Теоретическое обоснование эффективной технологии скреперной разработки месторождений Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

С.А. Шемякин, 2010

УДК 622.271.1:622.236.73

С.Н. Иванченко, Ю.А. Мамаев, С.А. Шемякин

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОЙ ТЕХНОЛОГИИ СКРЕПЕРНОЙ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

Одной из наиболее эффективных технологий разработки месторождений полезных ископаемых в ближней и долгосрочной перспективах может стать технология скреперной выемки и транспортирования горных пород при производстве вскрышных и добычных операций.

Положительными моментами применения скреперов в первую очередь являются:

- совмещение в одном технологическом цикле процессов выемки разрабатываемых вскрышных пород и продуктивных песков, транспортирование и их отвалообразование;

- послойная разработка горных пород скрепером обеспечивает возможность его применения на талых и мерзлых породах;

- скреперная разработка, в теплый период времени практически обеспечивает выемку пород без предварительной подготовки по сравнению с другими технологиями и в значительно меньшей степени зависит от глубины залегания месторождений.

Наряду с положительными моментами скреперная технология недостаточно рационально при разработке неоднородных крупноскелетных пород т.к. конструкция скрепера не позволяет эффективно осуществлять процессы загрузки и разгрузки ковша горной породой.

Процессы выемки и перемещения породы внутри скреперного ковша изучался многими исследователями, к которым в первую очередь надо отнести Анохина А.И., Домбровского Н.Г., Зеленина А.Н., Бородачева И.П., Дейнего Ю.Б., Плешкова Д.И., Петерса Е.Р., Горячкина В.П., Рынскова О.Е., Ясинецкого В.Г., Баловнева В.И., Артемьева К.А., Ветрова Ю.А., Недорезова И.А., Федорова Д.И. и ряда других ученых. Большинство исследований по определению сопротивлений выемки породы скреперами построено на законах статики сыпучей среды, обладающей сцеплением, с использованием работ В.В. Соколовского, И.П. Прокофьева, С.С. Голушкевича, Г.К. Клейна, Р.Л. Зенкова.

Несмотря на различие методик по определению сопротивления черпанию породы ковшами скреперов и значительное (до 50-60 %) расхождение результатов расчета по методикам, общее сопротивление выемки породы расчленяют на три составляющие: сопротивление резанию породы ножом ковша; сопротивление перемещению призмы волочения, формирующейся перед ковшом; сопротивление перемещению породы внутри ковша. В зависимости от методики расчета и типа породы эти три составляющие сопротивления черпанию изменяются довольно в широком диапазоне. Сопротивление перемещению призмы волочения может достигать до 40 % от общего сопротивления черпанию. Наличие интенсифицирующих устройств на ковше скрепера может в значительной степени уменьшить сопротивление перемещению призмы волочения или довести до нулевого значения, например, при наличии загрузочного элеватора с нижней горизонтальной ветвью.

Сопротивление резанию породы ножом ковша может также достигать до 40-50% от общего сопротивления черпанию.

Существующие методики определения сопротивлений черпанию породы пригодны для серийных скреперов, с короткими ковшами, длина которых, считая от режущей кромки ножа до задней стенки, не превышает ширины ковша. Заполнение более длинных ковшей возможно только с помощью специальных интенсификаторов типа подгребающих промежуточных стенок.

Таким образом, исследование сопротивлений выемке пород удлиненными ковшами скреперов при наличии интенсификаторов в виде промежуточных погребающих стен является весьма актуальной научной и технической проблемой.

Увеличение длины и, следовательно, вместимости ковша обуславливает с одной стороны рост производительности скрепера, а с другой - увеличение общего времени цикла работы, а следовательно, снижение производительности. Таким образом, существует оптимальная длина ковша, при которой производительность и экономическая эффективность достигают

максимального значения. Определенный интерес представляет зависимость энергоемкости работы скрепера от длины ковша. С целью определения такой зависимости для скреперов с подгребающим устройством в виде промежуточной подгребающей стенки (III1С) были проведены тяговые, мощностные и прочностные расчеты, а также определены технико-экономи-ческие показатели для вариантов скрепера с различными длинами ковшей. Для тех типов и модификаций скреперов были получены оптимумы длин ковшей, при которых годовая эксплуатационная производительность Пэг., годовая экономическая эффективность Эг. имели максимальное значение, а удельная металлоемкость G/Пэ.г. - минимальная. В большинстве случаев оптимальная длина ковша скрепера LkОnТ превышает длину ковшей существующих скреперов L°k в 2,6-3 раза. На рис. 1 приведены зависимости Пэг., Эг, металлоемкости G, удельной металлоемкости G/Пэг. и энергоемкости работы скрепера Е от длины ковша при постоянной дальности транспортирования породы для базовой модели самоходного скрепера ДЗ-108 с вместимостью ковша 25 м3. Как следует из показателей рис. 1, с увеличением длины ковша и постановкой ППС, Эг, Пэг. достигают максимального значения, а удельная металлоемкость G/Пэ.г. минимального при £°пТ = 2,8 (-длина ковша скрепера ДЗ-108 в заводском исполнении).

Увеличение длины ковша более £°пТ приводит к снижению производительности,

экономической эффективности и повышению удельной металлоемкости, к тому же преодоление уклонов пути более 20° скрепером с груженым ковшом становится затруднительным; в случае

тОпТ

ухудшения состояния дороги значения Ьк несколько уменьшается, а при улучшении состояния

дороги - увеличивается.

Энергоемкость работы скрепера Е, определяемая как отношение всей затраченной работы А в течении цикла к геометрической вместимости ковша q, уменьшается во всем диапазоне исследованных длин ковшей.

Уменьшение энергоемкости работы скреперов в течение цикла работы и в процессе зачерпывания породы в удлиненные

ковши, оборудованные ППС, возможно за счет выбора наиболее рациональной траектории движения ППС внутри ковша. Одна из возможных технологий заполнения удлиненного ковша породой в процессе черпания с применением промежуточной

Рис. 1. Зависимости металлоемкости G, удельной металлоемкости G/Пэг, годовой эксплуатационной производительности Пэг, годовой экономической эффективности Эг и энергоемкости работы Е от длины ковша скрепера (базовая модель ДЗ-108)

подгребающей стенки (ППС) состоит в том, что в исходном положении ППС находится рядом с заслонкой, а после предельного заполнения породой передней части ковша ППС перемещает породу в заднюю часть ковша и возвращается в исходное положение. После очередного заполнения породой передней части ковша ППС перемещает ее в среднюю часть ковша, а высвобожденная передняя часть ковша снова заполняется породой под давлением срезаемой стружки. В результате проведенных стендовых экспериментальных исследований по перемещению породы внутри модели ковша с помощью ППС и при минимальном угле наклона

днища к горизонту была выявлена оптимальная по энергоемкости траектория движения ППС в породе, заполнившей ковш. Эта траектория характеризует ложное движение, когда ППС, продвигаясь к задней стенке,

одновременно поднимается вверх под углом 35-40° к плоскости днища и при этом происходит заполнение задней части ковша за счет черпания и пересыпания породы, а сжатие породы перед задней стенкой исключено.

Рис. 2. Расчетная схема для определения сопротивления перемещению породы внутри ковша промежуточной подгребающей стенкой (ППС)

Сопротивление перемещению ППС по сложной, но менее энергоемкой траектории можно разложить на две составляющие (Рх и PJ и определить как сумму слагаемых сопротивлений: cos (р0 cos (р0

Px ~ рх ^ 2рр2 ^ РПР ^ Ртр cos ap ^ Gnp sm фо +

cosa cosa

+Pf + GCT sina + G3 cos(aP -a)sinap; (1)

г. П-.Г. • г. - smffl0 n sin®«

Pz = P\z ^ 2pP1 sin W + PTP 2 sin ß ^ 2РПР2 i ^ РПР i ^

Здесь Р1х и P¡z - составляющие

sma sina

GCT cos a + G3 cos(aP - a)cos aP. (2)

сопротивления резанию, определяемые из условия предельного состояния при пассивном отпоре породы на надвигающуюся ППС путем интегрирования напряжений по лобовой поверхности ППС с учетом пригрузки со стороны призмы волочения. При определении Р1х и P¡z были использованы законы механики сыпучей среды, в частности для определения напряжений о1, породы на лобовую поверхность ППС.

Тогда

п

Pk = Mb I a1dz = M1b

+ gn + C0 hctg®2 |-

(3)

- C0htgPl~

, где M1 = (1 + tgp, tgß)cosa.

Здесь а - угол резания; <p¡ - угол трения породы о сталь; <р2 - угол внутреннего трения; q -распределенная пригрузка со стороны призмы волочения; h - толщина срезаемой стружки; Со -сцепление частиц породы; уг - объемный вес породы; Но - высота призмы волочения; b - ширина ППС (ковша);

cosp1(cosp1 +Jsin2 (р2 - sin2 рЛ

-------------------------------------X

1 - sin р2

k2

exp

/ • Л

• sin Р

-2ß + p1 + arcsin-------------1

sinp2

1 - sin (p2

q = = H0AAl7rb =H0yr; ß = q0-a.

4 AA1b AA1b 0 r У0

2

X

Составляющая r :

Pz = M 2b

k21 —h2 + qh + C0hctqç2 I - C0htqç2

2

где М2 = (tgp - tgcp) cos a.

Сопротивление трению элемента стружки о боковые стенки ковша можно определить, используя закон Кулона:

Ptpi = MiK = Щ 4 AAitg2 (45° - у)гг, (5)

где Ц1 - коэффициент трения породы о сталь.

— 2

P„ 2 = щЕ. = щ-f AAitg2 (45° - ^2)Гг, (6)

Аналогично можно определить сопротивление трению призмы волочения о боковые стенки ковша:

Сопротивление перемещению призмы волочения:

РПР = GnP Щ2 c°s%, (7)

где <ф0 - угол между вертикальной плоскостью и направлением Ртр; Gnp - вес призмы волочения, Gnp = y—oAAib. (8)

Сопротивление трению элемента стружки (призмы выпирания) и призмы волочения о лобовую поверхность ППС:

Ртр =( Gnp + G3)cos(ap+a), (9)

где a = (<ф0; G3, - вес элемента стружки (призмы выпирания).

Сопротивление, связанное с преодолением сил инерции при разгоне прирастающей массы породы в призме волочения:

Р, = , (1°)

2 g

где Vcm - скорость движения ППС.

Составляющие GCTsina и GCTcosa представляют собой сопротивления, связанные с преодолением силы тяжести ППС; составляющие Gэcos(ap - a)sinap и Gэcos(ap - a)cosap -дополнительные сопротивления, связанные с преодолением силы тяжести отделяемого элемента стружки (призмы выпирания).

Зависимости для определения Рх и Рг позволяют подойти к определению расчетным путем энергозатрат на зачерпывание породы ковшом скрепера с учетом работы ППС.

В процессе экспериментальных исследований в канале с мелкозернистой породой (суглинок и песок) на моделях скреперного ковша было установлено, что заполнение задней части ковшей возможно за счет сжатия породы к задней стенке при движении ППС параллельно днищу (рис. 3) или за счет черпания ППС породы, заполнившей ковш, по сложной траектории, имеющей отрезок пути под углом 35-40° к плоскости днища. В последнем случае происходит пересыпание породы из передней части ковша в заднюю, а сжатие породы перед задней стенкой исключается (рис. 3). При ширине модели ковша 0.-1 м. высоте боковой стенки 0,28 м максимальное сопротивление

продвижению ППС параллельно днищу при заполнении задней части длинного ковша W3 составляло 1030 II (см. рис. 3, а), в то время как при сложной

траектории движения ППС (см. рис. 3, б) сопротивление W3 составляло лишь 330...350 И.

Уменьшение сопротивления Wз по сравнению с W3 в 2.9—3,1 раза связано с исключением процесса раздавливания и выпирания вверх породы перед задней стенкой, который по энергоемкости значительно выше, чем процесс черпания и пересыпания породы с помощью ППС.

Рис. 3. Схемы заполнения задней части ковша скрепера с помощью промежуточной подгребающей стенки: а - за

счет сжатия породы; б - за счет зачерпывания и пересыпания породы

Анализ экспериментальных данных позволил сделать вывод о возможности определения сопротивлений IV/ и W” по упрощенным зависимостям. В первом случае

W = КсжВН (11)

где Ксж - коэффициент предельного сопротивления породы сжатию (по данным Л.11. Зеленина, Ксж = 0,7...0,8 Н/см для суглинка); Вк - ширина ковша; Н- высота ППС.

Во втором случае сопротивление перемещению ППС может быть оценено зависимостью

W3” = KhBk + Опр^2 cos р + Gnp sin р, (12)

где К - коэффициент удельного сопротивления резанию: h -толщина срезаемой стружки; Gnp - вес призмы волочения перед ППС; р - угол наклона траектории движения ППС к днищу.

Определенный интерес представляют результаты экспериментов по определению полной энергоемкости процесса зачерпывания ковшом скрепера с учетом энергоемкости зачерпывания породы ППС внутри ковша. Полная энергоемкость Е процесса зачерпывания ковшом скрепера с учетом работы ППС, отнесенная к массе породы, заполняющей ковш, в зависимости от толщины срезаемой стружки определялась, с одной стороны, теоретически (зависимость 10 на рис. 4, а) по известным зависимостям К.А. Артемьева, А.Н. Зеленина. Кроме того, энергоемкость определялась экспериментальным путем. В последнем случае энергоемкость определялась путем сложения энергоемкостей на процесс черпания породы ковшом скрепера и процесс черпания ППС внутри ковша (точка 4 на рис. 4, а). Аналогично расчетным и экспериментальным путем определялось и сопротивление зачерпыванию Т породы ковшом в целом с учетом работы ППС. На рис. 4, б: 10 -расчетная зависимость Т; 4 - экспериментальные значения Т.

Сопоставление расчетных зависимостей Е и У с экспериментальными значениями Е и Т, полученными для случая работы ППС, свидетельствует об их хорошей сходимости и правильности теоретических положений по определению сопротивлений черпанию породы ППС. Кроме того, сопоставление полученных зависимостей Е и Т и экспериментальных значений Е и Т при различных значениях толщины срезаемой ножом ковша стружки (при работе ППС) с существующими опытными данными для других типов интенсификаторов загрузки, а именно: скребковых элеваторов традиционного исполнения СП1 и с нижней загрузочной ветвью СП2; с одним, двумя и четырьмя вертикальными шнековыми элеваторами (1ШП, 2ШП, 4ШП) или четырьмя наклонными шнековыми элеваторами (4ШНП); активной заслонкой (A3); с одним, двумя и четырьмя вертикальными винтовыми (одновинтовыми) элеваторами (1ВП, 2ВП, 4ВП) или четырьмя наклонными винтовыми элеваторами (4ВН) показывает, что скреперы с интенсификаторами типа ППС имеют показатели энергоемкости Е, близкие к лучшим, которые были достигнуты для скреперов со скребковым элеватором с нижней загрузочной ветвью. По величине потребляемого тягового усилия Г скреперы с ППС уступают (см. рис. 4, б) только скреперам со скребковыми элеваторами (СП1, СП2) и совершенно незначительно скреперам с четырьмя вертикальными шнековыми элеваторами (4ШП) и четырьмя вертикальными наклонными элеваторами (4ВН). Значительное уменьшение потребляемого тягового усилия 7" и отчасти энергоемкости Е для скреперов с интенсификаторами объясняется резким снижением, а в

ряде случаев до нуля сопротивлений, связанных с перемещением призмы волочения, а также некоторым уменьшением сопротивлений передвижению породы внутри ковша. а б

Рис. 4. Зависимость энергоемкости Е (а) и сопротивления черпанию ковшом Т (б) от толщины срезаемой стружки h для моделей ковша скрепера, оборудованных механизмами загрузки: 1 - скрепер с ковшом, заполняемым с помощью тягового усилия; 2 - 1ВП; 3 - 1ШП; 4 - 2ВП; 5 - 2ШП; 6 - 4ВП; 7 - 4ШП; 8 - 4ВН; 9 - 4ШНП; 10 - ППС (расчетные зависимости); 11 - СП1; 12 - СП2; 13 - А3: х - экспериментальные значения Е и Т при работе ППС

Как уже отмечалось ранее значительного повышения производительности скреперов при черпании породы можно достигнуть и за счет уменьшения угла наклона днища в сторону подножевой плиты. Уменьшения угла наклона днища ковша можно достигнуть за счет применения заднего механизма подъема-опускания ковша или за счет применения двух механизмов подъема-опускания ковша: переднего и заднего. Преимущества заднего расположения механизма подъема-опускания ковша известны, однако недостатки, связанные с касанием днища с поверхностью породы в начальный момент черпания и при работе «клевками», препятствуют внедрению подобных скреперов. Эти недостатки исчезают при наличии двух механизмов подъема-опускания ковша.

С целью изучения влияния угла наклона днища ковша скрепера на заполняемость его породой в процессе черпания были проведены экспериментальные исследования на модели скреперного ковша в канале с мелкозернистой породой.

/ /

У / / гУ Г Т / 1 У /

1_ /1 / / / „и, /і / У

Рис. 5. Контуры породы в ковше в конечном стадии черпания при различных углах наклона днища а: а - ковш с задней стенкой и УВк= 0.88; б - ковш без задней стенки; I - а = 20°; 2 - а = 10°; 3 - а = 0°; 4 - а = -2°

В результате экспериментальных исследований было установлено, что уменьшение наклона днища ковша в сторону подножевой плиты способствует значительному повышению наполнения ковша породой в основном за счет лучшего заполнения задней верхней части ковша перед задней стенкой (рис. 4, а). В процессе черпания несвязной мелкозернистой породы (песка) с влажностью 6-8 % коэффициент наполнения Кп для ковша с соотношением Lk/BK= 0,88 повышается (рис. 4) более чем в полтора раза, если изменить угол днища а в пределах 22°, т.е. от угла наклона днища, равного 20°, в сторону подножевой плиты, до угла наклона днища, равного 2°, в сторону задней стенки.

С уменьшением угла наклона днища в сторону подножевой плиты резко увеличиваются дальность продвижения породы в глубь ковша и объем породы, поступающей в ковш. Так, при черпании ковшом без задней СТЕНКИ, но с длинным днищем дальность продвижения несвязной породы в глубь ковша увеличивается (рис. 5, б) в 1.72 раза (рис. 5) при изменении угла наклона днища от 20°, в сторону подножевой плиты, до угла наклона днища, равного 2°. в сторону задней стенки. Это обстоятельство является определенным обоснованием для проектирования и внедрения более длинных ковшей, чем те, которые применяются на скреперах, выпускаемых в настоящее время отечественной и зарубежной промышленностью. Таким образом, проведенные экспериментальные исследования позволяют сделать вывод о необходимости проектирования таких схем подвески скреперных ковшей, при которых угол наклона днища ковша в процессе черпания породы имел бы определенное значение, порядка 2-3° в сторону задней стенки. Принципиально новая конструкция скрепера с двумя механизмами подъема-опускания ковша, обеспечивает изменение наклона днища.

Таким образом, одним из наиболее эффективных направлений повышения степени загрузки большегрузных скреперов горной породой является существенное изменение конструкции ковша скрепера в сторону увеличения его длины применения промежуточной подгребающей стенки и изменения угла наклона ковша, что подтверждается теоретическими исследованиями и экспериментальными работами, в том числе и в натурных условиях.

-------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Шемякин С.А., Иванченко С.Н., Мамаев Ю.А. Ведение открытых горных работ на основе совершенствования выемки пород. - М.: Изд-во «Горная книга», 2006. ЕШ

— Коротко об авторах -----------------------------------------------

Иванченко С.Н. - доктор технических наук, профессор, ректор, rector@khstu.ru,

Шемякин С.А. - доктор технических наук, профессор, info@khstu.ru, Тихоокеанский государственный университет, г. Хабаровск.

Мамаев Ю.А. - доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник,

Института горного дела ДВО РАН, г. Хабаровск, adm@igd.khv.ru.