Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса. Цель, задачи и методы исследования 10
1.1. Краткий анализ горно-геологических условий на разрезах Кузбасса 10
1.2. Структурно-прочностные свойства вскрышных пород угольных разрезов 13
1.3. Тенденции развития экскаваторного парка 16
1.4. Задачи и методы исследования 20
2. Обоснование рационального удельного расхода ВВ при использовании обратных гидравлических лопат 25
2.1. Методические принципы обоснования рационального удельного расхода ВВ при ведении вскрышных работ на разрезах 25
2.2. Анализ фактических данных об использовании обратных гидравлических лопат на вскрышных работах 28
2.2.1. Существующие условия производства буровзрывных работ 29
2.2.2. Производительность экскаваторов 35
2.2.3. Силовые характеристики обратных гидравлических лопат 43
2.3. Обоснование рационального удельного расхода ВВ 46
2.3.1. Расчет производительности с использованием коэффициента эффективности экскавации 46
2.3.2. Затраты на взрывную подготовку и экскавацию горной массы 50
2.3.3. Результаты оптимизации удельного расхода ВВ 56
Выводы по разделу 59
3. Обоснование диаметра взрывных скважин при подготовке вскрышных пород к экскавации обратными гидравлическими экскаваторами 61
3.1. Состояние вопроса 62
3.2. Влияние диаметра взрывных скважин на удельный расход ВВ 66
3.3. Производительность буровых станков 67
3.4. Затраты на буровые работы 70
3.5. Обоснование рационального диаметра взрывных скважин при использовании обратных гидравлических лопат 72
Выводы по разделу 74
4. Обоснование рациональной мощности слоя при ведении вскрышных работ 76
4.1. Состояние вопроса 76
4.2. Влияние основных параметров технологических схем на производительность экскаваторов 78
4.2.1. Продолжительность технологического цикла экскаватора и коэффициент экскавации 78
4.2.2. Объем забойного блока 88
4.2.3. Продолжительность отработки забойного блока 90
4.3. Эффективная производительность экскаватора 92
Выводы по разделу 98
4.4. Пример разработки технологической схемы вскрышных работ 99
5. Оценка технико-экономической эффективности 101
Заключение 104
Использованная литература 106
- Структурно-прочностные свойства вскрышных пород угольных разрезов
- Анализ фактических данных об использовании обратных гидравлических лопат на вскрышных работах
- Производительность буровых станков
- Влияние основных параметров технологических схем на производительность экскаваторов
Введение к работе
Актуальность работы. Парк выемочно-погрузочного оборудования на разрезах Кузбасса в настоящее время в значительной степени представлен экскаваторами типа обратной гидравлической лопаты (ЭГО). При отработке угле-насыщенных зон сложноструктурных угольных месторождений, в силу конструктивных особенностей рабочего оборудования, мобильности и автономности, обратные гидравлические экскаваторы способны выполнять как добычные, так и вскрышные работы более эффективно по сравнению с прямыми механическими лопатами.
На карьерах России при производстве вскрышных работ в настоящее время эксплуатируется более 110 экскаваторов с оборудованием обратной гид-равлической лопаты с вместимостью ковша более 5 м . Около 60 машин такого типа работают при открытой разработке угольных месторождений Кузбасса. В частности, на разрезах ОАО УК «Кузбассразрезуголь» количество вскрышных горнотранспортных комплексов на базе обратных гидравлических лопат зарубежного производства (Liebherr, Caterpillar, Terex, Hitachi) с геометрической
вместимостью ковша более 5 м на конец 2011 года составляло около 20 или 12 % от общего числа экскаваторов. За этот год ими было отгружено и вывезе-но более 100 млн. м горной массы. За ближайшие годы количество экскаваторов типа обратной гидравлической лопаты предполагается значительно увели-чить и довести годовой объем работ с их использованием до 120 - 130 млн. м горной массы. При этом средняя вместимость ковша составит более 14 м.
На начальном этапе внедрения на разрезах Кузбасса производительность этих машин на вскрышных работах была значительно меньше производительности, заявленной фирмами-изготовителями. Это объясняется не только отсутствием практического опыта эксплуатации обратных гидравлических лопат, но и отсутствием рекомендаций, на основе которых можно было бы обеспечить создание максимально благоприятных условий для реализации высоких потенциальных возможностей экскаваторов типа ЭГО. Поэтому оставаясь относительно новым видом выемочного оборудования, обратные гидравлические экскаваторы требуют дальнейшей адаптации в части обоснования рациональных технологических параметров их эксплуатации.
Обратные гидравлические экскаваторы являются выемочными машинами нижнего черпания, что предопределяет отработку развала взорванной породы несколькими слоями. Кроме того, как показал уже имеющийся опыт, они очень чувствительны к качеству взрывного дробления горной массы. Поэтому первичными технологическими направлениями повышения эффективности их эксплуатации являются обоснование параметров буровзрывных работ для обеспечения рациональной степени дробления горной массы и рациональных параметров забоя для максимальной реализации конструктивных особенностей экскаваторов.
Удельный расход взрывчатого вещества (ВВ) и диаметр взрывных скважин относятся к наиболее значимым управляемым технологическим факторам, которые влияют на качество дробления породы. Имеющиеся научно обосно-
ванные рекомендации этих параметров буровзрывных работ относятся только к прямым механическим лопатам отечественного производства и драглайнам.
Рациональная мощность горизонтального слоя при отработке развала взорванной горной массы экскаваторами типа ЭГО, как основа для проектирования технологических схем выемочно-погрузочных работ, также не исследована в достаточной мере, что в практических условиях приводит к необходимости ориентироваться на собственный индивидуальный и весьма разнообразный опыт разрезов.
Обоснование и практическое применение рациональных технологических параметров для обратных гидравлических лопат на разрезах, включающих в себя удельный расход взрывчатого вещества, диаметр взрывных скважин и мощность отрабатываемого слоя развала взорванной горной массы, позволят обеспечить более высокие технико-экономические показатели на разрезах Кузбасса по сравнению с прямыми механическими лопатами, что обусловливает актуальность вопроса.
Работа выполнена по планам научно-исследовательских работ Кузбасского государственного технического университета и ОАО «Кузбассразрез-уголь».
Целью работы является обоснование рациональных технологических параметров эксплуатации обратных гидравлических лопат при производстве вскрышных работ, обеспечивающих повышение их эффективности.
Объектом исследования являются технологические параметры производства вскрышных работ с использованием обратных гидравлических лопат на угольных разрезах.
Предметом исследования являются технико-экономические показатели буровых, взрывных и выемочно-погрузочных работ при использовании обратных гидравлических лопат на угольных разрезах при разработке вскрыши.
Идея работы заключается в установлении влияния технологических параметров эксплуатации обратных гидравлических лопат на технико-экономические показатели разработки вскрыши в условиях угольных разрезов.
Задачи исследования:
обосновать удельный расход ВВ при подготовке вскрышных пород к выемке, который обеспечивает рациональную степень дробления при использовании обратных гидравлических лопат;
обосновать рациональный диаметр взрывных скважин при подготовке вскрышных пород к экскавации с использованием обратных гидравлических лопат;
установить влияние параметров вскрышного забоя на производительность экскаватора и обосновать рациональную мощность слоя при разработке развала взорванной горной массы.
Методы исследования: анализ и обобщение литературных источников по методам и результатам исследования эффективности производства вскрышных работ на карьерах, анализ фактических показателей эксплуатации обратных гидравлических лопат на разрезах Кузбасса, статистическая обработка фактических показателей работы экскаваторов, математическое моделирование
технико-экономических показателей процессов буровых, взрывных и выемоч-но-погрузочных работ.
Научные положения.
обратные гидравлические экскаваторы требуют более высокого качества взрывного дробления вскрышных пород, которое предопределяет необходимость увеличения удельного расхода ВВ на 4 - 15 % по сравнению с базовыми моделями прямых механических лопат со сравнимой вместимостью ковша;
диапазон рациональных значений диаметра взрывных скважин при подготовке вскрышных пород к выемке обратными гидравлическими лопатами с геометрической вместимостью ковша от 5 до 22 м для мелко-, средне- и крупноблочных вскрышных пород составляет соответственно 170 - 240 мм, 170 -220 мм и 170-190 мм;
при слоевой отработке развала взорванной горной массы наибольшая производительность обратных гидравлических лопат достигается при мощности слоя равной 0,5 максимальной глубины черпания при нижней установке автосамосвала относительно экскаватора и 0,4 максимальной глубины черпания с установкой автосамосвала на уровне стояния экскаватора.
Научная новизна работы заключается:
в установлении закономерности изменения рационального качества взрывного дробления вскрышных пород от вместимости ковша экскаватора обратных гидравлических лопат и обосновании рационального удельного расхода ВВ при различных горнотехнологических условиях их эксплуатации;
в обосновании диапазона рациональных значений диаметра взрывных скважин при подготовке вскрышных пород различной блочности для обратных гидравлических лопат на разрезах;
в разработке расчетной модели производительности обратных гидравлических лопат в зависимости от мощности отрабатываемого слоя и уровня установки автосамосвала и обосновании мощности слоя, при которой достигается максимальная производительность экскаватора.
Личный вклад автора заключается в постановке целей и задач исследования; формулировании основной идеи достижения цели, организации сбора и обработке хронометражных наблюдений, разработке структуры модели расчета технико-экономических показателей процессов взрывной подготовки и экскавации горной массы, в обобщении результатов исследования, формулировании выводов и рекомендаций.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в работе, подтверждается:
корректной структурой совокупности расчетных формул для исследования процессов взрывной подготовки и экскавации горной массы с обоснованием адекватности всех элементов модели;
непротиворечивостью результатов и выводов и их сопоставимостью с ранее выполненными исследованиями;
положительными результатами опытно-промышленной проверки отдельных рекомендаций;
фактически имеющимся на разрезах Кузбасса опытом работы экскаваторов типа ЭГО при производстве вскрышных работ.
Практическая ценность работы состоит в том, что ее результаты позволяют:
проектировать производство массовых взрывов на разрезах, обеспечивающих рациональную степень дробления горной массы при использовании обратных гидравлических лопат;
обоснованно выбирать типоразмер буровых станков для работы в составе вскрышных горнотранспортных комплексов на базе обратных гидравлических лопат;
производить оценку технологических схем вскрышных работ с позиций производительности экскаватора, проектировать технологические схемы и паспорта забоев с параметрами, обеспечивающими максимальную производительность экскаваторно-автомобильного комплекса;
Отличие от результатов других авторов заключается в обосновании и внедрении комплекса рациональных технологических параметров эксплуатации обратных гидравлических лопат на разрезах, включающих параметры буровзрывных работ и параметры технологических схем вскрышных работ.
Апробация работы.
Результаты работы докладывались на X международной научно-практической конференции «Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности» (Кемерово. - 2008), на технических совещаниях ОАО УК «Кузбассразрезуголь» (2007 - 2009 гг.) и ООО «Куз-бассразрезуголь - Взрывпром» (2007 - 2008 гг.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, четыре из которых - в изданиях рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация включает введение пять глав, заключение и приложение, изложена на 119 страницах машинописного текста, содержит 27 таблиц, 31 рисунок и список литературы из 90 наименований.
Структурно-прочностные свойства вскрышных пород угольных разрезов
Все угольные месторождения бассейна, разрабатываемые разрезами представлены свитами пластов угля от пологого до крутого залегания и относятся, в соответствии с существующей классификацией, к сложноструктурным. Геологическая сложность обусловлена частым чередованием пластов угля и между-пластий породы в пределах как карьерного поля в целом, так и отдельных его участков - количество раздельно извлекаемых частей угля и породы на отдельных горизонтах достигает 75-90.
1 Для всех месторождений характерно наличие угленасыщенной зоны, в которой имеет место частое чередование пластов угля и породных междупластий, а также зоны «чистой» вскрыши (в бортах разрезов - на крутопадающих месторождениях, или расположенной выше кровли верхнего пласта свиты - на пологих и наклонных месторождениях). Доля угленасыщенной зоны в общем объеме горной массы достигает 70 % на месторождениях севера и юга бассейна и - 80-84 % на месторождениях западной части Центрального Кузбасса.
Разрезами компании разрабатывается от 3 до 19 пластов угля. Почти половина из них (49 %) имеют сложное строение. Кроме того, более 80 % пластов имеют мощность до 10 м, т.е. меньше требуемых значений ширины заходки и высоты уступа (для пологих месторождений), которые необходимы для производительной работы применяемых на разрезах экскаваторов. При этом пласты угля малой мощности (менее 5 м) имеются на всех месторождениях. Их долевое соотношение от общего числа пластов составляет 57,5 %. Пласты угля мощностью более 20 м (их доля составляет около 2 %) встречаются только на месторождениях Западной части Центрального Кузбасса. Состояние вопроса
Характеристика структур экскаваторных забоев и их долевое соотношение по наиболее представительным разрезам УК «Кузбассразрезуголь», работающим в северных, центральных и южных районах бассейна [28] представлена в табл. 1.1.
Из таблицы видно, что по разрезам севера и юга бассейна (разрезы «Кед-ровский» и «Осинниковский») почти в 90 случаях из 100 экскаваторы работают с торцевым забоем. На разрезах Центрального Кузбасса (разрезы «Бачатский» и «Краснобродский») эта величина много меньше, т.к. здесь доля траншейных забоев возрастает до 26-27 %. Объясняется это тем, что при углубочной системе разработки развитие горных работ в глубину (нарезка новых горизонтов) ведется по основным рабочим пластам угля Мощному и Горелому, которые из-за большого количества тектонических нарушений повторяются в границах карьерного поля 3-4 раза. При нарезке нового горизонта разрезные траншеи, как правило, проводятся по пласту угля с присечкой породы.
Если на разрезах севера и юга бассейна доля сложных забоев (без учета селективной выемки угольных пачек и прослойков породы из пластов сложного строения) от общего их количества составляет 25-35,5 %, то на разрезах центральной части Кузбасса она достигает 48,1-71,3 %. Причем для разрезов последней группы характерно наличие до 31 % сложных забоев с количеством раздельно извлекаемых структурных составляющих горной массы три и более.
Таким образом, в угленасыщенной зоне разрезов при раздельном способе отработки угля и породы экскаваторы осуществляют выемку и погрузку горной массы из смешанных (угольно-породных) блоков в забоях сложного строения.
Применение в этих условиях горно-транспортных комплексов с экскаваторами прямая механическая лопата ведет к изменению (в сторону уменьшения) основных параметров технологии, особенно высоты уступа до 4-5 метров, в то время как высота нарезаемых рабочих горизонтов на разрезах равна 10-16 м. Состояние вопроса
Уменьшение последних сказывается на увеличении количества проходов экскаватора и дополнительных объемах вспомогательных работ и, следовательно, негативно влияет на производительность прямых лопат и потери угля.
Для повышения эффективности выемочно-погрузочных работ при раздельной отработке угля и породы в забоях с изменяющимся составом горной массы необходимо, чтобы карьерные экскаваторы обладали расширенным диапазоном технологических возможностей и, в частности, большей гибкостью рабочего оборудования и маневренностью при установке относительно угольно-породного контакта.
Структурно-прочностные свойства горных пород являются основной группой природных факторов, в зависимости от которых выбирается технология производства и параметры взрывных работ. Для оценки эффективности технологических процессов при разработке месторождений полезных ископаемых широкое распространение получили классификации горных пород. В качестве клас -о сификационных признаков принимают свойства пород, определяющие параметры того или иного технологического процесса, а сами свойства пород в этом случае принято называть технологическими.
Обычно свойства пород характеризуются некоторым количественным показателем, по которому породы подразделяются на классы или категории. По категориям пород нормируются расход основных и вспомогательных материалов, работа технологического оборудования, дается количественная оценка принимаемым решениям, определяется область применения той или иной технологии. В целом такое деление пород упорядочивает технологические расчеты.
В настоящее время широко распространены классификации, имеющие региональное и ведомственное значения. Они используются в отраслевых норма Состояние вопроса тивных и руководящих технических документах. Ведется работа над созданием обобщенных (междуведомственных) классификаций горных пород.
На основе опыта ведения открытых горных работ, теоретических и экспериментальных исследований установлено, что эффективность производственных процессов в значительной степени определяется структурно-прочностными, упругими и акустическими характеристиками пород. На основе изучения закономерностей их изменения во взаимосвязи с геолого-генетическими признаками существует классификация вскрышных пород разрезов по блочности (табл. 1.2).
В соответствии с этой классификацией все породы угольных разрезов разделены на пять категорий. Каждая категория характеризуется как свойствами «в куске» (плотность, временное сопротивление сжатию), так и свойствами массива (диаметр средней естественной отдельности, содержание фракции +1000 мм, модуль упругости, акустическая жесткость). Классификация используется в отраслевых нормативно-методических документах при обосновании параметров и показателей технологических процессов и схем ведения горных работ.
В производственных условиях отнесение вскрышной породы к той или иной категории по блочности можно выполнить по одному из двух классификационных признаков - прочности породы на одноосное сжатие о сж (МПа) или диаметру средней по объему естественной отдельности de (м). Исторически сложилось так, что с этой целью используется также введенный проф. М. М. Протодьяконовым безразмерный показатель коэффициент крепости породы f (ед.), численное значение которого составляет
Анализ фактических данных об использовании обратных гидравлических лопат на вскрышных работах
Техническая производительность (Qj, м3/ч породы в целике). Определяется за 1 час непрерывной работы в конкретных условиях, которые проявляются через фактическую продолжительность цикла, эффективность наполнения ковша и степень разрыхления породы в нем.
Результаты сравнительной оценки технической производительности обратных гидравлических лопат (достигнутые показатели) и прямых мехлопат (расчетные показатели) приведены в табл. 2.5 и прил. 2.
Эффективная производительность Q, является фактической часовой производительностью выемочной машины при непрерывной ее работе в конкретных горно-технических условиях. Она учитывает изменение продолжительности основных и вспомогательных операций по сравнению с расчетными значениями из-за неоднородности экскавируемых пород, изменения параметров забоя и т.д.
По эффективной производительности определяется эксплуатационная производительность выемочных машин.
Эксплуатационная производительность Q3Kcn - это объем работы, которую реально может выполнить комплекс оборудования в целом и машина данной модели за единицу времени. Она рассчитывается с учетом необходимых затрат времени на технические, технологические и организационные работы и перерывы.
В зависимости от длительности рассматриваемого периода различают эксплуатационную часовую и среднечасовую, сменную и среднесменную, месячную и годовую производительность.
Эксплуатационная часовая производительность рассчитывается за час рабочего времени использования машины или комплекса оборудования на основной работе. Обоснование рационального удельного расхода ВВ Среднечасовая производительность определяется за больший период работы - обычно за смену.
Эксплуатационная сменная и среднесменная производительность используется при текущем планировании работы горных и транспортных машин и комплексов оборудования. Показатели месячной и годовой производительности используются для определения потребности предприятия в оборудовании при проектировании.
Экскаваторы с вместимостью ковша Е = 5,2 м3. При использовании экскаваторов данного типа с оборудованием обратная гидравлическая лопата для разработки взорванных пород II категории блочности (с преобладающей крепостью / = 5) достигнута техническая производительность QT = 283-348 м7ч (средняя 307 м7ч). Расчетная производительность прямых мехлопат в этих условиях составляет 305-320 м3/ч при средней 314 м3/ч.
Экскаваторы с вместимостью ковша Е = 6 м3. Анализ показал, что при использовании экскаваторов обратная гидравлическая лопата с Е = 6 м для разработки взорванных пород IV категории блочности (с преобладающей крепостью / = 9) достигнутая техническая производительность составила QT = 342-449 м3/ч (средняя 378 м3/ч). Расчетная производительность прямых мехлопат такой же мощности в подобных условиях составляет 325-380 м7ч при средней 346 м3/ч.
Следовательно, сравнительная оценка показала, что технические возможности обратных гидравлических лопат и прямых мехлопат с вместимостью ковша Е = 5,2 MJ и Е = 6 MJ вполне сопоставимы.
Экскаваторы с вместимостью ковша Е = 7,5 м3. При использовании гидравлических экскаваторов с рабочим оборудованием типа обратная лопата с вместимостью ковша Е = 7,5 MJ для разработки взорванных пород IV категории блочности (с преобладающей крепостью / = 9) достигнутая техническая производительность изменяется в диапазоне QT = 186-440 м7ч (средняя 301 м7ч). Расчетная производительность прямых мехлопат с Е = 7,5 MJ в этих условиях составляет 425-460 м7ч при средней 442 м7ч, что в 1,47 раза больше, чем для обратных гидравлических лопат. Обоснование рационального удельного расхода ВВ Экскаваторы с вместимостью ковша Е = 10,3 м . Гидравлическими обратными лопатами данного типоразмера при разработке взорванных пород II категории блочности (с преобладающей крепостью / = 5) достигнута техническая производительность QT = 483-513 м /ч (средняя 496 м3/ч). Расчетная производительность прямых мехлопат с Е = 10,3 м3 в этих условиях составляет 680-735 м7ч при средней 716 м3/ч, что в 1,44 раза больше, чем джля обратных гидравлических лопат.
Экскаваторы с вместимостью ковша Е = 11 м3. Гидравлические обратные лопаты этого типоразмера заняты на разработке взорванных пород IV и V категорий блочности. Достигнутая при этом техническая производительность составляет: при экскавации пород IV категории блочности - QT = 215-531 м3/ч (средняя 432 м3/ч), при экскавации пород V категории блочности - QT = 490-592 м3/ч (средняя 533 м3/ч). Расчетная производительность прямых мехлопат с Е = 11 м3 в этих условиях составляет: в породах IV категории блочности - 600 +- 700 м7ч при средней 668 м3/ч, в породах V категории блочности - 600 - -635 м3/ч при средней 612 м3/ч. Следовательно, анализ показал, что техническая производительность, достигнутая гидравлическими обратными лопатами с Е = 11 MJ при разработке взорванных пород IV-V категорий блочности ниже, чем расчетная для прямых мехлопат такой же мощности, в среднем в 1,35 раза (при полном размахе колебаний этого показателя 1,15-1,55).
Экскаваторы с вместимостью ковша Е = 13,8 м3. При разработке взорванных пород II категории блочности гидравлическими обратными лопатами с Е = 13,8 MJ достигнутая техническая производительность составила QT = 593-625 м3/ч (средняя 607 м7ч). Расчетная производительность прямых мехлопат с Е = 13,8 MJ в этих же условиях составляет 900-1050 м7ч при средней 963 м3/ч, что в 1,59 раза больше, чем для обратных гидравлических лопат.
Производительность буровых станков
Закономерности изменения удельного расхода ВВ (Рис. 3.4), производительности буровых станков (Рис. 3.6) в зависимости от диаметра скважин, а также соответствующие закономерности изменения стоимостных показателей буровых и взрывных работ позволили установить в свою очередь закономерность изменения совокупных затрат на буровзрывные работы.
По мере увеличения диаметра скважин практически пропорционально увеличивается удельный расход ВВ за счет необходимости обеспечения необходимого качества дробления горной массы и увеличения перебура скважин. При этом возрастает производительность бурового оборудования как по суммарной длине пробуренных скважин, так и по объему обуренной горной массы.
Таким образом, имеют место увеличение удельных затрат на взрывчатые материалы и уменьшение затрат на буровые работы. Это обусловливает существование некоторого диапазона диаметра скважин, в котором совокупные затраты на буровзрывные работы имеют наименьшие значения
Выемочно-погрузочные работы в части затрат на их производство можно не учитывать, поскольку при всех значениях диаметра взрывных скважин за счет удельного расхода ВВ обеспечивается одинаковые качество и степень дробления.
Закономерности изменения удельного расхода ВВ и производительности буровых станков в зависимости от диаметра скважин позволили установить в Обоснование диаметра взрывных скважин свою очередь закономерность изменения совокупных затрат на буровзрывные работы применительно к экскаваторам ЭГО.
Между прочностью и блочностью (или трещиноватостью) вскрышных пород угольных разрезов существует статистически обоснованная взаимосвязь -de = 0,02 (Тсж, где de - диметр средней по объему естественной отдельности, м. Поэтому закономерности изменения удельного расхода взрывчатого вещества и производительности буровых станков в зависимости от диаметра скважин позволили установить в свою очередь закономерность изменения затрат на буровзрывные работы в зависимости от категории пород по блочности для различных типоразмеров экскаваторов (рис. 3.8). Видно, что диапазон рациональных значений диаметра скважин при мелкоблочных породах более широкий, чем при крупно Обоснование диаметра взрывных скважин блочных породах. При этом границы диапазона не зависят от вместимости ковша рассматриваемых типоразмеров экскаваторов.
Научное положение - диапазон рациональных значений диаметра взрывных скважин при подготовке вскрышных пород к выемке обратными гидравлическими лопатами с геометрической вместимостью ковша от 5 до 22 м3 для мелко-, средне- и крупноблочных вскрышных пород составляет соответственно 170- 240 мм, 170- 220 мм и 170 -190 мм.
Выводы по разделу
1. Уменьшение диметра скважин дает возможность снизить удельный расход ВВ за счет более равномерного распределения ВВ в массиве и меньшей длины перебура скважин относительно подошвы уступа. Однако при этом имеет место снижение производительности бурового оборудования как по длине пробуренных скважин, так и по обуренному объему. С другой стороны увеличение диметра скважин связано с необходимостью практически пропорционального увеличения удельного расхода ВВ.
2. Разнонаправленное изменение затрат на буровые работы и взрывчатые материалы в зависимости от диаметра скважин является предпосылкой существования такого его значения, при котором имеет место минимальные совокупные затраты. Имеющиеся в настоящее время рекомендации по выбору диаметра взрывных скважин на угольных разрезах разработаны 30 - 40 лет назад и относятся к устаревшим типам шарошечных буровых станков и отечественных карьерных экскаваторов. В частности, для карьерных мехлопат с вместимостью ковша от 8 до 20 м3, применяемых при транспортной системе разработки вскрышных пород, рекомендуются диаметры бурения до 380 мм. Как показывает практика, автоматический перенос этих рекомендаций на новые типы оборудования приводит к существенному снижению эффективности вскрышных работ.
3. Между прочностью и блочностью (или трещиноватостью) вскрышных пород угольных разрезов существует статистически обоснованная взаимосвязь -de = 0,02 7СЖ, где de - диметр средней по объему естественной отдельности, м. Обоснование диаметра взрывных скважин Поэтому закономерности изменения удельного расхода взрывчатого вещества и производительности буровых станков в зависимости от диаметра скважин позволили установить в свою очередь закономерность изменения затрат на буровзрывные работы в зависимости от категории пород по блочности для различных типоразмеров экскаваторов.
4. Целесообразный диаметр взрывных скважин при подготовке вскрышных пород к выемке обратными гидравлическими лопатами с геометрической вместимостью ковша от 5 до 22 мЗ для мелко-, средне- и.крупноблочных вскрышных пород составляет соответственно 170 - 240 мм, 170 - 220 мм и 170-190 мм. 4. Обоснование рациональной мощности слоя при ведении вскрышных работ
Технологические схемы разработки экскаваторно-автомобильными комплексами применяют для ведения вскрышных и добычных работ во всей рабочей зоне карьеров или параллельно с другими технологическими схемами в наиболее благоприятных зонах. Дальность перемещения автомобильным транспортом, как правило, 1,5-3 км при разработке вскрышных пород и 2-5 км при транспортировании полезных ископаемых. Преимущества схем: возможность быстрого ввода производственных мощностей карьера, увеличения его производительности; высокая мобильность, что позволяет с наименьшими потерями отрабатывать сложные по структуре залежи полезных ископаемых месторождения. Скорость понижения горных работ при этом в 2-3 раза выше, чем при других видах транспорта и составляет 20-30 м/год (в отдельных случаях - 50 м/год). В технологических схемах разработки экскаваторно-автомобильными комплексами в настоящее время используются, как правило, прямые механические лопаты с погрузкой на уровне стояния экскаватора. Обратные гидравлические экскаваторы при производстве вскрышных работ в отечественной практике используются относительно недавно.
Основная часть публикаций, связанных с этим видом выемочных машин на карьерах, посвящена вопросам оценки и повышению их технико-экономической эффективности при добычных работах. При этом рассматривались экскаваторы с относительно небольшой, по сравнению с имеющимися в настоящее время, геометрической вместимостью ковша, не превышающей 4 м3.
Существующий производственный опыт заключается в том, что обратные гидравлические лопаты с геометрической вместимостью ковша от 5 до 21 м3 и глубиной черпания от 8 до 10 м отрабатывают взорванную породу несколькими слоями мощностью до 4 м при установке автосамосвалов ниже или на уровне установки экскаватора. Увеличение мощности слоя до размеров близких к максимальной глубине черпания экскаваторов приводит, по оценкам производственни Обоснование рациональной мощности слоя ков, к существенному снижению технической и эксплуатационной производительности.
При этом очевидно также, что уменьшение мощности слоя до малых значений также связано с потерей производительности, по крайне мере, за счет увеличения потерь времени на передвижки экскаватора и перегоны вдоль отрабатываемого блока. Кроме того, неоднократные передвижки экскаватора по взорванной породе приводят к уменьшению коэффициента разрыхления по отношению к первоначальному его значению, что также негативно сказывается на производительности. Таким образом, существует такая мощность слоя, при которой производительность является максимальной.
Наиболее полно, на наш взгляд, технологические аспекты обратных гидравлических лопат применительно к условиям разрезов Кузбасса с акцентом на добычные схемы представлены в работах П. И. Тамакова, А. С. Ненашева, Б. Н. Рыбакова [48, 79, 80]. Авторами установлены соотношения технических параметров обратных гидравлических лопат и технологических параметров. Так, при нижнем черпании и погрузке в транспортные сосуды на уровне стояния экскаватора высота уступа рекомендуется в пределах h = (0,8 -г 0,9)Нчтах, при нижнем черпании и нижней погрузке горной массы - h — (0,65 -г0,8)/7ч тах. Применительно к рассматриваемым типоразмерам экскаваторов мощность слоя должна составлять: при установке транспорта на уровне установки экскаватора от hCJl =6,5- 7,0 м (L-984C) до /гсл = 8,0- 9,0 (RH-200); при нижней установке транспорта - hCJl = 5,5 ч-6,5 м (L-984C) до hcn =6,5- 8,0 м (RH-200). Эти рекомендации вошли в перечень соответствующих типовых технологических схем ведения горных работ на угольных разрезах [78] и в учебную литературу [85].
Влияние основных параметров технологических схем на производительность экскаваторов
Обоснование рационального удельного расхода по своей сути является техническим решением. Любое техническое решение влечет за собой технические последствия (в данном случае повышение качества дробления и увеличение производительности экскаваторов) и экономические последствия (снижение совокупных затрат на взрывную подготовку и экскавацию).
В табл. 3.10 и 3.11 представлены значения технической производительности рассматриваемых экскаваторов и совокупных затрат на БВР и экскавацию горной массы при средних фактических и рациональных значениях удельного расхода ВВ. При этом относительный коэффициент был принят Пвв= 0,75, что соответствует преимущественному использованию гранулита УП-1 и эмульсолита.
При переходе на рациональные рекомендуемые удельные расходы ВВ при подготовке пород для экскаваторов Liebherr-984C, 994, 9350 и Terex RH-200 прогнозируется увеличение технической производительности на 15 - 30 % при снижении себестоимости затрат на БВР и экскавацию в среднем на 1,3 р./м"\
Напомним, что при моделировании технической производительности экскаваторов были использованы фактические данные, полученные с разрезов, о выполненных объемах и затраченном времени. Это значит, что приведенные в таблице значения технической производительности учитывают затраты времени на вспомогательные операции и неравномерность работы транспорта. Поэтому оценка суточной и месячной производительности экскаваторов сделана только исходя из коэффициента использования смены по продолжительности регламентированных перерывов (ки= 0,875) и количества дней работы в течение месяца (25 дней)
Сравнительные технико-экономические показатели обратных гидравлических лопат при фактических и рациональных значениях удельного расхода ВВ при подготовке вскрышных
1. Обратные гидравлические экскаваторы при разработке вскрышных пород угольных разрезов требуют более высокого качества .взрывной подготовки, которое в меньшей степени зависит от геометрической вместимости коша, и предопределяет необходимость увеличения удельного расхода ВВ на 4 - 15 %, по сравнению с базовыми моделями прямых механических лопат со сравнимой вместимостью ковша. Более высокие затраты на взрывную подготовку горной массы к выемке компенсируются снижением затрат на выемочно-погрузочные работы, обусловленное повышением технической производительности экскаваторов. 2. Разработанные ранее рекомендации по выбору диаметра взрывных скважин для экскаваторов типа прямой механической лопаты предусматривают целесообразность применения диаметров бурения до 320 - 380 мм. Эти рекомендации не могут быть автоматически перенесены на обратные гидравлические экскаваторы.
3. Увеличение диаметра скважин связано с увеличением зоны нерегулируемого дробления, увеличением величины перебура скважин относительно подошвы уступа, необходимостью увеличения удельного расхода ВВ и ухудшением проработки подошвы уступа.
4. Установлено, что целесообразный диаметр взрывных скважин при подготовке вскрышных пород к экскавации с применением обратных гидравлических лопат на разрезах, обеспечивающий минимальные затраты на буровзрывные работы при рациональном качестве дробления взорванной горной массы для мелко-, средне- и крупноблочных вскрышных пород составляет соответственно 170 - 240 мм, 170 - 220 мм и 170 - 190 мм.
Относительно меньшие значения рационального диаметра взрывных скважин по сравнению с рекомендуемыми для прямых механических лопат обусловлено необходимостью обеспечения более высокой степени дробления.
5. Максимальная глубина копания экскаваторами ЭГО, как правило, не превышает 10 - 11 м, поэтому развал взорванной горной массы, высота которого при транспортной системе разработки вскрышных пород достигает 16 м, отрабатывается несколькими слоями. Мощность отрабатываемого слоя предопределяет объем забойного блока, который отрабатывается с одного места стояния экскаватора.
5. Эксплуатационная производительность экскаваторно зависит от объема забойного блока, а также высоты и угла поворота ковша при погрузке горной массы. Максимальный объем забойного блока, обусловленный траекторией черпания экскаватора, предопределяет такую мощность отрабатываемого слоя, при которой достигается его максимальную производительность. Наибольшая производительность обратных гидравлических лопат с учетом передвижек по мере отработки забойного блока имеет место при мощности отрабатываемого слоя равной 0,5 глубины черпания при нижней установке автосамосвала и 0,4 глубины черпания при установке автосамосвала на уровне стояния экскаватора.
6. Положение максимума производительности относительно мощности отрабатываемого слоя не зависит от таких факторов как продолжительность простоя экскаватора в ожидании автосамосвала, грузоподъемности автосамосвала, преобладающего угла поворота экскаватора.
7. Выявленные закономерности изменения производительности экскава-торно-автомобильных комплексов и затрат на их эксплуатацию в различных горно-технических условиях, построенные на этой основе оптимизационные модели технико-экономических показателей позволяют решать задачи повышения эффективности производства вскрышных работ с использованием обратных гидравлических лопат при существующем парке оборудования, а также с учетом ближайшей перспективы его обновления.
8. Методологические принципы и количественные результаты исследования используются в настоящее время на разрезах ОАО «УК «Кузбассразрезуголь». при нормировании расхода взрывчатых веществ при подготовке пород к экскавации обратными гидравлическими экскаваторами, а также при проектировании технологических схем и составлении паспортов вскрышных забоев, о чем имеются соответствующие документы.
