РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ И ТЕХНОЛОГИИ БЕЗВЗРЫВНОЙ РАЗРАБОТКИ ГОРНЫХ ПОРОД НА КАРЬЕРАХ
реклама
3 ОБОРУДОВАНИЕ СТВОЛОВЫХ ПОДЪЕМОВ И ШАХТНОГО ТРАНСПОРТА горная техника‘12 РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ И ТЕХНОЛОГИИ БЕЗВЗРЫВНОЙ РАЗРАБОТКИ ГОРНЫХ ПОРОД НА КАРЬЕРАХ При анализе способов разрушения пород оценке подлежат не только экономические показатели и экологическая безопасность, но и селективность разработки; полнота и качество выемки полезного ископаемого; возможность работать на уклонах, отстраивать наклонные съезды, следуя гипсометрии пласта; гранулометрический состав горной массы (наличие не только крупных, негабаритных кусков породы, но и мелких частиц, часто относимых к потерям), в отдельных случаях форма осколков породы. Решение этих проблем в значительной степени могут обеспечить послойно-полосовые безвзрывные технологии отработки массивов горных пород с возможностью использования конвейерного транспорта и селективной выемки полезного ископаемого. П оследние десятилетия характеризуются активным поиском оптимальных конструктивно-компоновочных решений при создании различными машиностроительными фирмами экскавационной техники класса Continuous Surface Miner (CSM). В соответствии с этим создан целый класс машин нового типа для безвзрывной высокоселективной отработки полезного ископаемого и вскрышных пород. Технология производства открытых горных работ с использованием машин нового технического уровня в наибольшей мере удовлетворяет требованиям ресурсосбережения, Решетняк С. П., обеспечивает минимизацию экологической д. т. н., вед. научный сотрудник Горного иннагрузки, полноту извлечения и высокое ститута Кольского научного центра РАН качество минерального сырья. При проектировании машин CSM используется принцип отбойки горных пород «холодными» фрезами, заимствованный из металлообработки и получивший широкое применение в конструкциях подземных проходческих комбайнов. Рабочие органы машин осуществляют отбойку полезного ископаемого посредством резцов различных конструкций. Согласно расчётам применение машин CSM на карьерах позволит: •• улучшить потребительские качества полезного ископаемого за счёт регулирования гранулометрического состава отбиваАвраамова Н. С., к.т.н., инженер проектировщик ООО «СПб-Гипрошахт» емого материала; 2 •• резко уменьшить засорённость полез- ного ископаемого и, как следствие, снизить (в 1,5~2,5 раза) объёмы вторичных переделов; •• исключить комплекс буровых и взрывных работ; •• сохранить качество и природные характеристики минерального сырья; •• снизить затраты на транспортирование и добычу; •• обеспечить возможности извлечения попутных полезных ископаемых из вмещающих пород; •• повысить качество формирования стационарных бортов на предельном контуре. В зависимости от конструкции и способа работы машины CSM можно подразделить на следующие типы: шнеково-фрезерные машины; машины с роторными колесами, расположенными спереди или сзади машины; стреловые фрезерные комбайны; фронтальные роторные агрегаты. К машинам с роторными колесами относится комбайн фирмы Krupp КСМ, принцип работы которого основан на режущем роторе. Четыре роторных колеса расположены фронтально и разрабатывают породу прочностью 20 – 30 МПа, а в отдельных случаях до 70 МПа, высота разрабатываемого уступа — 3 м. Техническая характеристика комбайнов Krupp КСМ приведена в таблице 1. Таблица 1. Техническая характеристика машин КСМ Наименование параметров Техническая производительность, т / ч Диаметр роторного колеса, м Максимальная ширина заходки, м Число оборотов рабочего колеса, об. / мин Мощность привода ротора, кВт Ширина конвейерной ленты, м: поперечный конвейер главный конвейер Скорость движения ленты, м / с Рабочая масса, т Модификация машины КСМ-2000 КСМ-4000 1750 3500 3,55 3,66 5,6 7,16 10 9,5 360 720 1 1,4 3,5 190 1,4 1,8 3,8 380 Непосредственный процесс резки отрегулирован с учетом индивидуальных особенностей, режущий барабан в передней части машины обеспечивает простой доступ. Вместе с тем возможна быстрая замена режужих исполнительных органов. Компактный привод барабана позволяет осуществлять работу на наклонных плоскостях и повышает эффективную высоту резки на 60 % от диаметра барабана. Техническая характеристика фрезерных комбайнов компании MAN Takraf приведена в таблице 2. Сегодня наиболее динамично выступает на направлении внедрения комбайнов по- Таблица 2. Техническая характеристика фрезерных комбайнов компании MAN Takraf Модель Номинальная производительность, м3 / ч (в целике) Ширина срезаемого блока, м Мощность срезаемого блока, м Мощность привода, кВт MTS500 500 3,6 0,9 400‑570 MTS800 800 4,5 1,0 550‑900 MTS1250 1250 5,0 1,2 850‑1600 MTS2000 2000 6,5 1,4 1300‑2200 Комбайн Krupp КСМ Заметное развитие во всем мире приобретает идея эксплуатации на карьерах малогабаритных машин — горных комбайнов. Изготовлены специально для открытых горных работ или переделаны из проходческих комбайнов машины различных конструкций: с режущими дисками, колесами и цепями, одной или двумя вращающимися фрезами. Ряд моделей предназначен для разработки торцевого забоя. Рабочий орган таких машин устанавливается на штангах. Однако на открытых горных работах наибольшее распространение получили машины, забоем которых служит площадка уступа. Они имеют более низкие показатели по металло- и энергоёмкости. Рабочий орган этих комбайнов — фреза цилиндрической формы, на поверхности которой по винтовой линии размещены резцы. Такие комбайны способны разрабатывать природный массив слоями от 1 до 60 см с одновременным дроблением и погрузкой полезного ископаемого, это позволяет не только обеспечить поточность выемки, погрузки и дробления, но и улучшить качество добываемого полезного ископаемого за счёт снижения засорения. Компания MAN Takraf Fоrdertechnik предлагает целую серию фрезерных комбайнов Surface Miner. Машины предназначены для селективной добычи полезных ископаемых малой и средней крепости — бурых и каменных углей, слабых известняков, фосфоритов и т. д. В отличие от КСМ-2000Р у комбайнов MAN Takraf в качестве рабочего органа выступает фрезерный барабан, вра- ОБОРУДОВАНИЕ СТВОЛОВЫХ ПОДЪЕМОВ И ШАХТНОГО ТРАНСПОРТА горная техника‘12 3 Фрезерный комбайн компании MAN Takraf щающийся вниз (резцы внедряются в породу сверху вниз) по ходу движения машины. Такая схема позволяет избежать выламывания негабаритных плитняков перед исполнительным органом при разработке крепких пород слоистого строения, как это было при работе КСМ-2000Р. Комбайны производства ThyssenKrupp AG и MAN Takraf изначально создавались именно как горные машины «майнеры», приспособленные к специфическим условиям ведения горных работ. Их отличают значительная металлоемкость, высокая расчетная производительность, значительные мощность и ширина фрезеруемого породного блока. Фрезерные комбайны Takraf могут перерабатывать горную породу с пределом прочности на одноосное сжатие до 80 МПа, например, известняк, бокситы, бурый и каменный уголь, фосфориты и железную руду. слойного фрезерования немецкая компания Wirtgen Group. Специально для горной промышленности созданы модели 1900 SM, 2100 SM, 2600 SM, 3000 SM и последняя 4200 SM (цифры обозначают ширину барабана в мм). Четыре первые модели имеют два задних гусеничных тракта и один передний, модель 4200 SM — по паре гусеничных трактов спереди и сзади. На комбайнах Wirtgen крутящий момент от двигателя посредством ременной передачи передается на планетарный редуктор, встроенный непосредственно во фрезерный барабан. Между передними и задними гусеницами расположен горизонтально режущий орган, представляющий собой фрезу, армированную твердосплавными зубцами. Когда машина продвигается вперёд и отрабатывает слой на определённую глубину, дроблёное полезное ископаемое направляется по спирали барабана ре- 3 ОБОРУДОВАНИЕ СТВОЛОВЫХ ПОДЪЕМОВ И ШАХТНОГО ТРАНСПОРТА горная техника‘12 Таблица 3. Техническая характеристика комбайнов для открытых работ фирмы Wirtgen Тип 1900 SM 2600 SM 3000 SM 4200 SM Ширина заходки, мм 1900 2600 3000 4200 Глубина резания, мм 150 250 400 600 Мощность привода, кВт 298 559 559 1193 Рабочая масса, т Производительность, т / ч 27,4 170 45,0 390 60,0 720 145,0 1500 рами, ограничивающими по сравнению с традиционными методами рациональную разработку пород, являются: прочность пород (до 100 – 120 МПа, хотя известны случаи применения комбайнов при отработке отдельных слоев пород прочностью около 200 МПа). Использование машин послойного фрезерования даёт возможность внедрения оригинальных технологических схем селективной отработки. В настоящее время фрезерные машины фирмы Wirtgen используются для отработки угольных пластов, известняка, гипса, кимберлитов и других полезных ископаемых. Техническая характеристика фрезерных комбайнов фирмы Wirtgen приведена в таблице 3. Компания Vermeer, известная своей сельскохозяйственной техникой, предлагает линейку землеройно-фрезерных машин (Terrain Leveler), предназначенных только для фрезерования. Созданные на основе траншеекопателей Commander машины оборудуются фрезой, установленной на своеобразной «качалке». Машина фрезерует блок позади себя по ходу движения, при этом резцы внедряются в массив сверху вниз, скалывая куски породы. Глубину фрезерования устанавливают, регулируя угол наклона «качалки», однако она не может превышать диаметра фрезерного барабана [4]. Землеройно-фрезерные машины Vermeer находят при- Комбайн послойного фрезерования 4200 SM компании Wirtgen Group, создан специально для горной промышленности жущего органа на боковой конвейер, оттуда на погрузочный конвейер, расположенный в хвостовой части машины. Ходовая часть представляет собой четыре свободно качающиеся в вертикальной плоскости гусеничные тележки, привод — от гидромоторов с регулировкой частоты вращения. Тележки объединены рычажной системой с приводом от гидроцилиндров. Поворот комбайна осуществляется за счет поворота гусеничных тележек вокруг гидравлических стоек, на которые эти самые тележки навешиваются. Комбайн благодаря такой системе отличается высокой маневренностью. Транспортирование в пределах машины и погрузка в средства транспорта экскавируемой горной массы осуществляется ленточными конвейерами и совмещается во времени с процессом экскавации. По характеру работы машины этого типа относятся к машинам непрерывного действия. Отсутствие традиционных для роторных экскаваторов поворота верхнего строения и стрелы ротора позволяет существенно снизить влияние усилий копания на конструктивные элементы машины, уменьшить ее габариты и массу, расширить диапазон разрабатываемых горных пород по крепости [1, 3]. Разработка массивов горных пород с использованием комбайнов фирмы Wirtgen имеет ряд особенностей. При этом факто- 4 Таблица 4. Техническая характеристика землеройно-фрезерных машин Vermeer Terrain Leveler Модель Полная мощность, кВт Вес, кг Глубина траншеи, см Ширина траншеи, м Управление машиной Наклон Т855 Commander3 261 45813 0 – 81 2,5 ТЕС2000.2 Есть Т955 Commander3 309 56700 0 – 81 3,4 ТЕСPlus Нет Землеройно-фрезерная машина компании Vermeer Т1055 Commander3 309 61236 0 – 81 3,4 ТЕСPlus Нет Т1155 Commander3 402,7 85729 0 – 64 3,4 ТЕСPlus Есть Т1255 Commander3 447 114100 0 – 69 3,7 ТЕСPlus Есть горная техника‘12 Параметр Значение Расчётная производительность, т / ч 1633 Диаметр рабочего органа, мм 2230 Максимальная глубина резания, мм 610 Ширина рабочего органа, мм 4140 Число резцов 44 Габаритные размеры машины, м 4,9×16,5 Рабочая масса, т 108,84 Установленная мощность, кВт 895 Рабочая скорость, м / мин 60,96 Частота вращения рабочего органа, об. / мин 60 Ширина ленты конвейера, мм 1830 Скорость движения ленты конвейера, м 3,05 Карьерный комбайн Easy-Miner американской фирмы Huron Manufacturing менение на строительстве объектов, где необходима разработка крепких грунтов и невозможно проведение взрывных работ по тем или иным условиям. Преимущество конструктивной схемы машин Vermeer в том, что исполнительный орган находится на выносе и влияние ударных колебательных нагрузок на основные механизмы ослаблено, чего не скажешь о Wirtgen. Американской фирмой Huron Manufacturing разработан карьерный комбайн EasyMiner, компоновочная схема которого имеет принципиальное сходство с фрезерными комбайнами фирмы Wirtgen. Этот комбайн может работать в комплексе с конвейером или автотранспортом. В таблице 5 приведена техническая характеристика комбайна. Более чем двадцатилетний опыт производства и эксплуатации проходческих и добычных комбайнов для подземных работ фирмы VOEST-ALPINE, а также многочисленные эксперименты на испытательных стендах привели к созданию комбайнов непрерывного действия для открытых горных работ, предназначенных для разработки торцевого забоя со следующими характеристиками: комбайн обеспечивает отработку пород прочностью 20 – 80 МПа; выемка ведется уступами высотой 5 – 10 м в зависимости от технических параметров комбайна при ширине отрабатываемого бло- ка 6,5 – 16,7 м; производительность комбайнов составляет 870 – 2300 м3 / час в пересчете на антрацит в плотном теле; комбайн имеет модульную конструкцию режущего узла при максимальной типизации конструктивных компонентов различных типов машин; конструкция комбайна обеспечивает возможность фрезерования откосов усту- сылки образования крупнокускового материала за счёт скола пород у верхней поверхности забоя, но в то же время делает машину динамически менее устойчивой и, в частности, сложной в техническом обслуживании механизма, обеспечивающего колебательные движения элементов исполнительного органа. Таблица 6. Основные технические характеристики комбайнов VASM Модель Мощность установленных двигателей, кВт Часовая производительность, м3 / ч Диаметр режущего барабана, мм Ширина резания, м Максимальная высота резания, м Допустимый уклон в рабочем режиме, % VASM1D 400 100 – 400 870 4,75 4,0 20 пов карьеров на высоту вылета стрелы, т. е. до 10 м, а также ведение селективной выемки даже при разработке крутопадающих пластов; конструкция рабочего органа обеспечивает возможность адаптации режимов его работы к типу отрабатываемых пород за счет изменения скорости вращения и вибрации рабочего органа, а также скорости подвигания комбайна на забой. Основным отличием комбайнов VASM является расположение рабочего органа на специальной стреле, что позволяет вести отработку массива пород уступами. В процессе работы комбайнов VASM производится скалывание породы рабочим органом — режущим барабаном, закрепленным на поднимающейся и опускающейся с помощью гидроцилиндров стреле, при одновременном поступательном и вибрационном движении. Погрузочное устройство, находящееся на уровне подошвы забоя, принимает разрушенную горную массу и перепускает ее в центр комбайна. Расположенный посередине пластинчатый конвейер транспортирует материал на погрузочную стрелу, с которой порода передается на разгрузочный конвейер. В качестве ходового механизма используется двухгусеничная тележка. Привод хода — гидравлический. Рабочий орган состоит из двух или более (в зависимости от размера комбайна) одинаковых режущих узлов, каждый из которых содержит в себе двигатель, предохранительную муфту, привод и два отвальных сегмента, смонтированных на общем кронштейне. Узел привода установлен в режущем барабане. Специальное гидравлическое устройство обеспечивает смещение барабана в рабочей стреле, что обеспечивает возможность отбоя породы, находящейся между отдельными отвальными сегментами. Такое конструктивно-компоновочное решение позволяет отрабатывать слои высотой до 5 м, исключает предпо- VASM2D 750 150 – 900 870 5,0 5,0 20 VASM3D 1000 300 – 2000 1100 6,5 7,0 20 ОБОРУДОВАНИЕ СТВОЛОВЫХ ПОДЪЕМОВ И ШАХТНОГО ТРАНСПОРТА Таблица 5. Техническая характеристика комбайна Easy-Miner фирмы Huron Manufacturing Анализ литературных источников позволяет судить о том, что машины типа VASM с теоретической производительностью от 400 до 800 м 3 / час наиболее успешно применяются на открытых горных работах при отработке выдержанных угольных пластов, а также на карьерах стройиндустрии. Прочностные свойства массивов, отрабатываемых машинами типа VASM, характеризуются пределом прочности пород на сжатие до 35 МПа, при отработке же более крепких пород производительность снижается, а энергоемкость процесса растет, динамические показатели ухудшаются, коэффициент готовности машины падает, что приводит к частой замене породоразрушающего инструмента и трудоёмкому ремонту. Основные технические характеристики комбайнов VASM приведены в таблице 6. 3 Таблица 7. Основные технические характеристики комбайна КГФ-60 Характеристика режущего барабана Значение (фрезы) Ширина барабана, мм 685 Мощность привода, кВт 150 Площадь резания, м2 0,25 – 0,6 2 Удельная мощность на 1 м площади резания до 600 Частота вращений барабана, мин-1 35 – 4 4 Длина рукоятей, мм 4250 В России разработан комбайн послойного фрезерования КГФ-60, промышленные испытания проводились на Афанасьевском карьере. Отработка выемочных слоев КГФ-60 возможна в нескольких режимах: режим, предусматривающий использование горизонтальных выемочных слоев, отбиваемых фрезой комбайна от открытой поверх- 5 3 ОБОРУДОВАНИЕ СТВОЛОВЫХ ПОДЪЕМОВ И ШАХТНОГО ТРАНСПОРТА Таблица 8. Техническая характеристика оборудования Мощность Удельные показатели Производительность, Масса, т двигателей, т / ч Металлоёмкость Энергоёмкость кВт Роторный экскаватор Кrupp 1750 190 925 0,12 0,53 Комбайн Easy-Miner 1633 108 895 0,1 0,55 Комбайн Wirtgen 390 45 559 0,08 Н. д. Оборудование ности в контур массива; режим, предполагающий отбойку пород из контура массива к открытой поверхности; при третьем режиме разрушение массива осуществляется вертикальными выемочными слоями [2]. Комбайн КГФ-60 работает по двум основным технологическим схемам: схема, при которой предусматривается непосредственная погрузка отбиваемого материала в средства транспорта; схема, предполагающая укладку отбиваемого материала в штабель, с последующей его погрузкой либо самим комбайном, либо колесным погрузчиком. Технические характеристики приведены в таблице 7. При сравнении нескольких вариантов подготовки полезного ископаемого к выемке надо иметь в виду, что каждый способ имеет технологические особенности. Если рассматривать применение мехлопат с активными зубьями или роторных экскаваторов с высоким усилием черпания, то это не вносит изменения в технологию ведения горных работ. Исключение же взрывоподготовки накладывает ограничение на высоту уступа — не более высоты черпания, но позволяет уменьшить ширину рабочей площадки, а следовательно увеличить угол откоса рабочего борта карьера. Использование рыхлителей, гидромолотов, комбайнов предполагает выемку тонких слоев (от нескольких метров до нескольких сантиметров), что ведёт к увеличению ширины рабочей зоны и уменьшению угла откоса рабочего борта карьера. В настоящее время в горной промышленности существенно ограничены инвестиции, поэтому одной из важнейших задач является совершенствование техноло- горная техника‘12 гии, в которой используется оборудование с уменьшенными линейными размерами. Такое оборудование (табл. 8) имеет меньшие удельные металло- и энергоёмкость, а, следовательно, оно значительно дешевле. Таким образом, современные технологии разработки скальных пород на карьерах в основном базируются на приме- нении буровзрывных работ. Механические способы разрушения используются в ограниченном объёме, преимущественно при разработке осадочных пород. Различными компаниями предложено значительное количество машин, которые способны разрушать скальные породы. Многие из этих машин способны выполнять несколько технологических процессов. Наиболее надёжным и экономичным является комбайн, у которого рабочий орган жёстко прикреплен к корпусу. Список литературы 1. Бульбашев А. П., Супрун В. И., Билюкин А. Б., Гаврилов А. В. Интегрированные технологии отработки сложноструктурных залежей от‑ крытым способом. М., Горная промышлен‑ ность, № 1, 1998. 2. Дзюба В. М., Панкевич Ю. Б. Результаты испы‑ таний карьерного комбайна Wirtgen 2600 SM на магнезитовых месторождениях России. М., Горный журнал, № 6, 1995. 3. Панкевич Ю. Б., Пихлер М., Шевченко А. М. Без‑ взрывная разработка бокситовых руд на ка‑ рьерах Гвинеи. М., Горная промышленность, № 2, 2003. 4. Перелыгин В. Комбайны для открытых горных работ. М., Горная промышленность, № 4, 2007. 6
