Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса. Цель, задачи и методы исследования
1.1. Обзор научно-исследовательской литературы и практики открытых горных работ в области дистанционного управления производственными процессами 10
1.2. Цель, задачи и методы исследования 15
2. Определение путей дистанционного управления производством горных работ на карьере из существующих средств и техники производства
2.1. Варианты организации дистанционного управления горными и транспортными машинами в карьере 26
2.2. Определение путей автоматизации горного оборудования для создания технологии дистанционного управления 28
2.3. Системы для движения горного оборудования по карьеру и забою
2.3.1. Система Глобального Определения Местоположения - GPS (Global Positioning System) 36
2.3.2. Система обнаружения препятствий 42
2.4. Техника для дистанционного управления горно-транспортными машинами
2.4.1. Робототехника для управления горно-транспортным оборудованием 43
2.4.2. Промышленные контроллеры 49
2.5. Выводы 49
3. Оценка комплектов горного оборудования для создания технологии открытых горных работ с использованием дистанционного управления
3.1. Выбор исходных данных и возможных в данных условиях технологических потоков 51
3.2. Выбор критериев и оценка комплектов оборудования с точки зрения применения в технологии открытых горных работ с использованием дистанционного управления горными и транспортными машинами 56
3.3. Выводы 69
4. Создание технологии разработки месторождений открытым способом с использованием дистанционного управления
4.1. Преимущества дистанционного управления техникой и технологией горных работ на карьере 70
4.2. Технология отработки месторождений с крутыми углами бортов карьера 72
4.3. Вскрытие карьерных полей секторами при использовании дистанционного управления горным и транспортным оборудованием 78
4.4. Выводы 83
5. Применение технологии дистанционного управления на примере трубки «Юбилейная»
5.1. Горно-геологические условия кимберлитовой трубки «Юбилейная» 84
5.2. Увеличение угла откоса борта карьера на трубке «Юбилейная» 91
5.3. Технология открытых горных работ с использованием дистанционного управления горно-транспортной техникой на трубке «Юбилейная» 92
5.4. Выводы 97
Заключение 98
Приложение 101
- Обзор научно-исследовательской литературы и практики открытых горных работ в области дистанционного управления производственными процессами
- Робототехника для управления горно-транспортным оборудованием
- Технология отработки месторождений с крутыми углами бортов карьера
- Технология открытых горных работ с использованием дистанционного управления горно-транспортной техникой на трубке «Юбилейная»
Введение к работе
Актуальность работы: Разработка месторождения полезного ископаемого открытым способом осуществляется до тех пор, пока это экономически целесообразно.
С понижением фронта горных работ происходит увеличение себестоимости добычи полезного ископаемого.
Основными причинами увеличения себестоимости добычи являются: увеличение коэффициента вскрыши, увеличение эксплуатационных затрат, увеличение затрат на создание нормальных условий работы людей.
Увеличение коэффициента вскрыши с увеличением глубины карьера происходит на круто и наклонно залегающих месторождениях, из-за необходимости разноса бортов карьера для доступа к нижним горизонтам.
' Увеличение эксплуатационных затрат в основном обусловлено увеличением длины транспортирования горной массы.
Сложные условия, в которых приходится работать людям на глубоких горизонтах это - высокая запыленность воздуха, загазованность, влияние высоких и низких температур, ветра, радиации.
Затраты на обеспечение нормальных (комфортных) условий труда заключаются в применении и обслуживании климатических установок (кондиционеров, обогревателей), воздухо-очистных систем, специальных герметических кабин и т.п.
Снижение производительности карьера обусловлено увеличением длины транспортирования, необходимостью увеличения числа и времени проветривания воздушных масс в карьере.
Влияние на производительность карьера также оказывает квалификация рабочих. Выполнение рабочих операций на высоких скоростях, особенно в сложных условиях и к концу смены, сказывается на физических возможностях человека, поэтому разница в производительности экскаватора, управляемого разными машинистами, может достигать 40 %.
Уменьшение себестоимости добычи полезного ископаемого, исходя из перечисленных факторов возможно за счет следующих мероприятий: снижение коэффициента вскрыши, снижение эксплуатационных затрат, снижение затрат на создание нормальных условий для рабочих.
Снижение коэффициента вскрыши, возможно лишь увеличивая угол откоса борта карьера, однако, при этом человек оказывается в условиях возможного обрушения бортов.
Уменьшение эксплуатационных затрат возможно применением специальных систем контроля и анализа работы горно-транспортных машин.
ОЭ W0
Снижение затрат на создание нормальных условий для рабочих возможно выводом рабочих из опасных зон.
Общим решением данных задач будет применение дистанционного управления техникой и технологией открытых горных работ.
Основной задачей является оценка эффективности применения технологии открытых горных работ с использованием дистанционного управления горными и транспортными машинами в карьере.
Цель работы - определение области эффективного применения технологии на основе дистанционного управления автоматизированными и роботизированными комплексами производства горных работ на карьере.
Идея работы - использование автоматизированных,
компьютеризированных и роботизированных средств механизации горных работ на карьерах для создания технологии открытых горных работ с использованием дистанционного управления.
Научные положения защищаемые в работе:
-
Перспективными средствами безлюдной технологии горных работ являются комбайны и автоматизированные, комплексы с навигационными системами управления и компьютерным управлением.
-
Областью эффективного применения дистанционного управления производством открытых горных работ в настоящее время являются наклонные и крутопадающие месторождения с полускальными породами сложными горнотехническими условиями.
-
Применение технологии открытых горных работ с использованием дистанционного управления горными и транспортными машинами позволяет отрабатывать наклонные и крутопадающие месторождения с крутыми до 70-75 углами откосов бортов карьера.
Научная новизна работы. Научная новизна исследований заключается в том, что автором научно обоснована эффективность технологии открытых горных работ с использованием дистанционного управления горной и транспортной техникой, на основании которой разработаны и предложены для отработки наклонных и крутопадающих месторождений система разработки и способ вскрытия эксплуатационного пространства карьера с крутым откосом борта карьера.
Впервые получены следующие научные результаты;
-
Обоснованы критерии оценки комплектов оборудования для открытых горных работ с дистанционным управлением.
-
Определены области эффективного применения технологических потоков с цикличной и непрерывной-техникой при дистанционном управлении.
-
Обоснована эффективность отработки крутопадающих месторождении этапами по глубине с крутыми откосами бортов карьера при дистанционном управлении горной и транспортной техникой.
-
Предложен способ вскрытия эксплуатационного пространства карьера при отработке месторождения с крутыми откосами бортов карьера.
-
Определены направления и экономическая эффективность создания специальной техники для открытых горных работ на карьере с дистанционным управлением.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций диссертации подтверждены применением современных методов исследования: аналитического, графического и технико-экономического анализа, а также сопоставимостью и сходимостью данных математического моделирования с данными практики.
Научное значение работы заключается в определении области эффективного применения технологии открытых горных работ с дистанционным управлением горным и транспортным оборудованием в карьере.
Практическое значение работы заключается в разработке специальной технологии отработки крутопадающих месторождений с крутыми откосами бортов карьера на большую глубину и способов вскрытия, позволяющих обеспечить эффективную и безопасную отработку крутопадающих месторождений на большую глубину.
Реализациявыводов и рекомендаций: основные выводы и рекомендации использованы для оценки технологии отработки глубоких горизонтов на карьере АК «Алроса» трубоке «Юбилейная».
Объем работы: Диссертация состоит из 5 глав и заключения, изложенных на 139 страницах, содержит 19 рисунков, 32 таблицы, списка использованной литературы из 24 наименований
Для достижения указанной цели в работе решены следующие задачи:
-
Обзор научно-исследовательской литературы и практики открытых горных работ в области дистанционного управления производственными процессами на карьере.
-
Выбор путей создания технологии дистанционного управления существующими средствами и техникой ведения горных работ на карьере.
-
Оценка комплектов горно-транспортного оборудования в технологических потоках на карьере для дистанционного управления горными работами.
-
Формирование технологии открытых горных работ с применением дистанционного управления комплектами горного оборудования цикличного и поточного действия.
-
Экономическая эффективность применения технологии открытых горных работ с использованием дистанционного управления горной и транспортной техникой на кимберлитовом месторождении трубки Юбилейная АК «Алроса».
Публикации. По теме диссертации опубликовано три статьи.
Автор выражает благодарность кафедре РМРиРМ и научному руководителю
академику АГН, Лауреату государственной премии СССР, Заслуженному
деятелю науки и техники Российской Федерации, доктору технических
наук, профессору
Обзор научно-исследовательской литературы и практики открытых горных работ в области дистанционного управления производственными процессами
Дистанционное управление техникой, позволяющее избегать присутствия человека в сложных и опасных условиях используется в настоящее время во многих отраслях.
Наверное, самым наглядным примером является стыковка космических аппаратов или вывод спутников на орбиту, производимые дистанционно из диспетчерского пункта находящегося на Земле. Выполнение этих работ дистанционно позволяет избежать присутствия человека в условиях сопряженных с колоссальными нагрузками. При этом необходимо учесть тонкость этой работы, производимой на расстоянии между объектом и диспетчерским пунктом, измеряемом в десятках тысяч километров.
Применение системы «автопилот» позволяет управлять самолетом без присутствия человека. Необходимость этой системы обусловлена тем, что при длительном полете у пилота накапливается усталость, так как он находится в условиях нулевой видимости и получает всю информацию от приборов самолета и из диспетчерского пункта. Эта усталость может привести к трагедии. Система «автопилот» позволяет основному пилоту снимать напряжение, в то время как самолет управляется специальными системами, находящимися на борту и в диспетчерском пункте на земле.
При ведении военных операций при опасности взрыва для разминирования используются специальные роботы, управляемые дистанционно, при этом человек находится в безопасной зоне. Также аппараты с дистанционным управлением применяются при ведении работ в море на больших глубинах, где возникают условия, в которых не может находиться человек.
Кроме применения дистанционного управления в сложных и опасных условиях, дистанционное управление применяется в условиях, когда это экономически выгодно.
На железных дорогах Северной Америки дистанционное (с использованием радиосвязи) управление локомотивами нашло широкое распространение. Крупнейшие железные дороги Канады - Canadian National (CN) и Canadian Pacific (CPR) широко применяют дистанционное управление в основном на маневровых локомотивах, рассматривается вопрос о поездных [28].
На сети CN вся маневровая работа на сортировочных станциях с горками выполняется локомотивами с дистанционным управлением, на прочих станциях локомотивы с дистанционным управлением выполняют 70 % маневровой работы. Общая численность таких локомотивов на начало 1999 г. составляла 115ед., планировали в течение года оснастить соответствующим оборудованием еще 18 ед. Общая наработка локомотивов с дистанционным управлением превысила 1 млн. машино-часов. Уровень аварийности локомотивов, занятых на маневровых работах, за это время снизился на 48 %- с 0,71 до 0,37 случая на 1000 ч работы, причем ни один случай не отнесен на счет систем дистанционного управления. Экономию, получаемую благодаря применению таких систем, на дороге оценивают примерно в 20 млн. дол. США в год. Аналогичная картина наблюдается на сети CPR, которая намеревалась в 1999 г. увеличить число дистанционно управляемых локомотивов на 38 ед.
В целом можно сказать, что практически все отрасли производства уже тем или иным способом используют дистанционное управление техникой и технологиями. Применение таких систем приводит к экономическим выгодам, которые оцениваются в миллионах долларов США в годд.
%.3202 горной промышленности некоторые крупные компании делают попытки создания горно-транспортного оборудования с возможностью дистанционного управления.
Одним из примеров могут являться автосамосвалы компании Komatsu.
Большое внимание фирма уделяет исследовательским работам по совершенствованию технического уровня своих самосвалов за счет оснащения их современными средствами электроники и автоматики.
Одной из программ фирмы является создание полностью автоматизированной карьерной машины — самосвала 21-го века. В этом направлении фирма сделала важный шаг, создав с использованием последних достижений в области электроники автоматизированную систему контроля движения самосвала Komatsu Atonomous truck при перемещении его по карьерным дорогам, в том числе на уклонах до 12%. Система устанавливается на самосвалах Komatsu малого и среднего типоразмера (HD-785, HD-465 HD-325) грузоподъемностью от 32 до 80т [1].
При разработке системы особое значение придавалось обеспечению наибольшей безопасности и надежности на всех режимах работы. Все возможные нарушения движения самосвала при его встрече с различными объектами или препятствиями, отклонении от курса, следования предотвращаются системой благодаря автоматическому снижению скорости движения машины вплоть до полной остановки. Производственные испытания показали высокую эффективность новой системы, позволяющей снизить затраты труда и повысить безопасность на карьерах.
Система Komatsu Atonomous truck работает в трех операционных режимах: автоматическом (по автоматизированным программам), радио контроля и ручного управления. К функциям автоматического режима относится: программное управление движением самосвала, ускорение, торможение, контроль скорости движения, автоматическая разгрузка кузова.
Система в целом включает несколько автономных систем, ответственных за выполнение следующих функций:
Общая система наблюдения GMS (Global Monitoring System) — наблюдение за показаниями специальных датчиков-контроллеров для выполнения необходимых корректировок параметров движения самосвала, предотвращение несовместимых с работой самосвала команд.
Навигационная система NS (Navigation System) — удержание автосамосвала на запрограммированном курсе и сохранение дистанции в результате фиксации любого отклонения от курса и его устранения за счет снижения скорости движения машины вплоть до полной остановки.
Система обнаружения препятствий или защиты от столкновения ODS (Obstade Detection System) — выявление препятствий на дороге по курсу следования самосвала на расстоянии до 100 м и предотвращение столкновения за счет снижения скорости движения самосвала или его аварийной остановки. Система ODS включает три отдельных подсистемы защиты от столкновения, действующих в зависимости от величины удаления препятствия: датчик касания Touch Sensor позволяет производить защиту на малых расстояниях; предметы на расстоянии до 15 м обнаруживаются с помощью датчика высокой частоты Supersonic Sensor, а на расстоянии от 1,5 до 100 м — лазерного датчика Laser Radar.
Система наблюдения за автосамосвалом VMS (Vehicle Monitoring System) слежение за техническим состоянием самосвала и в случае обнаружения нарушений — снижение скорости его движения вплоть до полной остановки.
При необходимости аварийные остановки самосвала могут быть также произведены с погрузочной машины или по команде руководства карьера в режиме радио контроля, либо в случае помех и прерывании радиопередач. После остановки самосвал возвращается в автоматический режим управления нажатием кнопки Reset на пульте в кабине самосвала.
Наиболее сложный принцип действия имеет навигационная система. Она включает: антенну, оптико-волоконный гироскоп, пульсирующий лазерный датчик для корректировки направления движения, датчик вращения колеса. Для функционирования системы требуется оборудование трассы специальными столбиками-отражателями, устанавливаемыми вдоль трассы по паре через каждые 150 м.
Пройденное расстояние фиксируется с помощью датчиков вращения колеса. Оптико-волоконный гироскоп определяет точность движения машины по выбранному маршруту. Программирование маршрута производится автоматически во время прохождения по трассе порожнего самосвала в режиме ручного управления. Данные маршрута редактируются (корректируются) и хранятся в памяти (в памяти могут одновременно храниться данные по 10-ти маршрутам). Все отклонения от курса при прохождении груженого самосвала система контролирует. Контрольные размеры допуска по отклонению составляют 2 м при движении и 0,5 м при торможении. Отклонение от курса, которое может быть вызвано проскальзыванием шин, автоматически корректируется с помощью пульсирующего лазерного датчика, получающего отраженный лазерный сигнал от столбиков-отражателей. Практика показала, что половина случаев отклонения от курса вызвана проскальзыванием шин из-за сильных дождей, глубокого снега, а также взаимодействия лазерного радара с сильным снегопадом или густым туманом.
Робототехника для управления горно-транспортным оборудованием
Для работы человека в сложных горно-геологических условиях необходимы средства безопасности труда, свежий воздух, освещение, комфортная температура, спецодежда. Велики потери времени на доставку рабочих к месту работы, обучение и накопление опыта, простои горного оборудования из-за субъективных перерывов, выходных и праздников. Растут потери от снижения производительности труда, повышения травматизма и профзаболеваний.
В 70-х гг. была предложена концепция замены подземных рабочих роботами, ведущими работы в загазованных выработках.
В это же время было положено начало развитию робототехники для обслуживания прессов и станков в машиностроении. Роботизированные технологические комплексы объединяли в гибкие производственные системы, позволяющие быстро менять номенклатуру изделий. Вместе с тем, к 90-м гг. стали очевидны крупные просчеты в роботизации производства: использование роботов для механизации вспомогательных работ в традиционных технологиях вместо реорганизации производства на базе технологических роботов, низкие уровни надежности и адаптации робототехники, формальный анализ вариантов и факторов эффективности робототехнических систем, ограниченный информационный обмен. Это быстро привело к отставанию от зарубежного технологического уровня и сокращению выпуска роботов. Однако компьютерная интеграция производства на базе программируемых технологий, адаптивных роботов и систем искусственного интеллекта стала основным проявлением технологической революции в постиндустриальных странах мира.
Первый подземный робот для вождения поезда был применен в 1967 г. на шахте "Генерал Блюменталь" в Германии. В 1972 г. прошли испытания автомашиниста шахтного поезда на Таштагольском руднике ПО "Сибруда". Вождение поездов без машинистов более 20 лет применяют на крупнейших рудниках "Кируна" (Швеция) и "Хендерсон" (США). В 1980 г. на руднике "Виханти" (Финляндия) была испытана телеуправляемая погрузочно-транспортная машина ТОРО-350Д для выемки руды в камерах с опасностью обрушений. К 1985 г. появились первые бурильные машины с программируемым бурением шпуров [15].
Модель автономного шахтного манипулятора с дистанционным управлением впервые была разработана профессором М. Трингом (Великобритания, 1976 г.) для выемки тонких пластов угля. В 1980-1985 гг. во многих странах появились публикации о перспективности робототехники для горного дела. К 1990 г. прогнозировали широкое применение роботов на американских шахтах. Однако перенос принципов машиностроительной робототехники в шахтные условия оказался невозможен из-за специфики горного производства: перемещения рабочих мест, разнообразия операций в меняющейся среде, а также неподготовленности технологий и оборудования к роботизации, отсутствия научных основ шахтной робототехники.
В настоящее время применяют отдельные образцы шахтных роботов: самоходный бурильный манипулятор "Робофор" (Франция) для автоматического бурения шпуров по заданной программе, автоматический анкероуста-новщик "Роболт" (Финляндия), манипулятор для монтажа и демонтажа бурового става, встроенный в буровую установку "Сканска" (Швеция), самоходный манипулятор "Стабилэйтор" для набрыз-гбетонного крепления (Швеция), обручаемую систему управления механизированной крепью Тал-лик Добсон" (Великобритания), систему управления очистным комбайном с поверхности "Айкхоф" (Германия). Считают, что оснащение горных машин микроэлектроникой дешевле и эффективнее модернизации механических элементов [15].
Шахтный робот представляет собой мобильную горную машину с перепрограммируемой системой управления, обеспечивающей многофункциональное применение рабочего органа в технологическом процессе. В качестве рабочего органа вспомогательные роботы имеют захватное устройство для манипулирования предметами, а технологические - гидроударник, ковш, струйную насадку или бурильную головку для непосредственного выполнения технологических операций.
Роботизация горных работ (открытых и подземных) возможна в трех формах:
применение дистанционно управляемых манипуляторов для механизации вспомогательных операций;
создание технологических роботов на базе горных машин с адаптивным управлением;
использование информационных роботов при ликвидации аварий. Первая форма требует постоянного участия оператора в управлении роботом и ввода обратных связей по усилиям на рабочем органе и ото бражению рабочей зоны. Роботизацию сводят к имитации движений горнорабочих в приспособленных для человека технологиях добычи. Некоторые промежуточные операции, например, соединение элементов крепи, не могут быть выполнены манипулятором и роботизация теряет смысл. За рубежом интенсивнее развивают второе направление, позволяющее перейти к роботоориентированным технологиям добычи путем поэтапной микрокомпьютеризации отработанных конструкций горных машин. Опыт роботизации в машиностроении подтверждает, что нетрадиционные технологические решения, полностью использующие возможности робототехники, повышают производительность в 3 - 4 раза. С позиции выполнимости роботом элементарные операции технологического процесса могут быть разделены на три группы:
1. Легко роботизируемые - перемещение между двумя зафиксированными точками, движение по повторяющейся траектории, поддержание заданной величины, суммирование данных;
2. Сложно роботизируемые - наведение рабочего органа на точку с изменяющимся положением в пространстве, обнаружение объектов, переключение алгоритмов управления в зависимости от ситуации;
3. Нероботизируемые - распознавание образов и нестандартных ситуаций, поиск и сборка неориентированных предметов, устранение отказов.
До настоящего времени не решен вопрос экономической целесообразности применения роботов в горном деле.
Прямые источники эффективности роботизации оценивают просто. Эффективное время работы горных машин составляет: Э = 0,8 к п т t = 0,8 0,6 300 3 5 = 2160 ч, где к - коэффициент готовности; п - число рабочих дней в году; т -число смен в сутки; t - продолжительность смены с учетом субъективных простоев. Очевидно, потери от простоев растут по мере повышения стоимости и производительности оборудования. Применение роботов позволит увеличить время работы до 4032 ч за счет сокращения простоев по организационным причинам и из-за необходимости проветривания, работы во время праздников и отпусков, увеличения числа смен, сокращения субъективных простоев.
Стоимость часа работы горнорабочего растет быстрее стоимости часа работы робота. И зарубежном машиностроении час работы робота стоит 5 дол. и приносит 13 дол. прибыли при высвобождении 2-7 рабочих. Эффект получают благодаря экономии зарплаты высвобождаемых рабочих. При этом необходимо учитывать социальные факторы труда: потери от травматизма и профзаболеваний, текучести кадров, доставки к месту работы, раннего ухода на пенсию и другие, которые составляют 120-130% прямой зарплаты горнорабочего.
При применении роботов сокращаются расходы на проветривание, обеспыливание, организацию безопасных проходов, средства защиты, остановку оборудования при осмотре забоя при устранении опасностей. Рабочие скорости оборудования, ограничиваемые замедленной реакцией человека, могут быть увеличены в 1,6-1,7 раза (при роботизированном набрызгбетонировании расход бетонной смеси сокращается на 30%, а производительность повышается в 3 раза).
В горном деле эффективно применение мобильного робота для группового обслуживания рассредоточенного оборудования, например, переключения гидрораспределителей секций крепи роботом, движущимся за комбайном, вместо установки систем управления на каждой секции.
Технология отработки месторождений с крутыми углами бортов карьера
Изменить наклонное положение борта карьера можно за счет его конструктивных элементов: высота и угла откоса уступа, количества совмещенных уступов на предельном контуре, ширины предохранительной и транспортной берм, а также благодаря пространственному расположению этих берм.
Предельное значение угла откоса борта лимитируется устойчивостью пород и соображениями техники безопасности.
В настоящее время были предложены различные схемы отработки, позволяющие увеличить угол откоса борта карьера.
1. Схема со сверхвысокими уступами.
2. Метод «погружного колодца».
3. Способ открытой разработки месторождений Р.Б. Юна.
4. Вскрытие карьерного поля подземными горными выработками.
1. Разработка сверхвысоких уступов.
Увеличение высоты уступа ведет к увеличению угла откоса рабочего борта карьера. При этом необходимо учитывать, что с увеличением высоты уступа требуется некоторое уменьшение угла откоса и, следовательно, увеличение ширины рабочей площадки. Технологически увеличение высоты разрабатываемых горизонтов достигается взрыванием сверхвысоких уступов (рис. 11) с последующей слоевой разработкой развала механическими лопатами с экскавацией на уровне стояния или в комбинации с гидравлическим экскаваторами с нижним черпанием.
2. В конце 70-х годов в СССР был предложен способ открытой разработки крутопадающих ограниченных в плане месторождений по методу «погружного колодца» на основе технологии «стена в фунте» с углом откоса уступа 90 и крутыми откосами нерабочих бортов карьера, но технология осталась невостребованной из-за слабой проработки схемы вскрытия и не обеспечения безопасности работ.
3. В настоящее время д.т.н. Р.Б. Юном разработана новая технология формирования нерабочих бортов карьера уступов с вертикальными или близкими к ним откосами. В зависимости от схемы вскрытия месторождения предлагаются два принципиальных варианта технологии: для комбинированной (открыто-подземной) разработки крутопадающих месторождений с размещением транспортных коммуникаций в подземных горных выработках (стволе, автоуклоне) и для разработки пологопадающих месторождений с использованием грузовой трассы на пологом борту карьера. Последнее обстоятельство позволяет реализовывать способ в условиях действующих карьеров, имеющих трассу (в основном петлевую) на одном из своих бортов.
Технология предусматривает погоризонтную выработку месторождения уступами. Основной объем горной массы отрабатывается обычным способом с использованием традиционного горно-транспортного оборудования и технологических операций при нормальных углах откоса уступа до 75.
Вскрытие горизонтов производят в рудной зоне с развитием горных работ в плане к периметру карьера и транспортированием горной массы на поверхность по транспортным коммуникациям, расположенным на пологом борту карьера или в подземных выработках. Буровое и погрузочное оборудование перемещается на нижние горизонты по временным съездам, которые погашаются в отступающем порядке.
На каждом горизонте по мере приближения к границам карьера по периметру его борта оставляют предохранительную призму шириной, достаточной для обеспечения безопасной работы на весь период присутствия рабочего персонала на данном и нижележащем горизонтах. Одним из условий выбора ширины призмы является недопущение попадания в рабочее пространство карьера возможных обрушений и отслоений пород с откоса борта. Ширину этой призмы рекомендуется принимать не менее 20 м.
Выемку предохранительных призм осуществляют на заключительной стадии работ на горизонте с использованием самоходного выемочно-погрузочного оборудования с дистанционным управлением (например, системы радиоуправления Torotel-Catron фирмы Tamrock или системы телеуправления Control-Master фирмы Caterpillar). В перспективе для выемки призм возможно будет также применение «безлюдного» оборудования, управляемого оператором из центральной диспетчерской карьера по системе космической связи THnaGPS илиГЛОНАСС.
Формирование вертикальных углов откоса уступов на предельном контуре карьера производится в результате управляемого взрывания горизонтальных скважинных зарядов, размещаемых по расчетной схеме в теле предохранительной призмы. С этой целью массив призмы разбуривают с помощью буровой каретки горизонтальными скважинами, буримыми от груди забоя до границы проектного контура борта погашения карьера. После взрывания обуренного объема предохранительной призмы и выемки взорванной горной массы получают в пределах горизонта сформированную конечную поверхность откоса борта карьера с вертикальными или близким к нему углом. В случае расположения предохранительных призм на границе «руда-порода» осуществляют их селективную выемку. Для предотвращения обрушения приконтурного массива в период ведения горных работ в карьере в зоне предполагаемого сдвижения с использованием специальных мероприятий формируют упрочняющий пояс при помощи инъектирования пород смолами или цементирующим раствором.
Инъекцию пород упрочняющего пояса можно производить через наклонные скважины, пробуренные через тело предохранительной призмы, а также возможно использование для этого пробуренных с поверхности вертикальных или наклонных скважин. 4. Вскрытие карьерного поля подземными горными выработками.
Увеличение глубины открытых работ, рост затрат на транспортирование горной массы внутри карьера и совершенствование методов и средств проведения подземных горных выработок делают эффективным применение вскрытия карьерных полей подземными горными выработками (рис.12), где Ьэ - высота этапа, связанная с видом транспорта горной массы. Рис. 12. Вскрытие карьерного поля подземными горными выработками. В настоящее время при разработке нагорных месторождений карьерное поле вскрывается рудоспусками и штольнями, по которым руда доставляется из карьера.
Рудоспуски располагаются внутри карьерного поля в рабочей зоне таким образом, чтобы в течение их работы обеспечивались минимальные затраты на доставку по ним руды из забоев. Угол наклона рудоспуска выбирается из условий размещения устья рудоспуска в рабочей зоне карьера и перегрузочного узла в штольне, но не менее 45.
При разработке высокогорных месторождений с опасными склонами для отвалообразования пустых пород возможно использование рудоспусков и штолен для доставки пород вскрыши на уровень безопасного их отвалообразования.
При разработке месторождений с равнинной поверхностью для вскрытия рабочей зоны второго и последующих этапов разработок, когда размещение подъемника невозможно на борту карьера, применяют вскрытие наклонными стволами с выходом ствола в рабочую зону карьера на концентрированный горизонт второго этапа разработки. Наклонный ствол оборудуется одним или двумя конвейерными подъемниками для доставки руды и вскрыши.
Технология открытых горных работ с использованием дистанционного управления горно-транспортной техникой на трубке «Юбилейная»
Для увеличения угла откоса борта карьера необходимо использовать кольцевую систему разработки этапами с крутыми бортами карьера (рис. 18).
Месторождение по глубине отрабатывается этапами с направлением развития горных работ в них по периметру округлой залежи. Внутри этапа применяются схемы разработки уступов с ограниченной протяженностью рабочего борта, что обеспечивает значительную концентрацию работ.
Параметры этапа определяются принимаемой по условиям технологии и механизации шириной панели или заходки. Отработка производится уступами, высотой, которая соответствует параметрам выемочно-погрузочного оборудования. Рабочая зона на горизонте концентрируется в направлении развития фронта горных работ - по контуру карьерного поля.
Борта карьера в этапе формируются совмещением откосов уступов с оставлением транспортных берм, которые выполняют и функции берм периодической очистки.
В настоящее время трубка «Юбилейная» отработана на глубину 250 метров с углом откоса борта карьера 52 (BGHC) (рис. 19).
Отработки этого этапа потребовала выемки вскрыши в объеме -V = 23,2 млн м3.
Для отработки следующего этапа до глубины 500 м с углом борта карьера 52, потребуется выемка вскрыши в объеме - V = 104 млн м3.
Применение технологии открытых горных работ с использованием дистанционного управления горной и транспортной техникой позволит сократить объем вскрышных работ на этапе 250-500м за счет увеличения угла откоса борта карьера до 70, при этом объем вскрышных работ составит V 17,7 млн мЗ, что примерно в шесть раз меньше, чем при применении обычной технологии.
Расчеты приведены в приложении табл. №№ 21-32.
Из проведенного ранее исследования, очевидно, что для создания технологии открытых горных работ с использованием дистанционного управления наиболее подходит поточное и циклично-поточное оборудование.
Применение безвзрывной технологии открытых горных работ наиболее предпочтительна при разработке с увеличенными углами бортов карьера, так как буровзрывные работы приводят к увеличению трещиноватости пород и, следовательно, к уменьшению устойчивости борта карьера.
Для ведения вскрышных работ на трубке «Юбилейная» с использованием дистанционного управления нами предлагаются стреловые комбайны и ковшовые погрузчики с доставкой горной массы до перегрузочного пункта на автомобильный транспорт, который доставляет горную массу на поверхность по транспортным бермам, которые выполняют и функции берм периодической очистки.
К настоящему моменту на трубке «Юбилейная» были проведены испытания безвзрывной технологии на основе фрезерного комбайна на добычных работах. Проведенные испытания показали [16]:
- Областью эффективного применения разработки горных пород фрезерными комбайнами с горизонтальной фрезой являются горные породы с пределом прочности на сжатие от 15 до 80 МПа.
- Применение безвзрывной технологии разработки кимберлитов фрезерными комбайнами позволяет исключить потерю и разрушение кристаллов алмазов взрывной нагрузкой, исключить в технологическом процессе добычи кимберлитов - бурение, заряжание и экскавацию, стадию крупного дробления на обогатительной фабрике, обеспечить непрерывную выемку в рабочей зоне карьера и исключить влияние массовых взрывов на массив ботов карьера, что обеспечивает возможность их отстройки под более крутыми углами, а, следовательно, увеличения объемов выемки руды.
- Угол откоса уступа, формируемого при использовании фрезерного комбайна SM-2600, без специальных мероприятий, составляет 45. При максимальной глубине слоя фрезерования 25 см и шириной оставляемой ступеньки по конструктивным особенностям комбайна 10 см, может быть достигнут угол 68; при использовании комбайна с большой глубиной фрезерования этот угол может быть увеличен до 75.
- Экономический эффект от внедрения безвзрывной технологии разработки кимберлитов на карьере трубки «Юбилейная» в расчете на 1 млн. т. добычи составляет 320 тыс. долларов США.
Снижение объемов вскрышных работ при увеличении угла борта карьера позволит уменьшить капитальные затраты. При сохранении производительности по добыче, производительность по вскрыше существенно уменьшится, что позволит сократить количество вскрышного оборудования, транспортного и вспомагательного.
Для расчета эффективности применения технологии открытых горных работ с использованием дистанционного управления горнотранспортными машинами были использованы следующие данные:
Транспортирование руды и пород вскрыши осуществляется автосамосвалом БелАЗ 7512 грузоподъемностью 120 т (42 мЗ).
Рабочий парк автосамосвалов составляет 36 машин. Списочное количество равно 60. Коэффициент использования парка 0,6.
Коэффициент использования грузоподъемности 0,8.
При расчете количества ткм в год для обеспечения производительности карьера расчитываем необходимое количество рейсов по следующей формуле:
М=д/(Усам Ыход Киг),
Где Q - годовой объем перевозок; Усам - грузоподъемность автосамосвала;
Киг - коэффициент использования грузоподъмности автосамосвала;
Ыход = 104167 - по руде;
Ыход = 238096 - по вскрыше.
Себестоимость 1 ткм (по данным действующего предприятия) равна 1950 руб.
Погрузка пород вскрыши осуществляется одноковшовыми колесными погрузчиками САТ-998В (объем ковша 5,4-6,3 мЗ). Списочное количество - 9. Коэффициент использования парка погрузчиков равен 0,6. Рабочий парк - 5.
На вспомагательных работах 5 бульдозеров Т-500. Коэффициент списочного состава 0,6. Списочное количество — 9.
Максимальная годовая производительность карьера по вскрыше составляет 1,5 млн мЗ/год, по руде 10 млн т/год.
Так как на добычных и вскрышных работах не используется оборудование потребляющее электрическую энергию, источниками потребления являются водоотлив, освещение, обогрев зданий и сооружений, а также оборудование для ремонта.
Район разработок находится на Крайнем Севере и его удаление составляет более 30 км от железной дороги, поэтому расходы на транспортировку и сборку оборудования принимаем 100% от стоимости оборудования.
Предприятие действует 365 дней в году. Установлено две смены в сутки по 12 часов. Первая смена начинается с 8 часов и заканчивается в 20 часов. Ночная смена продолжается с 20 часов до 8 утра. В расчетах принимаем доплату за работу в ночное время в размере 8% (по 1% за каждый час с 22 до 6).
Машинисты экскаваторов, стреловых комбайнов, буровых установок, погрузчиков, бульдозеров имеют 6 разряд. Водители автосамосвалов и ремонтный персонал имеют 6 тарифный разряд. Начисления на заработную плату составляют 38,5%. Районный коэффициент с учетом надбавок равен 2,8. Премия за выполнение плана рабочим - 70%, руководителям, специалистам и служащим -50%. Дополнительная заработная плата составляет 19% от основной.
