CC BY
198
© Д.В. Пастихин, Н.У. Толипов, 2010
УДК 622.2
Д.В. Пастихин, Н. У. Толипов
ВЛИЯНИЕ КОНСТРУКЦИИ РАБОЧЕГО БОРТА КАРЬЕРА НА ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ ЭКСКАВА ТОРНО-АВТОМОБИЛЬНОГО КОМПЛЕКСА ОБОРУДОВАНИЯ
Изложены основные принципы и результаты моделирования работы экскаваторноавтомобильного комплекса оборудования с учетом конструкции рабочего борта карьера.
Ключевая слова: конструкция рабочего борта карьера; математическая модель; производительность оборудования; экскаваторно-автомобильной комплекс.
Семинар № 17
Т'Ма сегодняшний день глубина многих карьеров, в которых работают экскаваторно-автомобиль-ные комплексы оборудования, давно превышает 250, 300 и даже 400 метров и это далеко не придел, уже существуют проекты разработки месторождений карьерами до глубины 1000 м. Не секрет, что при работе в карьерах с такими глубинами количество факторов, которые оказывают существенное влияние на производительность экскаваторно-
автомобиль-ного комплекса существенно возрастает. Не будем подробно останавливаться на уже известных, достаточно хорошо изученных факторах, а попробуем обратить внимание на новый на наш взгляд фактор, влияние которого на производительность экскаваторноавтомобильного комплекса стало существенным только в последние десятилетия.
Стремление сократить текущие объемы вскрышных работ привело на многих предприятиях к тому, что угол откоса рабочего борта существенно увеличился. Это однозначно свидетельствует о том, что предприятия сократили ширину площадок в рабочей зоне карьера.
Достигалось это в основном за счет сдваивания уступов или сокращения ширины площадок на уступах до ширины бермы безопасности. И хотя очевидно, что ухудшение условий работы экс-каваторно-автомо-бильного комплекса оборудования не может не отразиться на его производительности, на сегодняшний этот фактор, особенно на практике, совершенно не учитывается. Выполненные ранее исследования в основном базировались на том, какая должна быть оптимальная рабочая зона, а не на том, как наиболее эффективно работать в тех условиях, в которых по различным причинам мы сейчас оказались. Кроме этого существующие параметры и показатели работы карьера не позволяют в достаточной степени оценить конструкцию рабочей зоны карьера, роль которой в этом случае, несомненно, должна резко возрастать. Например, зная угол рабочего борта карьера, длину рабочего фронта и количество вскрытых запасов невозможно без плана горных работ ответить на вопрос: В рабочей зоне карьера есть сдвоенный уступ или те же самые показатели свидетельствуют о наличии в
рабочей зоне помимо рабочих площадок двух берм безопасности.
Для того, чтобы установить оказывает ли конструкции рабочего борта карьера влияние на производительность экскаваторно-автомобильного комплекса оборудования была создана математическая модель рабочего борта карьера, учитывающая влияние на производительность комплекса параметров рабочей площадки на горизонте.
Модель описывает рабочий борт карьера, состоящий из 3 добычных и 13 вскрышных уступов (рис. 1). Высота всех уступов 15 метров. Длина горизонтов изменяется в пределах от 2400 до 3000 м. Суммарная длина уступов моделируемого рабочего борта составляет 40,2 км. Из них на долю добычных приходится 7,2 км. Отработка карьера ведется с использованием экскаваторно-автомобиль-ных комплексов оборудования. В добычной зоне выемка угля осуществляется тремя экскаваторами ЭКГ 15. Работы во вскрышной зоне выполняют 12 экскаваторов ЭКГ-20. Плановый годовой объем добычи угля 6480 тыс м3. При среднем коэффициенте вскрыши Кср = 5 м3/м3, что соответствует извлечению 32400 тыс. м3 вскрышных пород. Качество добываемого угля не рассматривалось, но предложенная модель позволяет его учитывать.
Для расчета производительности комплексов оборудования было введено понятие расчетной (базовой) производительности, она соответствовала оптимальным условиям работы. В качестве оптимальных условий работы была принята “нормальная” рабочая площадка. Увеличение ширины площадки относительно “нормальной” рабочей площадки не отражается на производительности комплекса оборудования. Уменьшение ширины - ведет к снижению производительности. Расчетная производитель-
ность экскаваторов ЭКГ-15 и ЭКГ-20 принятая при моделировании составила соответственно 2160 и 2700 тыс. м3.
Созданная модель оказалась достаточно универсальной и позволила имитировать различные сценарии развития горных работ и изменения конструкции борта карьера. Остановимся подробнее на моделировании и его результатах по сценарию, согласно которому требуется ежегодно выполнять плановый (фиксированный) объем добычи полезного ископаемого, а в случае недостатка производительности вскрышного оборудования невыполнение объемов вскрышных работ приводит к выкручиванию угла рабочего борта карьера. Принципиальная схема этого сценария развития работ представлена на рис. 2.
Величина отрезка AD на рис. 2 соответствует годовому подвиганию фронта горных работ по полезному ископаемому (Рпи). Если производительности вскрышных комплексов оборудования достаточно для выполнения годовых объемов всрышных работ, подвигание фронта работ по всей высоте вскрышной зоны одинаковое и равно ЛВ, угол откоса рабочего борта карьера (а!) не меняется. Когда производительность вскрышных комплексов не обеспечивает выполнения плановых объемов вскрышных работ, подвигание фронта вскрышных работ становится неравномерным по высоте вскрышной зоны. И если для обеспечения плановых объемов добычи подвигание нижнего вскрышного уступа равно под-виганию добычных уступов, то на верхних горизонтах оно становится меньше на величину Ро, что позволяет определить новый угол рабочего борта карьера (а2).
Моделирование развития горных работ в соответствии с описанным сценарием осуществляется до тех пор, пока угол откоса рабочего борта карьера не
Таблица 1
Варианты конструкции рабочего борта карьера
Конструкция Размеры рабочих и нерабочих площадок, м
борта карьера * 50 40
20 0 20 0
3 3.20.50. 3.0.50. 3.20.40. 3.0.40.
2 2.20.50. 2.0.50. 2.20.40. 2.0.40.
23 23.20.50 23.0.50. 23.20.40 --
* цифра в колонке “Конструкция борта карьера”, указывает последовательность и количество горизонтов, на которых размер площадки уменьшен до 20 м или до 0.
достигал значения предельного угла нерабочего борта.
В качестве предельного рабочего борта карьера - был принят борт карьера со сдвоенным каждым вторым уступом. Величина площадок оставшихся на остальных горизонтах составляла 30 м. В дальнейшем этот вариант будем именовать - конечным.
В качестве базового - был принят контур рабочего борта с 50 метровыми площадками на каждом горизонте карьера. Для формирования различны вариантов рабочего борта были выделены 4 типа площадок шириной 50, 40, 20 и 0 м.
Первые два типа площадок соответствуют различной ширине рабочих площадок. Площадка шириной 20 метров рассматривается, как минимальная транспортная бермы или предохранительная берма. Нулевое значение площадки говорит о том, что на данном горизонте уступы сдвоены. На основе различного сочетания различных типов площадок были сформированы варианты конструкции борта карьера (табл. 1).
Обозначение варианта соответствует принципу его формирования. Например, номер 3.20.50 получен в результате пересечения вертикального столбца “20” поля таблицы “50” с горизонтальной строкой “3” из колонки “Конструкция борта карьера”, и означает, что в данном варианте в начальном положении на каждом третьем уступе ширина площадки
20 м, на остальных горизонтах ширина рабочей площадки принята - 50 м.
Исследуемый период моделирования работы предприятия был ограничен 20ю годами. В каждой итерации определялись годовые показатели работы комплексов оборудования и изменения формы и параметров рабочей зоны карьера.
При моделировании нового положения борта карьера за основу принималась существующая конструкция борта карьера. Например, если на каждом третьем уступе была оставлена берма безопасности (транспортная берма) шириной 20 м увеличение угла откоса борта происходит только за счет сокращения средней ширины рабочей площадки на остальных горизонтах. Фактически, за счет сокращения объемов подготовленных запасов на этих горизонтах.
Процесс изменения конструкции борта начинался, когда объем подготовленных запасов, достигал некоторой минимальной величины. В этом случае, дальнейшее увеличение угла откоса происходило за счет сокращения числа нерабочих площадок (сдваивания уступов), то есть выбытия запасов расположенных под бермами безопасности и транспортными бермами.
88Т
Таблица 2
Геометрическая и количественная характеристики вариантов конструкции борта карьера
№ Вариант Отставание объемов вскрыши 3 тыс. м Площадь борта карьера, Вскрытые запасы, Средний размер площадки, Угол откоса борта, град.
п.и тыс., м2 вскрыша, тыс. м2 всего, тыс. м2 п.и., 3 тыс. м вскры- ша, 3 тыс. м всего, 3 тыс. м п.и., м Вскрыша, м Всего, м
1 базовый 0 360 1657,5 2017,5 54000 113784 167784 50,0 50,0 50,0 15,9
2 3.20.50. 56700 288 1332 1620 39960 87324 127284 40,0 40,2 40,1 19,2
3 2.20.50. 71064 288 1164,6 1452,6 32400 70368 102768 40,0 35,1 36,0 20,9
4 3.0.50. 94500 240 1115 1355 30600 69684 100284 33,3 33,6 33,6 22,1
5 3.20.40. 88440 288 1109 1349 29520 64704 94224 40,0 33,5 33,4 22,1
6 2.20.40 98868 288 997,4 1237,4 25560 58350 83910 40,0 30,1 30,7 23,6
7 23.20.50. 107370 216 1000,5 1216,5 24840 55914 80754 30,0 30,2 30,1 24,0
8 2.0.50. 118440 240 836 1076 18000 41424 59424 33,3 25,2 26,7 26,1
9 23.20.40 122220 192 888 1080 19440 43764 63204 26,7 26,8 26,8 26,1
10 3.0.40. 126240 240 892 1084 20160 47064 67224 33,3 26,9 26,9 26,1
11 2.0.40. 145392 192 668,8 860,8 10080 24456 34536 26,7 20,2 21,3 30,3
12 23.0.50. 178950 120 562,5 682,5 5400 17334 22734 16,7 17,0 16,9 35,2
13 конечный 183468 72 492,9 564,9 0 0 0 10,0 14,9 14,0 38,7
^
Рис. 1. Модель рабочего борта карьера
Рис. 2. Схема к определению новых положения и угла откоса борта карьера: РО - величина отставания перемещения фронта работ по кровле вскрышной толщи; РП.И - величина перемещение фронта работ по полезному ископаемому; SОП - площадь, соответствующая недовыполнению плановых объемов вскрышных работ; аь а2 - первоначальный и новый углы откосов борта карьера; 1,2,3 - положение борта карьера соответственно начальное, при невыполнении и выполнении плановых объемов вскрышных работ
Для всех вариантов были проведены расчеты в соответствии с принятым сценарием развития горных работ. Основные показатели и результаты моделирования представлены в табл. 2.
Как показали расчеты, сокращение площадей нерабочих площадок существенно ускоряет процесс снижения производительности выемочного оборудования. Это проиллюстрировано на графике, представленном на рис. 3. На кривых, описывающих производительность предприятия, можно увидеть точку, после которой процесс падения производительности ускоряется.
Эта точка соответствует моменту начала сокращения площадей нерабочих площадок уступов. Проведенные расчеты подтверждают, что угол откоса борта, хотя и оказывает существенное влияние на производительность предприятия в целом, не является единственным определяющим фактором. Например, начальный угол откоса рабочего борта в варианте 23.20.50. 240, что на 1,90 круче, чем в варианте 3.0.50. (22,10), а срок службы предприятия по этому варианту больше. А в вариантах
23.20.40., 3.0.40. и 2.0.50. угол откоса рабочего борта одинаковый и составляет 26,10, однако срок службы карьера по вариантам достаточно существенно различается и составляет соответственно 14, 11 и 8 лет. Очевидно, что существенная разница срока службы между вариантами вызвана различной конструкцией рабочего борта карьера, при этом, варианту с наибольшей производительностью и сроком службы соответствует наибольшее количество запасов расположенных под площадями соответствующими нерабочим площадкам.
Для вариантов 3.20.50. и 3.20.40 были проведены расчеты, имитирующие ввод дополнительных мощностей по вскрыше. Увеличение мощностей по вскрыше достигалось за счет ввода дополнительного вскрышного оборудования - одного или двух экскаваторов ЭКГ 20. На расчетный период отставание по вскрышным работам составляло в вариантах 3.20.50 и 3.20.40 соответственно 56,7 и 88,4 млн. м3.
тыс м
38000 1
— - 2.0.50.
А 2.0.40.
2.20.50.
2.20.40.
о 23.0.50.
.... 23.20.50.
23.20.40.
—Ж - 3.0.50.
1 3.0.40.
3.20.50.
3.20.40.
Рис. 3. Производительность вскрышных экскаваторно-автомобильным комплек-сов оборудования ^вс) и продолжи-тельность работы карьера (Т) при различных конструкциях его рабочего борта
В варианте 3.20.40 ввод одного экскаватора позволил стабилизировать показатели работы комплексов оборудования. Производительность карьера по вскрышным породам превысила значение планового показателя (32400 тыс. м3) и на первый расчетный год составила 33040 тыс. м3. Но величина превышения очень незначительна и ее влияние несущественно. К концу рассматриваемого периода (20 лет) изменение показателей работы карьера не превышало 0,03%.
В варианте 3.20.50. по сравнению с вариантом 3.20.40. условиям работы для экскаваторно-автомобильных комплексов оборудования лучше, поэтому, ввод еще одного вскрышного комплекса позволил выйти уже на первом шаге рас-
чета на годовую производительность по вскрышным породам - 33764 тыс. м . Улучшение условий ведения работ за счет разноса борта позволило на конец рассматриваемого периода повысить показатели работы выемочного оборудования на 1,9%. Отставание по вскрышным работам было сокращено с 56,7 до 27.2 млн. м3.
Хотя созданная модель достаточно сильно упрощена и идеализирована, полученные нами результаты свидетельствуют о том, что, такой фактор как конструкция рабочего борта карьера оказывает существенное влияние на производительность экскаваторно-автомобильного комплекса оборудования и требует более глубокого и основательного изучения.
— Коротко об авторах ---------------------------------------------------------------------
Пастихин Д.В. - кандидат технических наук, доцент кафедры «Технология, механизация и организация открытых горных работ», mail:msmu-opm@mail.ru
Толипов Н. У. - аспирант кафедры «Технология, механизация и организация открытых горных работ», mail: mggu_uz@list.ru Московский государственный горный университет,
Moscow State Mining University, Russia
A
