Влияние параметров залегания угольных пластов на вместимость ковша экскаватора при разработке перспективных месторождений Кузбасса малыми разрезами Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УДК 622.271.3

Е. В. Курехин

ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЗАЛЕГАНИЯ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ НА ВМЕСТИМОСТЬ КОВША ЭКСКАВАТОРА ПРИ РАЗРАБОТКЕ ПЕРСПЕКТИВНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ КУЗБАССА МАЛЫМИ РАЗРЕЗАМИ

В настоящее время в Кузбассе работают 27 разрезов относящихся к категории малых разрезов. Они разрабатывают месторождения в основном с наклонным и крутым залеганием свиты пластов. Число рабочих пластов в свите составляет 2-

3, реже один пласт. На перспективных месторождениях центрального Кузбасса подлежат отработке свиты с рабочими пластами до 5-7 м [1]. Мощность пластов, как правило, небольшая 2-5 м, реже до 10 м.

В настоящее время глубина разработки залежей малыми разрезами составляет 50-80 м, длина карьерного поля 1,3-1,6 км, реже 2,0 км. Произ-

водственная мощность от 200 до 800 тыс.т в год.

Перспективные месторождения в Кузбассе, пригодные к отработке малыми разрезами, характеризуются ограниченными запасами от 1 -12 млн.т реже до 20 млн.т. Такие залежи можно отрабатывать по монотехнологии, т.е. одним комплексом оборудования (буровые станки, экскаватор, автосамосвалы, бульдозеры). Выемочной машине необходимо выполнять все виды горных работ: отработка наносов, разрушенных взрывом скальных пород и угольных пластов.

В таком случае производительность экскаватора должна обеспечить выполнение годового

Рис. 1.Расчетная схема карьерного поля: а - пространственное изображение; б - сечение карьерного поля по центральному участку

объема горной массы. Решить задачу подбора экскаватора по его годовой производительности по горной массе можно через определение требуемой вместимости ковша.

Поскольку производительность экскаватора при выполнении различных видов работ не одинакова, то предварительно определяется начальная ориентировочная вместимость ковша с последующим её уточнением при проектировании технологии для конкретных условий.

В данной работе представлены результаты исследований по изучению взаимосвязи условий залегания угольных пластов с вместимостью ковша с целью разработки рекомендаций по выбору экскаватора при проектировании разработки угольной залежи малыми разрезами.

Для решения задачи разработан аналитический метод расчета объема горной массы карьерного поля (рис. 1 а, б) [2].

Метод позволяет рассчитать объем: наносов, угленасыщенной зоны, коренных пород в безугольной и угленасыщенных зонах, вскрыши карьерного поля с учетом наносов, средний эксплуатационный коэффициент вскрыши, балансовые и промышленные запасы угля. Параметры определяются с учетом рельефа поверхности: горизонтальный, согласный наклонный (по направлению падения залежи) или несогласный наклонный. Считается, что мощность наносов равномерно распределена по всей поверхности карьерного поля.

На рис. 1а представлено пространственное изображение карьерного поля без наносов, а на рис. 1 б сечение карьерного поля с учетом наносов. На рис. 1 а: фиг. 1-2-3-4-8-5-6-7 и фиг. 1'-2'-3'-4'-8-5-6-7, соответственно, центральный участок карьерного поля при горизонтальном рельефе поверхности и при наклонном; фиг. 9-1-4-10-8-5, (фиг. 9'-1'-4'-10'-8-5) и фиг. 2-11-12-3-7-6 (фиг. 2'-11'-12'-3'-7-6), соответственно левый и правый торцы карьерного поля. Далее фиг. 13-14-15-16-85-6-7 и фиг. 13'-14'-15'-16'-8-5-6-7, угленасыщенная зона карьерного поля, соответственно, при горизонтальном и наклонном рельефе поверхности. Фиг. 1-2-14-13-5-6 (1'-2'-14'-13'-5-6) безуголь-ная зона центрального участка с висячего бока залежи, соответственно, при горизонтальном и наклонном рельефе поверхности. Фиг. 16-15-3-48-7 (Фиг. 16'-15'-3'-4'-8-7) тоже с лежачего бока залежи.

На рис. 1 б приняты следующие обозначения: Ик.к - высота карьерного поля по коренным породам, м; тН - мощность наносов,; ф - угол падения пластов свиты, град.; аПов - угол наклона поверхности, град.; ув - угол погашения борта карьерного поля со стороны висячего бока залежи, град.; уЛ -угол погашения борта карьерного поля со стороны лежачего бока, град.; уТ - угол погашения борта карьерного поля в торце, град.; М, МГ - соответственно, нормальная и горизонтальная мощность

Мг = М- БШ ф"1.

Нк = Нк.к + тН ■ СО^ПОВ .

свиты, м.

( 1)

Полная глубина карьерного поля с учетом наносов (Ик) равна

п1 (

2)

Торцы карьерного поля содержат уголь. В Кузнецком угольном бассейне свиты пластов простираются на многие километры и десятки километров. Деление месторождений на отдельные карьерные поля определяется естественными (реки, геологические нарушения, особенности рельефа поверхности) или искусственными факторами (железными или автомобильные дороги государственного значения, населенные пункты, охраняемые территории и т.д.). Поэтому за границами карьерного поля по его длине пласты продолжаются. Протяженность карьерного поля (Ьк, м) принята по его дну (рис. 1 а).

Разработана компьютерная программа «Малый карьер-объёмы» для расчета объемов элементов карьерного поля.

Определение ориентировочной вместимости ковша (Е) производится в следующем порядке.

После определения объемов элементов карьерного поля при заданном сроке службы малого разреза (5-15 лет) определяется годовой объем горной массы (УК.ГМг).

Определение вместимости ковша производится после преобразования формулы эффективной производительности карьерной лопаты [3, 4].

По результатам расчета построены графики зависимости Е=Дф, М, тН, Нкк). В расчетах угол залегания пластов изменяется в пределах: наклонное залегание 20-45°; крутое 45-80° [4]; мощность наносов тН=5-20 м, нормальная мощность угленасыщенной зоны М=20-80 м, глубина карьерного поля Нкк=50-75 м.

На рис. 2 а показана зависимость ориентировочной вместимости ковша (Е) от угла залегания пласта (ф).

С увеличением угла залегания пластов вместимость ковша уменьшается. При наклонном залегании пластов (20-45°) снижение вместимости происходит по квадратичной зависимости, причем существенное - в 1,6-1,8 раза. При крутом залегании зависимость линейная, а уменьшение вместимости ковша незначительно: на 10-12 %. Выявлены закономерности обусловлены аналогичной зависимостью изменения годового объема безугольной зоны (УК.ГМ.г) от угла (ф) (рис. 3 а).

На рис. 2 б показана зависимость необходимой вместимости ковша (Е) от величины нормальной мощности свиты (М). С увеличением мощности свиты (М) вместимость ковша увеличивается по линейной зависимости, причем существенное: при увеличении мощности М от 20 до 80 м вместимость ковша возрастает в 1,6-2,0 раза.

Закономерность объясняется увеличением го-

дового объема породы угленасыщенной зоны (УКп.уЗ.Г) по такой же зависимости (рис. 3 б).

На рис. 2 в показана зависимость вместимости ковша (Е) от мощности наносов (тН). С увеличением мощности наносов (тН) от 2 до 20 м вместимость ковша увеличивается по линейной зависимости, и также существенно (в 1,4-1,6 раза).

Увеличение вместимости ковша связано с увеличением объема наносов, равномерно распре-

деленных по всей поверхности карьерного поля. При наклонном залегании пластов площадь безугольной зоны, определяемая по границам карьерного поля, наибольшая, а по мере увеличения угла залегания пластов уменьшается (рис. 1 а, б). На рис. 2 г, д, е показаны зависимости вместимости ковша (Е) от глубины карьерного поля (Нкк) при наклонном и крутом залегании

а)

в)

Нкк=50 м; М=20 м

г)

тН=10 м; М=20 м

Е, м.куб 7

Е, м.куб

5

4

3

Е=(61,38-1,12-тН)-ф-0,73 "Я2 = 0,99 | тн=5 м | . • | Е=(6,84-0,12-тН)-ф-0, 'V 1 Я2 = 0,99 ^—■—I 11111 7654 1Л ■'Г \ Я 89 09 § ® о 1 1 2 I М Рч &

\ ф=60°

_ ^ —♦—♦—< | \чтн=10 м 2 -1 - Е = 0,0052-Нкк1,59 , Я = 0,99 ,

1 1 | 1 1 1

б)

20 30

Е, м.куб 7

50 60 70 Ф. град

Нкк=50 м; тН=10 м

д)

40 50 60 70 Нк.к,м

тН=10 м; ф=30°

Е, м.куб

6

2

1

10 1

Е = 0,0538-М + 2,4 ‘ Я2 = 1,0 ф=30° 1 8 9 1 1 Е = 0,0314-Нкк1,32 Я2 = 0,99 М=60 м

1 - \

к 6 -

5 -

■ \ ф=60° 3 4 1 1 ^М=20 м

- Е = 0,0311-М + 2,0 Я2 = 1,0 1 1 2 -1 - Е = 0,018-Нкк1,4 Я2 = 0 99 | 1Ч| |

20 40 60

Нк.к=50 м; М=20 м

Е, м.куб

М, м

е)

7

6

5

4 Н 3 2 1

Е = 0,1092-тн + 2,4 Я2 = 0,99

ф=30°

Е = 0.0876-тн + 1,8

40

Е, м.куб 7

50 60 70 Нк.к, м

М=20 м; ф=30°

6

5

4 Н 3 2 1

Е = 0,0138-Нкк1,45 >■

Я2 = 0,99

тн=5 м

^\^тн=10м

Е = 0,005-Нкк1,63

Я2 = 0,99

5

Я2 = 0,99

10

15

тн, м

40

50

60

70 Н

к.к,

0м

1

4

Рис. 2. Зависимости ориентировочной вместимости ковша от: а - угла залегания пластов, б - мощности свиты, в - мощности наносов, г, д, е - глубины карьера

пластов (рис. 2 г), при разной нормальной мощности свиты (рис. 2 д) и при различной мощности наносов (рис. 2 е).

Вместимость ковша при увеличении глубины (Нк.к) во всех случаях возрастает по степенной зависимости. Это объясняется аналогичным характером зависимости годового объема горной массы от глубины (Нкк), как показано на рис. 3 г.

Для применения в проектной практике на рис. 4 г 7 приведены зависимости ориентировочной вместимости ковша для всего диапазона параметров залегания месторождений, пригодных к разработке малыми разрезами.

а) Ук.бу.г, млн.м /г

На основании проведенного исследования можно сделать следующее заключение.

Ориентировочная вместимость ковша зависит от параметров залежи и глубины её разработки:

- с увеличением угла залегания наклонных пластов (20г45°) вместимость ковша уменьшается по степенной зависимости в 1,6 - 1,8 раза;

- при крутом залегании (45г80°) уменьшение вместимости по линейной зависимости и небольшое 10-12 %;

- существенно (в 1,6-2 раза) по линейной зависимости возрастает вместимость ковша с увели-

б) Ун.г, млн.м3/г

1,0

в)

Vкп.уз.г, млн. м3/г 1,0

г)

10

Ук.гм.г, млн.м /г

15

тн, м

0,8

0,6

0,4

0,2

0,0

Укп.уз=0,0094-М-0,035 Я2 = 0,99 2.5 - „ 2,0 - 1.5 - 0,0295 1,0 " 0,5 - Ук.гм=0,0374-М-0,035 Я2 = 0,99 Л

ф=30° ^ Укп.уз=0,0075-М-\ Я2 = 0,99 \ ф=60° \ , * О 0 ГО = &

ч ф=60° \Ук.гм=0,0308-М-0,7 \ Я2 = 0,99

0,0 н

766

40 50

60

70 Нк.к, м

Рис. 3. Зависимость объемов элементов карьерного поля от: а - коренных пород в безугольной зоне (УКБУГ) от угла падения полезного ископаемого (ф), б - наносов (Ун.Г) от мощности наносов (т), в - коренных пород в угленасыщенной зоне (УКП.УЗ.Г) от мощности свиты (М), г - горной массы (УКГМГ) от глубины карьерного поля (Ик:к) а) М=20 м д) М=20 м и) М=20 м

5

Е, м3

Е, м3

Е, м3

тн, м

б)

М=40 м

е)

М=40 м

Е, м3

тН, м

к)

М=40 м

Е, м3

тН, м

в)

М=60 м

ж)

М=60 м

л)

М=60 м

Е, м3

Е. м3

г)

М=80 м

з)

М=80 м

м)

М=80 м

Рис. 4. Зависимость вместимости ковша экскаватора (Е) от угла падения полезного ископаемого (ф) и мощности наносов (тн) при глубине карьерного поля (Нкк): а, б, в, г Нк.к=50 м; д, е, ж, з Нкк =60 м; и, к, л, м Нкк=75 м

а) тн=5 м

д) тн=5 м

и) тн=5 м

Е, м3

Ф, град

Е, м3

Ф, град

Е, м3

Ф, град

б)

е)

к)

Е, м3

Ф, град

Е, м3

Ф, град

Е, м3

18

16

14

12

10

8

6

4

2

0

20

Ф, град

в)

Шн=15 м

ж)

Шн=15 м

л)

Е, м3

г)

Шл=20 м

з)

м)

Е, м3

12

10 8 6 4 -

2

0 20

Ф, град Е м3

-♦-20

12 --

30

10 --

40

50 8 -

60 6 ■

70 4 -

80 2 ■■

0 --

Ф, град

40

60

М, м

20

40

60

М, м

тн=10 м

тн=10 м

тн=10 м

м

тн=15 м

тн=20 м

тн=20 м

Рис. 5. Зависимость вместимости ковша экскаватора (Е) от мощности свиты (М) и угла падения полезного ископаемого (ф) при глубине карьерного поля (Нкк): а, б, в, г Нкк=50 м; д, е, ж, з Нкк =60 м; и, к, л, м Нкк=75 м

а)

Е,м3

тН=5 м

б)

Е,

9

8

7

6

5

4

3

2

1

О

Ф, град

д)

Е,м3

тН=5 м

тН=10 м

е)

тН=10 м

и)

Е,м3

тН=5 м

к)

Е,м3

16

14

12

10

8

6

4

2

0

тН=10 м

Ф, град

в)

тН=15 м

ж)

Е,м3

14

12

10

8

6

4

2

0

тН=15 м

Ф, град

л)

Е,м3

18

16

14

12

10

8

6

4

2

0

тн=15 м

Ф, град

10

15

5

10

15

г)

Е,м3

тН=20 м

з)

тН=20 м

Ф, град

Е,м3

16

14 12 10 8 6 -4 2 0

Ф, град

м)

Е,м3

тН=20 м

Ф, град

Рис. 6. Зависимость вместимости ковша экскаватора (Е) от мощности наносов (т„) и угла падения полезного ископаемого (ф) при глубине карьерного поля (Нкк): а, б, в, г Нкк=50 м; д, е, ж, з Нкк =60 м; и, к, л, м Нкк=75 м

5

10

15

тн, м

5

тн, м

т н, м

тн, м

5

10

15

5

10

15

т н, м

а)

Е,м3

тН=5 м

Ф, град

д)

Е,м3

тН=5 м

Ф, град

и)

Е,м3

тН=5 м

Ф, град

б)

Е,м3

тН=10 м

в)

Е,м3

12

10

8

6

4

2

О 50

г)

Е,м3

Ф, град

тН=15 м

Ф, град

60

тН=20 м

Нк.к, м

Ф, град

е)

Е,м3

тН=10 м

Ф, град

ж)

Е,м3

тН=15 м

Ф, град

з)

Е,м3

тН=20 м

Ф, град

к)

Е,м3

тН=10 м

л)

Е,м3

м)

Е,м3

Ф, град

тН=15 м

Ф, град

тН=20 м

Ф, град

Рис. 7. Зависимость вместимости ковша экскаватора (Е) от глубины карьерного поля (Нкм) и угла падения полезного ископаемого: а, б, в, г М =20 м; д, е, ж, з М =40 м; и, к, л, м М =60 м

- существенно (в 1,6-2 раза) линейно возрастает вместимость ковша с увеличением мощности междупластья (в диапазоне М=20-80 м);

- мощность наносов также существенно (в 1,4

- 1,6 раза) на вместимость ковша при изменении тН от 5 до 20 м.

В целом анализ графиков показывает, что для малых разрезов отрабатываемых по монотехноло-

70

гии и при глубине разработки до 60-75 м, макси- каватора находится в диапазоне 2,5-15,0 м3. мальная ориентировочная вместимость ковша экс-

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Курехин Е.В. Оценка производственных мощностей разрезов при разработке перспективных угольных месторождений Кузбасса // Вестн. Кузбасского гос. тех. унив., 2008. - № 6. - С. 9 - 14.

2. К вопросу комплектации выемочно-погрузочного оборудования для разработки наклонных и крутых месторождений малыми разрезами. Рег. научно-практ. конф. «Образование, наука, инновация». - Междуреченск, 2010.

3. Трубецкой К.Н., Краснянский Г.Л., Хронин В.В. Проектирование карьеров: Учеб. для вузов: в 2 т. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Издательство Академии горных наук, 2001. - т. II - 519 с.

4. Колесников В.Ф. Вскрытие карьерных полей на угольных месторождениях // Учеб. пособ. - Кемерово: КузГТУ, 2007. - 139 с.

□ Автор статьи:

Курехин Евгений Владимирович

- канд. техн. наук, доц. каф. «Открытые горные работы»

КузГТУ. e-mail: kev.ormpi@kuzstu.ru