Содержание к диссертации
Введение
Анализ современного состояния строительства и содержания карьерных автодорог
Технология строительства и содержания автодорог на современных карьерах
Современное состояние и направления использования автотранспорта на открытых горных работах
Состояние изученности вопросов строительства и содержания карьерных автодорог. Цель, задачи и методы исследования .
2. Методика оценки горнотехнических и дорожных условий эксплуатации карьерных автосамосвалов .
2.1. Основные положения методики. Критерии оценки
2.2. Приведение условий эксплуатации автосамосвалов к горизонтальному расстоянию транспортирования по энергетическому критерию
2.3. Определение горизонтальных эквивалентов вертикального перемещения горной массы по времени движения автосамосвалов
2.4. Показатели качества дорожного покрытия и их взаимосвязь
2.5. Практическая реализация методики
Исследование технологии строительства карьерных автодорог
3.1. Обоснование конструкций дорожных одежд для автосамосвалов большой грузоподъемности
3.2. Технология уплотнения дорожных одежд с использованием карьерных автосамосвалов
3.3.Строительство опытного участка автодороги на карьере ОАО «Ураласбест»
3.4. Экспериментальная оценка и апробация разработанной технологии строительства карьерных автодорог
4. Обоснование параметров дорожно-строительной техники для строительства и содержания карьерных автодорог
4.1. Параметрическая взаимосвязь карьерных автосамосвалов и дорожно-строительных машин
4.2. Исследование технических и стоимостных параметров дорожно-строительной техники
Рекомендуемые параметры дорожно-строительных машин для строительства и содержания карьерных автодорог
Выводы
Заключение
- Современное состояние и направления использования автотранспорта на открытых горных работах
- Приведение условий эксплуатации автосамосвалов к горизонтальному расстоянию транспортирования по энергетическому критерию
- Технология уплотнения дорожных одежд с использованием карьерных автосамосвалов
- Исследование технических и стоимостных параметров дорожно-строительной техники
Современное состояние и направления использования автотранспорта на открытых горных работах
В последнее десятилетие в мире в 2,5 раза выросли объемы добычи железной руды, в 1,2 раза угля и в 1,3 раза медной руды. Дополнительные мощности введены как на действующих предприятиях, так и на новых крупных карьерах в США, Австралии, Канаде, Китае, России и ряде других стран. На подавляющем большинстве новых предприятий применяется автомобильный транспорт, доля которого в общем объеме перевозки горной массы на карьерах мира сегодня составляет 80 %. В США, Канаде и Южной Америке автосамосвалы перевозят 85 %, в Южной Африке – более 90 %, а в Австралии – почти 100 % всей горной массы. В России и странах СНГ удельный вес карьерного автотранспорта с учетом всех подотраслей горнодобывающей промышленности приблизился к 75 % и в ближайшей перспективе будет увеличиваться.
Количество выпускаемых в мире карьерных автосамосвалов выросло за последнее десятилетие в 2,5 раза, а их суммарная грузоподъемность увеличилась в 3 раза (рис. 1.1). Средняя грузоподъемность автосамосвала увеличилась за этот период с 203 до 216 т. Карьерные автосамосвалы с жесткой рамой в классах грузоподъемности более 30 т сегодня выпускают 29 мировых производителей, создавших 69 различных моделей таких машин. Причем важной тенденцией является то, что в последние годы многие из фирм-производителей начали выпускать особо крупные машины, имеющие грузоподъемность 320-363 т. Это Caterpillar – САТ-797F (363 т) и МТ-6300 (363 т), Komatsu-960Е (326 т) и Liebherr-Т282 (363 т), БелАЗ-75600 (320 т), БелАЗ-75601 (360 т).
Аналогичные тенденции наблюдаются и в России, где в период с 2001 по 2012 гг. существенно выросли объемы добычи железной руды на 8 крупнейших горно-обогатительных комбинатах, обеспечивающих около 95 % общего объема ее добычи – Костомукшском, Ковдорском, Оленегорском, Лебединском, Стой-ленском, Михайловском, Качканарском и Коршуновском (рис. 1.2). Объемы выемки горной массы на железорудных карьерах за этот период увеличились с 478 до 700,3 млн. т в год. Соответственно росту объемов выемки горной массы и дальности ее транспортирования в 2,5 раза выросли годовые объемы работы автотранспорта (рис. 1.2).
Большими темпами в России увеличивались и объемы добычи угля открытым способом, которые выросли с 167 млн. т в 2000 г. до 248,9 млн. т в 2012 г. Увеличение объемов добычи сопровождалось ростом средневзвешенной глубины карьеров, которая за последние 12 лет на железорудных предприятиях выросла на 55 м (рис. 1.3). Увеличение глубины карьеров привело к существенному ухудшению условий работы автосамосвалов: увеличению дальности транспортирования горной массы, уменьшению ширины рабочих площадок, росту крепости пород, снижению производительности выемочно-погрузочного оборудования и т. п.
Динамика суммарной годовой добычи руды (D, млн. т) и средневзвешенной глубины карьеров (Н, м) на 8 железорудных ГОКах России
На большинстве железорудных карьеров России значительные объемы горной массы перевозятся комбинированным транспортом. При этом автосамосвалы используются на сборочных перевозках, доставляя горную массу до перегрузочных пунктов, находящихся в карьере. Условия эксплуатации сборочного автотранспорта в этом случае характеризуются сравнительно небольшими расстояниями перевозки горной массы (от 0,5 до 3,0 км). Автодороги на рабочих горизонтах и съездах, служащих для подъема горной массы до перегрузочных пунктов, временные. Удельный вес временных автодорог достигает 50–70 % от общего расстояния транспортирования. Ширина проезжей части автодорог в зависимости от грузоподъемности автосамосвалов изменяется от 9–11 до 19–22 м. Средневзвешенный продольный уклон автотрасс составляет 5–7 % при грузовом направлении движения на подъем, а руководящий уклон не превышает 7–8 %. Радиусы кривых 12–18 м. Интенсивность движения автосамосвалов на основных участках трасс, осуществляющих связь экскаваторных забоев с перегрузочными пунктами составляет до 200 автосамосвалов в час и более.
Магистральные перевозки автосамосвалами на многих железорудных карьерах представлены в основном перевозкой вскрышных пород с верхних и средних горизонтов во внешние отвалы. В последние годы доля магистральных перевозок увеличивается. Это приводит к тому, что возрастает в структурах автопарков доля более крупных моделей автосамосвалов, использование которых затруднительно в стесненных условиях нижних горизонтов глубоких карьеров, но экономически целесообразно на верхних горизонтах. Так в период с 2000 по 2012 год на железорудных карьерах России интенсивно внедрялись новые автосамосвалы БелАЗ-7513, имеющие грузоподъемность 130–136 т, и аналогичные импортные машины, а на Костомукшском ГОКе началась эксплуатация еще более крупных машин модели САТ-793D грузоподъемностью 220 т. Это привело к существенному росту средней грузоподъемности автосамосвалов.
Условия эксплуатации и технико-экономические показатели работы технологического автотранспорта на глубоких железорудных карьерах по состоянию на 01.01.2013 г. приведены в табл. 1.1, а также на рис. 1.4 и 1.5.
На угольных разрезах и карьерах, разрабатывающих месторождения руд цветных металлов и алмазов, магистральные перевозки автосамосвалами используются значительно шире, связывая забои экскаваторов с приемными пунктами на поверхности (внешними отвалами или угольными и рудными складами). Их доля достигает 100 %. При магистральных перевозках работа самосвалов характеризуется значительными высотами подъема (до 300–500 м) и расстояниями транспортирования (от 2,2 до 5,0 км и более). Средневзвешенные уклоны трасс составляют 3,5–5,5 %. Удельный вес постоянных автодорог в общей длине откатки при этом достигает 70–85 %.
Приведение условий эксплуатации автосамосвалов к горизонтальному расстоянию транспортирования по энергетическому критерию
Повышение эффективности работы карьерного автотранспорта неразрывно связано с учтом влияния сложности горнотехнических и дорожных условий эксплуатации, в частности, высоты подъма и глубины спуска горной массы, на результирующие показатели (производительность, расход дизельного топлива, себестоимость транспортирования и т. п.) [41, 44-46, 158]. При этом фактическую длину трассы принято приводить к условному горизонтальному расстоянию транспортирования. Такой подход получил развитие в исследованиях российских ученых горняков, а также применяется на ряде горнодобывающих предприятий для оценки влияния горнотехнических и дорожных условий на работу карьерного автотранспорта [35, 40, 54, 65, 84, 174].
Схема к определению горизонтальных эквивалентов вертикального перемещения горной массы и коэффициентов приведения при движении автосамосвалов на подъем где Lr - суммарная протяженность горизонтальных участков трассы, м; Lu, Lc -суммарная протяженность наклонных участков соответственно с уклоном /п при движении груженых автосамосвалов на подъем и с уклоном /с при движении на спуск, м. Тогда приведенное расстояние транспортирования (Lпр) определится из выражений где Нп, Нс – высота подъема (глубина спуска) горной массы, м; Эп, Эс – горизонтальные эквиваленты вертикального перемещения, показывающие какое расстояние транспортирования по горизонтальной карьерной автодороге эквивалентно подъему (спуску) горной массы по наклонному участку на высоту (глубину) 1 м, м/м; Эп,Эс – коэффициенты приведения, характеризующие приращение (сокращение) расстояния по горизонтальной дороге относительно фактического расстояния откатки при подъеме (спуске) горной массы на 1 м, м/м. В свою очередь
Вместе с тем, расхождения в значениях горизонтальных эквивалентов и коэффициентов приведения, рекомендуемых различными авторами в настоящее время, препятствуют широкому внедрению указанного методического подхода в практику и объясняются следующими причинами (табл. 2.1): использованием различных критериев при расчете горизонтальных эквивалентов и коэффициентов приведения (расхода дизельного топлива, времени движения автосамосвалов по трассе, себестоимости транспортирования и т. п.);
Единые нормы выработки …[54] 10-14 6,5-9,5 То же – несовершенством методик расчета, не в полной мере учитывающих реальные режимы движения автосамосвалов в карьерах, расход топлива на отдельных участках трасс и т. п.; – различием значений горизонтальных эквивалентов (Эп, Эс) и коэффициентов приведения (Эп, Эс).
При определении горизонтальных эквивалентов и коэффициентов приведения авторами использовался или экспериментально-статистический [40, 174] или аналитический [34, 65, 84] методы. Недостатком экспериментально-статистич-ского метода является необходимость проведения большого объма экспериментальных работ. При этом полученные значения эквивалентов имеют частный характер, т. к. определяются для конкретных горнотехнических и дорожных условий эксплуатаций автотранспорта [40]. При изменении параметров трасс и дорожных условий требуется постоянная корректировка значений эквивалентов. Аналитический метод характеризуется большой универсальностью, но в то же время меньшей точностью. Ряд элементов процесса движения автосамосвалов по внутрикарьерным трассам и расхода топлива плохо поддаются аналитической формализации, или эта формализация сложна для практического использования. По нашему мнению, это противоречие можно разрешить использованием комплексного экспериментально-аналитического метода, сочетающего достоинства и в значительной степени устраняющего недостатки перечисленных методов.
В качестве критериев при определении горизонтальных эквивалентов и коэффициентов приведения целесообразно использовать два физических критерия – расход топлива и время движения автосамосвалов. Использование указанных критериев имеет определнные преимущества перед денежной оценкой. В отличие от денежной оценка по предлагаемым физическим критериям является более стабильной и не подвержена инфляции. В этом случае наименьшее приведенное расстояние, определнное по расходу топлива, будет соответствовать трассе с минимальными энергетическими затратами на транспортирование горной массы, а наименьшее приведнное расстояние, определнное по времени движения, трассе с максимальной производительностью автотранспорта. Следует отметить, что приведнные расстояния, установленные по расходу топлива, будут отличаться от приведенных расстояний, установленных по времени движения автосамосвалов. Поэтому в ряде случаев могут возникнуть затруднения в оценке условий эксплуатации автомобильного транспорта и выборе оптимальных трасс. Расход топлива и производительность автосамосвалов можно считать частными критериями, используемыми для строго определнных целей, таких как нормирование и планирование производительности, расхода топлива, обоснования парка автосамосвалов и т. п. Для более глобальных целей, таких как обоснование режима горных работ, оценка транспортных систем карьеров и выбор оптимальных автомобильных трасс, следует применять комплексный физический критерий – действие. Действие – это физическая величина, представляющая собой произведение количества энергии, расходуемой на перемещение объекта, и времени его перемещения. В физике известен принцип наименьшего действия – интегральный вариационный принцип, согласно которому из всех возможных движений механической системы истинным является то, для которого некоторая величина, называемая действием, имеет за время перемещения системы экстремум, обычно минимум. Сторонниками и пропагандистами принципа наименьшего действия были великие физики Макс Бланк и Илья Пригожин [119,122].
К сожалению, до настоящего времени принцип наименьшего действия не получил должного распространения в технических исследованиях и, в частности, в горном деле. Основной причиной является то, что данный принцип был сформулирован для обратимых явлений в физике. В реальности мы имеем дело с необратимыми процессами. В последние годы была доказана применимость с опреде-лнными допущениями указанного принципа для решения прикладных задач механики и термодинамики [35]. Это свидетельствует о том, что принцип наименьшего действия можно использовать для оптимизации параметров транспортных систем карьеров, в частности, автомобильных трасс.
Действие является комплексным показателем, указывающим энергомкость и производительность транспортных систем. Можно записать где D - действие, гч; Р - расход энергии (дизельного топлива) автосамосвалами по трассе в грузовом и порожняковом направлениях, г; Т - суммарное время движения автосамосвала по трассе в грузовом и порожняковом направлениях, ч.
В нашем случае для экспресс-оценки автомобильных трасс в качестве действия правомерно использовать условный показатель (d), равный произведению приведнных расстояний транспортирования, определнных по расходу топлива (L рпр, км) и времени движения (производительности) автосамосвала
Технология уплотнения дорожных одежд с использованием карьерных автосамосвалов
Основываясь на результатах приведенных исследований, можно установить влияние ровности дорожного покрытия на величину горизонтальных эквивалентов вертикального перемещения горной массы по времени движения автосамосвалов. Для этого в формулы (2.44) и (2.48) вводим поправочные коэффициенты к\и, к с, к п, kTIC, k[Y, kfT, где kTIU – коэффициент увеличения времени движения груженого автосамосвала на подъем по уклону в зависимости от ровности дорожного покрытия; к с - коэффициент увеличения времени движения порожних автосамосвалов на спуск по уклону; к и- коэффициент увеличения времени движения порожних автосамосвалов на подъем по уклону; кт1С - коэффициент увеличения времени движения груженых автосамосвалов на спуск по уклону; к . - коэффициент увеличения времени движения груженых автосамосвалов по горизонтальной дороге; kjY - коэффициент увеличения времени движения порожних автосамосвалов по горизонтальной дороге. КоэффициентБ увеличения времени движения &т в зависимости от ровности дорожного покрытия определяются по формуле где v - скорость автосамосвала на участке с ровным покрытием, км/ч; Av - снижение скорости автосамосвала в зависимости от ровности дорожного покрытия, км/ч (см. табл. 2.9).
Скорости движения груженых (порожних) автосамосвалов при движении на подъем и по горизонтальной автодороге (v, км/ч) определяют по формуле
В соответствии с «Положением о техническом обслуживании, диагностировании и ремонте карьерных автосамосвалов БелАЗ» [120] нормативными значениями ровности дорожного покрытия следует считать Н = 8-И10 см/10 м. Фактические значения ровности дорожного покрытия карьерных автодорог изменяется от 5 до 20 см/10 м. При Я 28 см/10 м. происходит резкое снижение скоростей движения автосамосвалов, а также горизонтальных эквивалентов вертикального перемещения горной массы. Установленные закономерности рекомендуется ис 80 пользовать для оценки карьерных автодорог и совершенствования конструкций дорожного покрытия.
Разработанная методика имеет достаточно широкую область практического применения при планировании и нормировании производительности и расхода дизельного топлива карьерных автосамосвалов, обосновании парка машин, режима горных работ, выборе оптимальных трасс и т. п.
Кафедрой разработки месторождений открытым способом (РМОС) ФГБОУ ВПО «УГГУ» были разработаны дифференцированные нормы расхода дизельного топлива автосамосвалами грузоподъемностью 30–120 т для карьеров ОАО «Ура-ласбест» с использованием экспериментальных замеров приборами FMS [124]. Дифференциация норм производилась по расстоянию откатки (L, км) и высоте подъема (глубине спуска) горной массы (Нп, Нс). Произведено сравнение дифференцированных норм, фактических значений расхода за транспортный цикл и норм, рассчитанных с использованием коэффициентов приведения (табл. 2.12).
Установлено, что расхождения в значениях расхода топлива, рассчитанных с использованием коэффициентов приведения, с фактическими данными находится в пределах 0,6–4,9 %, что не превышает точности расчетов. Таким образом, использование коэффициентов приведения позволяет повысить точность расчетов и значительно упростить процесс нормирования расхода дизельного топлива, особенно в сложных условиях, когда трассы сочетают подъемы и спуски горной массы. В этом случае процесс нормирования заключается в установлении базовых закономерностей изменения расхода топлива от расстояния транспортирования по горизонтальной автодороге с соответствующим покрытием и коэффициента использования грузоподъемности, расчете значений горизонтальных эквивалентов (коэффициентов приведения) и приведенных расстояний транспортирования.
Значения горизонтальных эквивалентов и коэффициентов приведения, установленных по времени движения автосамосвалов, отличаются от значений, определенных по расходу дизельного топлива (см. табл. 2.5). Апробация методики расчета нормативов производительности автосамосвалов с использованием коэффициентов приведения по времени движения в условиях карьеров ОАО «Ура 82 ласбест» также показала высокую сходимость расчетных и фактических значений производительности ( 5 %) (рис. 2.14).
Кафедрой РМОС для условий карьеров ОАО «Ураласбест» был разработан программный комплекс «Грузопоток», оптимизирующий распределение горной массы по перегрузочным пунктам. В качестве критериев оптимизации использовался минимум расхода топлива и минимум грузооборота. Вместе с тем установлено, что использование в качестве критериев приведенных расстояний транспортирования значительно упрощает решение данной задачи и позволяет сократить транспортные расходы на 6–8 %.
Исследование технических и стоимостных параметров дорожно-строительной техники
Эффективность работ, связанных со строительством и содержанием автодорог, напрямую зависит от оборудования и эксплуатационных расходов, которые в свою очередь определяются массой машины и мощностью тяговых двигателей.
Именно эти параметры являются основными при классификации бульдозеров и грейдеров. Так, бульдозеры, в зависимости от тягового усилия базовых машин подразделяют на сверхлегкие – малогабаритные (мощность двигателя 18,5– 37,0 кВт), легкие (37–96 кВт), средние (103–154 кВт), тяжелые (220–405 кВт) и сверхтяжелые (510 кВт и более).
Обеспечить оперативное определение и прогнозирование мощности двигателя и эксплуатационной массы бульдозеров и грейдеров позволяет использование регрессионных зависимостей, связывающих указанные параметры с шириной рабочего оборудования – отвала.
С целью выявления количественных зависимостей между основными рабочими параметрами, были проанализированы технические характеристики бульдозеров и грейдеров, выпускаемых отечественными машиностроительными предприятиями («Промтрактор», «Брянский арсенал» и т. п.), а также ведущими зарубежными фирмами-производителями аналогичных машин («Катерпиллер», «Комацу» и т. п.).
Опыт строительства карьерных автодорог показывает, что при создании пионерных насыпей, строительстве земляного полотна, выравнивании, профилировании, рыхлении, в настоящее время, как правило, используются гусеничные бульдозеры с двигателем мощностью 350–500 кВт, а при устройстве основания применяются менее крупные машины (мощностью 150–300 кВт). В связи с этим в ходе исследований рассматривались бульдозеры с двигателем мощностью более 150 кВт и шириной отвала более 3,9 м. Всего анализировались параметры 23 моделей гусеничных бульдозеров.
Самоходные грейдеры разделяют на легкие массой 9 т, средние – 13 т и тяжелые – 19 т. Грейдеры, используемые для профилирования и планировки поверхности земляного полотна карьерных дорог, разравнивания и перемещения грунта, гравия
127 и щебня при их постройке и ремонте, для устройства кюветов, боковых канав и выемок, а также очистки дорог от снега, как правило, относятся к среднему и тяжелому классу. В связи с этим для получения зависимостей рассмотрены параметры 20 моделей грейдеров, имеющих вес более 13 т и ширину отвала более 3,6 м.
В результате обработки исходной информации были получены регрессионные зависимости, определяющие связь между шириной отвала бульдозера и грейдера (Во, мм), мощностью их двигателя (Nд, кВт) и эксплуатационной массой (М, т) (табл. 4.2).
Величины коэффициентов регрессии для полученных зависимостей составляют 0,93–0,98. Точность расчетов по приведенным зависимостям может быть проиллюстрирована сравнением фактических и расчетных значений параметров для моделей дорожно-строительного оборудования отечественных и зарубежных производителей (табл. П. 3.1–П. 3.6). Регрессионные зависимости весовых и мощностных параметров дорожностроительных машин от ширины отвала представлены на рис. П. 3.1 и П. 3.2. Для определения экономической эффективности работ, связанных со строительством и содержанием карьерных автодорог, необходимо определять и прогнозировать цены бульдозеров и грейдеров. С целью создания соответствующих зависимостей были проанализированы связи цены этих машин с шириной их отвала. Анализ показывает, что в различных фирмах-производителях и различных государствах существуют разные подходы к ценообразованию и единая зависимость для всех моделей бульдозеров или грейдеров характеризовалась бы большой погрешностью расчетов. В связи с этим были получены зависимости цены (Ц, млн. руб.) от ширины отвала бульдозеров (Во, м) и грейдеров отдельно для машин различных производителей (табл. 4.3).
Необходимо отметить, что зависимость цены дорожно-строительных машин от параметров их рабочего оборудования требует периодической корректировки. Это связано с изменением курсов национальных валют, инфляцией и изменением политики фирм-производителей в области ценообразования. Точность расчетов по приведенным зависимостям оцениваем сравнением фактических и расчетных цен дорожно-строительных машин различных производителей (табл. П. 3.7).
Регрессионные зависимости цен дорожно-строительных машин от ширины отвала приведены на рис. П. 3.3.
Установленные зависимости могут использоваться для оперативного определения цен бульдозеров и грейдеров, которые целесообразно применять при строительстве и содержании дорог на конкретном карьере. Они также могут использоваться при прогнозировании цен перспективных моделей бульдозеров и грейдеров, предназначенных для работы в комплексе с новыми крупными автосамосвалами.
Рекомендуемые параметры дорожно-строительных машин для строительства и содержания карьерных автодорог
Задача выбора рациональных моделей дорожно-строительных машин решается методом вариантов на основе экономико-математического моделирования. Критерием оценки являются удельные капитальные затраты и эксплуатационные расходы, отнесенные к 1 м3 выполненных дорожно-строительных работ.
В результате моделирования были установлены взаимосвязи между мощностью двигателей дорожно-строительных машин (Nд, кВт), обеспечивающих наибольшую эффективность, и объемами работ, выполняемых машинами данного вида (Q, тыс. м3) (табл. 4.4).
С использованием установленных зависимостей, а также зависимостей, приведенных в разделе 4.2, были построены номограммы для оперативного выбора рациональных моделей дорожно-строительных машин в конкретных горнотехнических условиях, оценки их технических и стоимостных параметров (рис. 4.2, 4.3).
Для детальной оценки дорожно-строительного оборудования на основе экономико-математического моделирования с использованием установленных зависимостей были разработаны компьютерные программы: «Выбор модели гусеничного бульдозера», «Выбор модели колесного бульдозера», «Выбор модели грейдера». В качестве примера на рис. 4.4 приведен интерфейс компьютерной программы «Выбор модели гусеничного бульдозера».
