.
Последовательность горных работ при отработке угольного пласта (антиклинальной складки) осуществляется в следующем порядке (рис. 8, б).
1. Первым ходом экскаватор производит планировку поверхности рабочей площадки по всей ширине развала с погрузкой взорванной породы в автомобильный транспорт.
3. Вторым ходом экскаватор отрабатывает взорванную породу в правой и левой части траншеи на высоту слоя (И1, И2), с последующей выемкой угольного пласта, расположенного в центральной части траншеи.
4. Третьим ходом экскаватор отрабатывает взорванную породу в третьем и четвертом слое (И3, И4), в правой и левой части траншеи, с последующей выемкой угольного пласта.
5. Четвертым ходом экскаватор отрабатывает взорванную породу, расположенную под складкой угольного пласта.
а б
Рис. 8. Технологическая схема проходки разрезной траншеи по взорванной горной массе при отработке угольного пласта сложного строения: а - синклинальной складки; б - антиклинальной складки; гидравлическим экскаватором «обратная лопата» с погрузкой
в автосамосвал
Заключение
Исследования зависимости рабочих параметров гидравлического экскаватора «обратная лопата» от угла падения угольного пласта и его мощности позволяют сделать следующие выводы:
- высота уступа для гидравлического экскаватора Komatsu PC с нижним черпанием зависит от количества слоев и высоты каждого слоя;
- установлена степенная зависимость высоты отрабатываемого слоя от угла падения и мощности угольного пласта;
- высота отрабатываемого слоя при разработке маломощных угольных пластов (0,5 - 1,5 м) наклонного и крутого падения (ф=20...70°) с применением гидравлического экскаватора «обратная лопата» с вместимостью ковша 1.3 м3 составит 1,4 - 2,4 и 2,8 - 5,5 м;
- при разработке угольных пластов наклонного падения ф=20...30° высота слоя составит от 1,4 - 2,4 м;
- с уменьшением угла падения угольных пластов (30.20°) высота слоя снижается на 29.36 %, а с увеличением угла падения (40.70°) высота слоя увеличится на 41. 48 %;
- с увеличением мощности угольного пласта от 0,5 до 1,5 м высота слоя снижается не значительно на Лксл=0,3 м;
- установлена безопасная высота слоя, которая в зависимости от удельной силы сцепления в массиве и угла внутреннего трения изменяется в диапазоне от 2,0 до 14,6 м.
Список литературы
1. Томаков П. И., Ненашев А. С., Рыбаков Б. Н. Гидравлические обратные лопаты для разработки сложноструктурных угольных месторождений Кузбасса. М.: Недра, 1984. 49 с.
2. Цепилов И. И., Корякин А. И., Протасов С. И. Технология разработки угленасыщенных зон разрезов Кузбасса: учеб. пособие / Кузбасс. гос. техн. ун-т. Кемерово, 1999. 140 с.
3. Колесников В. Ф., Корякин А. И., Стрельников А. В. Технология ведения выемочных работ с применением гидравлических экскаваторов. Кемерово: Кузбассвузиздат, 2009. 143 с.
4. Колесников В. Ф. Разработка угленасыщенных зон карьерных полей выемочно-транспортным комплексом: монографии / В. Ф. Колесников [и др.]. Кемерово: Кузбассвузиздат, 2010. 247 с.
5. Курехин Е. В. Технология выемки крутопадающих пластов обратной гидравлической лопатой продольными и поперечными заходками // Сб. науч. тр. Современные технологии освоения минеральных ресурсов. 8-й междунар. науч.-техн. конф. г. Красноярск, 23-25 апреля 2010 г. / под. общ. ред. В.Е.Кислякова. Красноярск: ИПК СФУ, 2010. 520 с.
6. Типовые технологические схемы ведения горных работ на угольных разрезах. М.: Недра, 1987. 96 с.
7. Типовые технологические схемы ведения горных работ на угольных разрезах. Челябинск, НИИОГР, 1992. 328 с.
8. Samwel Victor Manyele. Investigation of Excavator Performance Factors in an Open-Pit Mine Using Loading Cycle Time // Engineering. 2017. 9. Р. 599-624.
9. 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 2020-09-10).
10. Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности "Правила безопасности при разработке угольных месторождений открытым способом" (утверждены приказом Рос-технадзора от 10.11.2020 № 436, зарегистрированы в Минюсте России 21.12.2020, рег. № 61624). М. : ЗАО «НТЦ исследований проблем промышленной безопасности», 2021. Сер. 05. Вып. 55. 140 с.
11. Фисенко Г.Л. Устойчивость бортов карьеров и отвалов. М.: Недра, 1965. 378 с.
Качурин Николай Михайлович, д-р техн. наук, проф. [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,
Мельник Владимир Васильевич, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, [email protected], Россия, Москва, Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»
TECHNOLOGY OF SELECTIVE EXCAVATION OF LO W-PO WER COAL SEAMS OF COMPLEX STRUCTURE HYDRAULIC EXCAVATORS
N.M. Kachurin, E.V. Kurekhin, V.V. Melnik
A method for determining the height of the worked layer by a hydraulic excavator with a reverse shovel when working out low-power coal seams of inclined and steep fall is proposed. Schemes have been developed for mining coal seams of complex structure, which are presented in the form of a synclinal, anticlinal fold, using a hydraulic excavator reverse shovel with separation into layers. The dependence of the height of the worked layer on the angle of incidence and the power of the coal seam is established.
Key words: open-pit mining, angle of incidence of the coal seam, complex occurrence, layer height.
Kachurin Nikolay Mikhailovich, doctor of technical sciences, professor, ecolo-gyjsujula@,mail.ru, 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,
Melnik Vladimir Vasilyevich, doctor of technical sciences, professor, head of chair, [email protected], Russia, Moscow, National Research Technological University "MISIS"
Reference
1. Tomakov P. I., Nenashev A. S., Rybakov B. N. Hydraulic reverse shovels for the development of complex-structured coal deposits of Kuzbass. M.: Nedra, 1984. 49 p.
2. Tsepilov I. I., Koryakin A. I., Protasov S. I. Technology of development of coal-saturated zones of Kuzbass sections: textbook. manual / Kuzbass. gos. tech. un-T. Kemerovo, 1999. 140 p.
3. Kolesnikov V. F., Koryakin A. I., Strelnikov A.V. Technology of excavation works using hydraulic excavators. Kemerovo: Kuzbassvuzizdat, 2009. 143 p.
4. Kolesnikov V. F. Development of coal-saturated zones of quarry fields by a mining and transport complex: monographs / V. F. Kolesnikov [et al.]. Kemerovo: Kuzbassvuzizdat, 2010. 247 p.
5. Kuryokhin E. V. Technology of excavation of steeply falling layers with a rotary hydraulic shovel with longitudinal and transverse approaches // Sb. nauch. tr. Modern technologies of mineral resources development. 8th International Scientific and Technical conf. Krasnoyarsk, April 23-25, 2010 / ed. by V.E.Kislyakova. Krasnoyarsk: IPK SIBFU, 2010. 520 p.
6. Typical technological schemes of mining operations at coal mines. M.: Nedra, 1987. 96 p
7. Typical technological schemes of mining operations at coal mines. Chelyabinsk, NIIOGR, 1992. 328 p.
8. Samwel Victor Manyele. Investigation of Excavator Performance Factors in an Open-Pit Mine Using Loading Cycle Time // Engineering, 2017. 9. pp. 599-624.
9. 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 2020-09-10).
10. Federal Norms and rules in the field of industrial safety "Safety rules for the development of open-pit coal deposits" (approved by Order of Rostechnadzor No. 436 dated 10.11.2020, registered with the Ministry of Justice of the Russian Federation on 21.12.2020, reg. No. 61624). Moscow : CJSC "Research Center for Industrial Safety Problems", 2021. Ser. 05. Issue 55. 140 p.
11. Fisenko G.L. Stability of the sides of quarries and dumps. M.: Nedra, 1965.
378 p.
