Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по земле
На правах рукописи
ЛИТВИН Олег Иванович
ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРОИЗВОДСТВА ВСКРЫШНЫХ РАБОТ ОБРАТНЫМИ ГИДРАВЛИЧЕСКИМИ ЛОПАТАМИ НА РАЗРЕЗАХ КУЗБАССА
Специальность:
25.00.22 л Геотехнология (подземная, открытая и строительная)
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Кемерово 2012
Работа выполнена на кафедре открытых горных работ Федерального государственного бюджетного образовательного учреждении высшего профессионального образования Кузбасский государственный технический университет имени Т. Ф. Горбачева и в ООО Кузбассразрезуголь-Взрывпром.
Научный руководитель - Ковалев Владимир Анатольевич, доктор технических наук, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Кузбасский государственный технический университет имени Т. Ф. Горбачева.
Официальные оппоненты: Паначев Иван Андреевич, доктор технических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Кузбасский государственный технический университет имени Т. Ф. Горбачева, профессор;
Федотенко Сергей Михайлович, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, ООО КузбассПромРесурс, генеральный директор.
Ведущая организация - ОАО Кузбассгипрошахт
Защита состоится 13 декабря 2012 г. в 13-00 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.102.02 в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Кузбасский государственный технический университет имени Т. Ф. Горбачева по адресу: 650000, г. Кемерово, ул. Весенняя, 28.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования Кузбасский государственный технический университет имени Т. Ф. Горбачева Автореферат разослан 7 ноября 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Иванов В.В.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Парк выемочно-погрузочного оборудования на разрезах Кузбасса в настоящее время в значительной степени представлен экскаваторами типа обратной гидравлической лопаты (ЭГО). При отработке угленасыщенных 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 гидравлической лопаты с вместимостью ковша более 5 м3. 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 м3 на конец 2011 года составляло около 20 или 12 % от общего числа экскаваторов. За этот год ими было отгружено и вывезено более 100 млн. м3 горной массы. За ближайшие годы количество экскаваторов типа обратной гидравлической лопаты предполагается значительно увеличить и довести годовой объем работ с их использованием до 120 - 130 млн. мгорной массы. При этом средняя вместимость ковша составит более 14 м3.
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 обоснованные 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 Кузбассразрезуголь.
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 техникоэкономические показатели разработки вскрыши в условиях угольных разрезов.
Задачи исследования:
Ц обосновать удельный расход ВВ при подготовке вскрышных пород к выемке, который обеспечивает рациональную степень дробления при использовании обратных гидравлических лопат;
Ц обосновать рациональный диаметр взрывных скважин при подготовке вскрышных пород к экскавации с использованием обратных гидравлических лопат;
Ц 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 выемочно-погрузочных работ.
Научные положения.
Ц 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;
Ц 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, 1Ц 220 мм и 170 - 190 мм;
Ц 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:
Ц 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;
Ц в обосновании диапазона рациональных значений диаметра взрывных скважин при подготовке вскрышных пород различной блочности для обратных гидравлических лопат на разрезах;
Ц 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.
ичный 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:
Ц корректной структурой совокупности расчетных формул для исследования процессов взрывной подготовки и экскавации горной массы с обоснованием адекватности всех элементов модели;
Ц непротиворечивостью результатов и выводов и их сопоставимостью с ранее выполненными исследованиями;
Ц положительными результатами опытно-промышленной проверки отдельных рекомендаций;
Ц фактически имеющимся на разрезах Кузбасса опытом работы экскаваторов типа ЭГО при производстве вскрышных работ.
Практическая ценность работы состоит в том, что ее результаты позволяют:
Ц проектировать производство массовых взрывов на разрезах, обеспечивающих рациональную степень дробления горной массы при использовании обратных гидравлических лопат;
Ц обоснованно выбирать типоразмер буровых станков для работы в составе вскрышных горнотранспортных комплексов на базе обратных гидравлических лопат;
Ц 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 научнопрактической конференции Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности (Кемерово. - 2008), на технических совещаниях ОАО УК Кузбассразрезуголь (2007 - 2009 гг.) и ООО Кузбассразрезуголь - 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.
СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ В первой главе диссертации выполнен обзор и анализ научной литературы по вопросам обоснования параметров буровзрывных работ при транспортной технологии разработки вскрыши на разрезах, технологических схем выемочно-погрузочных работ с использованием обратных гидравлических лопат, а также имеющегося опыта эксплуатации этих экскаваторов на угольных разрезах Кузбасса.
Удельный расход ВВ оказывает определяющее влияние на качество подготовки пород к выемке и эффективность основных последующих технологических процессов - выемочно-погрузочных работ и транспортирования. Наиболее полно и всесторонне вопросы взрывной подготовки вскрышных пород угольных разрезов к выемке, включая обоснование рационального удельного расхода ВВ при использовании прямых мехлопат и драглайнов, представлены в работах профессоров А. В. Бирюкова, И. А. Паначева, Н. Я. Репина, Ташкинова А. С.
Отдельные аспекты процесса буровзрывных работ, с использованием методических принципов упомянутых авторов, исследовались непосредственно работниками разрезов, объединений и компаний Кузбасса (Гришин С. В., Кононов А. П., Федотенко С. М.) На базе этих исследований сложились устоявшиеся принципы обоснования параметров буровзрывных работ для экскаваторов цикличного действия типа ЭКГ и ЭШ, которые представлены в отраслевых документах, типовых технологических схемах ведения горных работ на угольных разрезах, а также в утвержденных в компаниях типовых проектах массовых взрывов. Наряду с этим для обратных гидравлических лопат, как относительно нового вида выемочных машин для производства вскрышных работ, научно обоснованные рекомендации по расчету рационального удельного расхода до сих пор отсутствовали. Известны работы Кольского научного центра РАН и ИГД им. А. А.
Скочинского по исследованию технических и технологических характеристик обратных гидравлических экскаваторов отечественного производства. Однако направленность этих исследований не связана с разработкой рекомендаций по обоснованию удельного расхода ВВ в различных горно-геологических условиях разрезов.
Диаметр взрывных скважин является вторым по значимости технологическим фактором после удельного расхода ВВ, влияющим на качество дробления горной массы. На разрезах Кузбасса появилась тенденция приобретения станков с относительно большим диаметром бурения (более 240 мм), основываясь исключительно на увеличении производительности бурового оборудования.
Имеющиеся в настоящее время рекомендации вышеназванных авторов охватывают широкий диапазон диаметров скважин (до 360 - 380 мм) как для слабых мелкоблочных, так и для крепких крупноблочных пород. Вместе с тем, увеличение диаметра взрывных скважин, как показал практический опыт, влечет за собой необходимость увеличения удельного расхода ВВ, повышенный выход негабарита, недостаточную проработку подошвы уступа. Особенно негативно это сказывается на эффективности применения обратных гидравлических лопат, которые весьма чувствительны к качеству взрывной подготовки горной массы.
Технологические аспекты применения обратных гидравлических лопат ранее исследовались Мельниковым Н. Н., Неволиным Д. Г., Скобелевым Л. С.
(Кольский научный центр РАН), Корякиным А. И., Ненашевым А. С., Рыбаковым Б. Н (Кузнецкий филиал НИИОГР) и другими авторами. Паспортная глубина копания экскаваторами ЭГО в редких случаях достигает 10 - 11 м, поэтому развал взорванной горной массы высотой до 16 м отрабатывается слоями.
Вопрос оптимизации мощности отрабатываемого слоя с точки зрения производительности экскаваторно-автомобильного комплекса при этом в явном виде не рассматривался, а непосредственно производительность рассчитывалась либо из самых общих теоретических соображений, либо на основе силовых и кинематических характеристик существующих и проектируемых отечественных моделей экскаваторов.
По результатам аналитического обзора в первой главе сформулирована цель и поставлены задачи диссертационного исследования В второй главе выполнено обоснование рационального удельного расхода взрывчатого вещества. Эта задача относится к оперативным технологическим решениям горного производства. Поэтому методологическим принципом оптимизации удельного расхода ВВ с использованием одноковшовых экскаваторов является минимум совокупных эксплуатационных затрат на разработку вскрышных пород. Кроме того, было принято, что транспортное звено экскаваторно-автомобильного комплекса имеет оптимальный количественный состав, что дает основание минимизировать только суммарные затраты на буровзрывную подготовку Cбвр(q) и экскавацию горной массы Cэ(q):
C(q) Cбвр(q) Cэ(q) min, (1) где q - удельный расход ВВ, кг/м3.
Решение этой задачи возможно при известной зависимости производительности экскаватора, а также затрат на буровзрывную подготовку и выемочно-погрузочные работы от удельного расхода ВВ.
Анализ производительности экскаваторно-автомобильных комплексов выполнен на основе фактических данных об объемах вскрышных работ и затраченном времени по всем разрезам УК Кузбассразрезуголь, где эксплуатируются обратные гидравлические экскаваторы. Общее количество рассмотренных проектов массовых взрывов, содержащих необходимую информацию об условиях ведения взрывных работ и условиях работы экскаваторов до внедрения разработанных нами рекомендаций, составил более 80 при общем объеме отгруженной горной массы более 11 млн. м3.
Сравнительный анализ показал, что на тот период времени достигнутая экскаваторами ЭГО техническая производительность была на 20 - 30 % меньше по сравнению с экскаваторами типа ЭКГ. Причины заключаются в соотношении удельных силовых характеристик этих типов машин. Удельное усилие на 1 м кромки ковша для обратных гидравлических лопат составляет 200 - 2кН/м, а для базовых моделей прямых механических лопат 340 - 500 кН/м. Кроме того, удельные усилия, приходящиеся на 1 т массы для обратных гидравлических лопат, имеющих более низкую металлоемкость, в 3 - 3,5 раза выше, чем у мехлопат. Низкая металлоемкость предопределяет неустойчивость обратных гидравлических лопат при разработке крупнокусковатой горной массы.
Следует добавить также, что приведенная часовая производительность (на 1 м3 вместимости ковша) обратных гидравлических лопат до внедрения разработанных рекомендаций составляла 45 - 60 м3/час, тогда как заявленная фирмами-изготовителями их производительность ожидалась в пределах 65 - м3/час. Как показал анализ рабочего цикла экскаваторов, для повышения производительности необходимо, в частности, более качественное взрывное дробление горной массы.
В настоящем разделе диссертации расчет эксплуатационной производи(экспл) тельности экскаватора (Qчас, м3/ч.) выполнялся с использованием фактических данных на базе паспортной производительности с учетом коэффициента эффективности экскавации, коэффициента влияния технологии выемки и коэффициента простоя экскаватора, связанного с неравномерностью движения автосамосвалов:
(экспл) Qчас (1 Пэ) kтв K0 Qпасп, (2) где Пэ - коэффициент простоя экскаватора, дол. ед; kтв - коэффициент влияния технологии, дол. ед; K0Ц коэффициент эффективности экскавации, зависящий от параметров БВР и крепости взрываемых пород.
Такой подход позволяет последовательно перейти от паспортной производительности к эксплуатационной производительности экскаватора через техническую производительность. Коэффициент технологии выемки принят по обобщенным рекомендациям В. В. Ржевского для одноковшовых экскаваторов (kтв = 0,85 - 0,9), коэффициент простоя - по результатам исследований П. И.
Томакова ( Пэ = 0,1 - 0,15). Структура коэффициента эффективности экскавации, характерная для любых типов одноковшовых экскаваторов при разработке вскрышных пород угольных разрезов по результатам исследований А. П. Кононова, А. С. Ташкинова равна:
b q a K0 1 exp Ec , (3) dскв f где q - удельный расход ВВ, кг/м3; dскв - диаметр скважин, мм; Е - геометрическая вместимость ковша экскаватора, м3; f - крепость пород по шкале проф. М. М. Протодьяконова; a, b, c - постоянные коэффициенты, характеризующие тип экскаватора.
Структура коэффициента эффективности экскавации обеспечивает качественную адекватность при расчете производительности в зависимости от удельного расхода ВВ, диаметра скважин вместимости ковша и крепости пород, а численные значения параметров a 840, b 2, c 0,5, определенные по фактическим данным о производительности, - количественное соответствие применительно к рассматриваемым типам обратных гидравлических лопат.
Отклонение фактических значений производительности от расчетных по серии проанализированных массовых взрывов не превышает 12 %.
Затраты на взрывную подготовку горной массы к выемке (cбвр, руб./м3) определялись по совокупности составляющих их элементов с учетом цены на применяемый тип ВВ, фактических нормативов расхода средств взрывания (СВ), расхода бурового инструмента и других влияющих факторов:
cбвр cбур cсв cвв cзз cдр, (4) где сбур, ссв, свв,сзз, cдр - удельные затраты соответственно на бурение, средства взрывания, ВВ, зарядку и забойку, вторичное дробление, руб./м3.
Масса экскаватора является наиболее значимым фактором, влияющим на затраты по его эксплуатации. На основе фактических данных по всему парку обратных гидравлических лопат УК Кузбассразрезуголь, а также нормативов по техническому обслуживанию установлена статистическая зависимость стоэ имости машино-часа экскаватора (Cм-ч, руб./ч.) от его массы:
э Cм-ч 15, 4 M 129,5; (R 0,97) (5) где M - масса экскаватора, т.
Определение рациональных значений удельного расхода ВВ выполнялось на основе совокупности полученных в рамках диссертационного исследования формул для расчета производительности и затрат с использованием критерия (1). По данной модели разработана компьютерная программа в среде MS Excel, с помощью которой выполнены многовариантные расчеты совокупных затрат на взрывную подготовку и выемочно-погрузочные работы в зависимости от удельного расхода ВВ. Фрагменты интерфейса программы и результатов выполненных расчетов показаны на рис. 1 и в табл. 1.
Табл. 1.
Рациональные значения удельного расхода ВВ при подготовке вскрышных пород для обратных гидравлических лопат dскв = 216 мм Экскаватор, геометрическая Прочность вместимость ковша экскаватора, мпород, Liebherr-984С Liebherr-994 RH-2МПа 5,2 11 20,0,48 0,46 0,0,68 0,64 0,0,87 0,82 0,Рис. 1. Фрагмент интерфейса программы 11,06 1,00 0,оптимизации удельного расхода ВВ 11,16 1,10 1,Сравнение существующих рекомендаций по величине удельного расхода ВВ для экскаваторов ЭКГ с полученными результатами расчета для экскаваторов типа ЭГО показало, что для обратных гидравлических лопат рациональный удельный расход должен быть выше на 4 - 15 %. При этом бльшая разница соответствует более крепким породам и бльшим значениям вместимости ковша экскаватора.
Рациональному удельному расходу ВВ соответствуют рациональное качество дробления (dср, м) - диаметр среднего по объему куска взорванной горной массы и рациональная степень дробления ( Z, дол. ед.) - отношение диаметра средней по объему естественной отдельности взрываемого массива к среднему по объему куска взорванной горной массы. Значения этих показателей качества дробления рассчитывались в соответствии с ранее установленными и статистически обоснованными формулами гранулометрии горных пород при взрывном разрушении (Бирюков А. В.).
На рис. 2 показаны характерные зависимости рациональных значений качества и степени дробления взорванной горной массы в зависимости от вместимости ковша экскаваторов ЭКГ и ЭГО. Видно, что для обратных гидравлических лопат средний размер куска взорванной горной массы должен быть меньше, а степень дробления горной массы больше, чем для экскаваторов ЭКГ.
При этом интенсивность изменения этих показателей по мере увеличения вместимости ковша меньше для экскаваторов ЭГО.
a) б) 0,9 dср, м Z, дол.ед.
ЭКГ 0,85 1,ЭГО 0,8 1,ЭКГ 0,75 1,ЭГО 0,1,0 5 10 15 20 0 5 10 15 E, мE,2м Рис. 2. Зависимость рациональных значений среднего куска взорванной горной массы (а) и степени дробления (б) от вместимости ковша для экскаваторов ЭКГ и ЭГО.
Полученный результат свидетельствует о том, что обратные гидравлические лопаты более чувствительны к качеству взрывной подготовки горной массы и, соответственно, требуют большего удельного расхода ВВ, чем прямые механические лопаты со сравнимой вместимостью ковша. На этом основании сформулировано первое научное положение - 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.
Опытно-промышленная проверка, подтвержденная соответствующими актами, показала, что при рациональных значениях удельного расхода ВВ эксплуатационная производительность экскаваторов ЭГО в расчете на 1 м3 вместимости ковша на 20 - 30 % выше, чем экскаваторов типа ЭКГ.
В третьей главе представлено исследование влияния диаметра взрывных скважин на технико-экономические показатели буровзрывных с использованием обратных гидравлических лопат.
Обратные гидравлические лопаты являются выемочным оборудованием, очень чувствительным к качеству дробления взорванной горной массы. Разработанные в предыдущем разделе рекомендации по выбору рациональных значений удельного расхода ВВ ранжированы по различным фактически существующим диаметрам скважин. Эти рекомендации не дают ответа на вопрос о том, какой диаметр скважин и, следовательно, типоразмер бурового станка наиболее целесообразен для рассматриваемых экскаваторов. Вместе с тем, значимость диаметра скважин, как одного из параметров буровзрывных работ, влияющих на качество дробления горной массы весьма велика.
Уменьшение диаметра 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 диаметра скважин связано с необходимостью практически пропорционального увеличения удельного расхода ВВ.
Разнонаправленное изменение затрат на буровые работы и взрывчатые материалы в зависимости от диаметра скважин является предпосылкой существования такого его значения, при котором имеют 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.
Для решения поставленной в данном разделе диссертации задачи были выполнены анализ и исследование нормативов сменной производительности и стоимости машиносмены (включая стоимость бурового инструмента) имеющихся на разрезах Кузбасса современных буровых станков (фирмы Atlas Copco, Ingersoll-Rand и др.) в зависимости от диаметра бурового инструмента при различных значениях прочности пород (рис. 3).
a) б.с. б) б.с.
Ссм, тыс. руб./смену Qсм, м/смену 600 400 20,15 0,19 0,23 0,0,15 0,19 0,23 0,27 0,dскв, м d0,31, м скв Рис. 3. Фактические данные и расчетные зависимости сменной производительности (а) и стоимости машиносмены (б) шарошечных буровых станков от диаметра бурового инструмента:
1 Цсж 50 МПа ; 2 - сж 90 МПа Между прочностью и блочностью (или трещиноватостью) вскрышных пород угольных разрезов существует статистически обоснованная взаимосвязь - de 0,02сж, 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. 4). Видно, что диапазон рациональных значений диаметра скважин при мелкоблочных породах более широкий, чем при крупноблочных породах. При этом границы диапазона не зависят от вместимости ковша рассматриваемых типоразмеров экскаваторов.
Рис. 4.. Зависимость удельных затрат (руб./м3) на бурение (сбур ), взрывчатые материалы (свм ) и буровзрывные работы (сбвр ) от диметра взрывных скважин Научное положение - диапазон рациональных значений диаметра взрывных скважин при подготовке вскрышных пород к выемке обратными гидравлическими лопатами с геометрической вместимостью ковша от до 22 м3 для мелко-, средне- и крупноблочных вскрышных пород составляет соответственно 170 - 240 мм, 170 - 220 мм и 170 - 190 мм.
В четвертой главе выполнено обоснование рациональной мощности слоя при разработке развала взорванной горной массы. Опыт производства вскрышных работ с использованием обратных гидравлических лопат с геометрической вместимостью ковша от 5 до 21 м3 и глубиной черпания от 8 до 10 м на разрезах Кузбасса заключается в том, что развал взорванной породы отрабатывается несколькими слоями. Мощность слоя при этом устанавливается весьма индивидуально по имеющемуся на том или ином разрезе опыту и составляет от 1,5 - 2,0 м до величины близкой к максимальной глубине черпания. Установка автосамосвала может предусматриваться ниже, на уровне или выше уровня установки экскаватора. Увеличение мощности слоя до размеров близких к максимальной глубине черпания экскаваторов приводит 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 времени на передвижки экскаватора и перегоны вдоль отрабатываемого блока. Таким образом, имеются предпосылки считать, что существует такая мощность слоя, при которой эффективная производительность экскаватора (часовая производительность с учетом продолжительности вспомогательных операций) является максимальной.
В данной части работы производительность экскаватора определялась при рациональном качестве дробления вскрышных пород, исходя из объема и времени отработки забойного блока, а также с учетом времени передвижки экскаватора, возможного времени ожидания автосамосвала заданной грузоподъемности и времени зачистки забоя:
Vз.бл. Vз.бл. (экспл) Qчас ; Tотр.бл Tож Tподг Tпер, (6) Tотр.бл nк kэ E tцт где nк - количество ковшей в автосамосвал, шт.; kэ - коэффициент экскавации; tтц - технологический цикл экскаватора, с.; Tож,Tподг,Tпер - продолжительность ожидания автосамосвала, подготовки забоя, передвижки экскаватора, мин.
Этот метод расчета производительности позволяет целенаправленно исследовать влияние мощности отрабатываемого слоя.
Зависимость продолжительности цикла экскаватора от влияющих факторов устанавливалась по результатам пооперационного хронометража около 2циклов в различных горнотехнических условиях работы экскаватора. Некоторые результаты моделирования технологического цикла и обработки хронометражных наблюдений представлены следующими расчетными формулами.
Продолжительность разгрузки (с.):
tразгр 2,6 E, (7) где E - геометрическая вместимость ковша, м3.
Продолжительность операции поворота-опускания ковша (с.):
0, пов (Rчу 2) 2 tопуск (c2 hсл hас 2)2 , (8) vопуск 360 где Rчу - радиус черпания на уровне установки, м; vопуск - линейная скорость ковша в процессе поворота и опускания (1,8 м/с.); пов - угол поворота экскаватора, град.; hсл - мощность слоя, м; c2 - признак уровня установки автосамосвала (c2 0 - при нижней установке, c2 1 - при установке выше уровня стояния экскаватора); hас - высота автосамосвала на уровне козырька, м.
Формула расчета продолжительности поворота-подъема ковша имеет аналогичный вид.
Продолжительность времени tнап (с.) наполнения ковша ( R 0,97):
hсл tнап 4,2 E0,45 1 2 0,25 . (9) Rчу Структура коэффициента экскавации в зависимости от влияющих факторов принята по аналогии с результатами ранее выполненных исследований для экскаваторов ЭКГ и ЭШ, что предопределяет качественную адекватность и общность подхода к его расчету по отношению к существующим методам. Количественное соответствие обеспечивалось данными о коэффициенте разрыхления в ковше экскаватора (Беляков, Репин и др.), максимально возможном коэффициенте наполнения ковша (стандарт SAE 1:1) и результатах визуальной оценки коэффициента наполнения при рациональной степени дробления (рис.5).
Объем забойного блока рассчитывался по его геометрическим характеристикам - мощности отрабатываемого слоя, фактической передвижки экскаватора, радиуса и траектории черпания ковша, угла откоса забоя в соответствии со схемой, представленной на рис. 7 - 8.
>0,25 0,5-0,75 0,75-1,0 1,0-1,25 >1,Интервалы коэф ициента наполнения ф Рис. 5. Распределение коэффициента наполнения ковша На основе исследования продолжительности экскаваторного цикла, коэффициента экскавации и расчета объема забойного блока составлена и реализована на ПК программа расчета производительности экскаватора в зависимости от мощности слоя и других влияющих факторов, включая высоту подъема ковша и угол поворота экскаватора.
Расчеты производительности экскаватора в зависимости от мощности слоя и с учетом вспомогательных операций выполнены во всем практически возможном диапазоне изменения таких факторов, как угол поворота экскаватора, высота автосамосвала, длина передвижки, продолжительность простоя эксд Количество наблю ений.
каватора в ожидании автосамосвала и др. Основной результат заключается в том, что существует мощность слоя, при которой имеет место максимальная производительности (рис. 6), что обусловлено существованием максимального (в зависимости от мощности слоя) объема забойного блока.
(экспл) 12Qчас, м3 / час Рис. 6. Зависимость производительности 9экскаваторно-автомобильного комплекса (экспл) ( ) от мощности слоя Qчас, м3 / час 6( ) при нижней установке hсл, м автосамосвала:
1. Liebherr-984C (5,2 м3);
32. Liebherr-994C (11 м3);
3. Terex RH-200 (21 м3) 0 2 4 hсл8 м, Это объясняется следующим. Во-первых, существует максимальный относительно мощности слоя объем забойного блока (заштрихованная область на рис. 7, представленная для случая максимально возможной величины передвижки), который предопределяет наименьшее количество передвижек по мере отработки слоя. Во-вторых, при соответствующей мощности слоя положения рукояти и стрелы экскаватора обеспечивают в соответствии с технической документацией наибольшие усилия при наборе ковша, что приводит к меньшему времени черпания и большему коэффициенту заполнения.
hуст hас hуст hсл hас aшаг amax нижн 15o 30o верх 60o 90o hсл Rчт aшаг amax Рис. 7. Схема к взаимосвязи высоты слоя с Рис. 8. Схемы к определению высоты подъема объемом забойного блока ковша и угла поворота экскаватора Некоторое отличие положения максимума при установке автосамосвала на уровне подошвы слоя и на уровне установке экскаватора связано с увеличением времени цикла за счет большей высоты подъема ковша В частности, для экскаваторов с типовыми размерами стрелы и рукояти при вместимости ковша от 5 м3 (Liebherr-984C) до 21 м3 (Terex RH-200) мощность слоя представлена в табл. 2.
Таблица Рациональная мощность слоя Место установки а/с Liebherr-984C Liebherr-994 Terex RH-2от 3,0 4,0 4,Нижняя установка а/с:
до 3,5 4,5 5,от 2,0 3,0 3,Верхняя установка а/с:
до 2,5 3,5 4,Обобщая полученный результат, можно сделать вывод, что 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.
Пятая глава диссертации посвящена опытно-промышленной проверке разработанных в диссертации рекомендаций и оценке их экономической эффективности.
В соответствии с приказом по УК Кузбассразрезуголь в 2008 г. выполнялась опытно-промышленная проверка рациональных значений удельного расхода ВВ при производстве вскрышных работ обратными гидравлическими экскаваторами. При переходе на рекомендуемые удельные расходы ВВ при подготовке пород для экскаваторов Liebherr-984С, 994, 9350 и Terex RH-2имеет место увеличение фактической сменной производительности в среднем на 22 - 26 % при расчетном снижении затрат на взрывную подготовку и выемочно-погрузочные работы в среднем на 1,3 руб./м3. Данные о результатах некоторых опытно-промышленных взрывов представлены в табл. 3 (Разрез Кедровский, крупноблочные породы, диаметр скважин 216 мм.).
Таблица 3.
Сравнительная оценка суточной производительности обратных гидравлических лопат по результатам опытноЦпромышленных взрывов Удель- Суточная производительность, м3/сут.
Объем Дата Экска- ный расранее досблока, в период от- привзрыва ватор ход ВВ, тигнутая за тыс. мработки блока рост, % кг/м6 мес.
08.12.07 №61 0,944 112 14960 12035 10.12.07 №99 1,031 64 13420 9986 14.12.07 №61 0,937 65 14035 12035 11.01.08 №99 0,950 140 13840 9986 20.01.08 №61 1,070 250 13938 12035 Производительность 1 м3 ковша обратных гидравлических лопат увеличилась до средних значений, заявленных фирмами производителями (около м3/час.), и превысила соответствующую производительность экскаваторов типа ЭКГ.
Горно-геологические условия угольных разрезов Кузбасса обусловливают большое разнообразие возможных вариантов организации выемочных работ.
Разработанные расчетные формулы продолжительности отдельных операций рабочего цикла обратных гидравлических лопат позволяют выполнить укрупненную оценку эксплуатационной производительности экскаватора по коэффициенту снижения производительности при различных сочетаниях уровней черпания горной массы - нижнее черпание или черпание на уровне стояния экскаватора, и уровней установки автосамосвала - на уровне подошвы отрабатываемого слоя, на уровне стояния экскаватора, выше уровня стояния экскаватора (табл. 4).
Таблица 4.
Коэффициенты снижения производительности при различных сочетаниях признаков уровня черпания и уровня установки автосамосвала Признак уровня установки Признак автосамосвала уровня черпания a b c A 1,00 0,77 0,B 0,62 0,55 0,Такая оценка производительности экскаваторно-автомобильного комплекса используется при оперативном планировании производительности непосредственно на разрезах, а также может быть использована при проектировании соответствующих технологических схем выемочных работ.
Заключение Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой на основе установленных закономерностей изменения рационального качества взрывного дробления вскрышных пород от вместимости ковша экскаватора обратных гидравлических лопат, обоснования диапазона рациональных значений диаметра взрывных скважин и разработанной модели расчета производительности обратных гидравлических лопат в зависимости от мощности отрабатываемого слоя и уровня установки автосамосвала даны рациональные технологические параметры производства вскрышных работ обратными гидравлическими лопатами на разрезах, что имеет существенное значение для угледобывающих предприятий отрасли с открытым способом разработки месторождений.
Основные научные и практические результаты, выводы и рекомендации заключаются в следующем.
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 экскаваторов 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,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 экскаваторно-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.
Основное содержание работы
опубликовано в следующих статьях.
Издания рекомендованные ВАК:
1. Ковалев, В. А. Рациональный диаметр скважин при подготовке вскрышных пород при использовании обратных гидравлических лопат / Ковалев В. А., Литвин О. И. // Вестн. КузГТУ. - 2012. № 5. С. 15 - 18.
2. Литвин, О. И. Обновление экскаваторного парка - решение главной задачи по созданию крупной компании мирового уровня / Литвин О. И., Романов А. А. // Уголь. - 2008. № 9, с. 3 - 6.
3. Литвин, О. И. Техническое перевооружение экскаваторного парка в компании Кузбассразрезуголь // Горный журнал. - 2008. № 5.
4. Литвин, О. И. Сравнительная оценка производительности обратных гидравлических лопат в различных горнотехнических условиях / Литвин О. И., Сысоев А. А. // Уголь. - 2008. № 10, с. 8-9.
Другие издания:
5. Литвин, О.И. Результаты обработки хронометражных наблюдений технологического цикла обратных гидравлических лопат / Литвин О.И., Никифорова А.С. // Вестн. КузГТУ. Кемерово. - 2008. № 3.
6. Сысоев, А. А. Рациональная мощность слоя при отработке вскрышных уступов обратными гидравлическими экскаваторами / Сысоев А. А., Литвин О.
И. // Вестн. КузГТУ. 2008. № 2. С. 35 - 38.
7. Сысоев А. А. Направления повышения эффективности обратных гидравлических лопат при производстве вскрышных работ / Сысоев А. А., Литвин О. И. // Сб. тезисов докладов X международной научно-практической конференции Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности. Кемерово. - 2008. С. 66 - 69.
Подписано к печати 31 октября 2012 г.
Формат 6084 1/6. Бумага офсетная. Отпечатано на ризографе.
Печ. л. 1,2. Тираж 100 экз. Заказ № Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Кузбасский государственный технический университет имени Т. Ф. Горбачева 650000, Кемерово, ул. Весенняя, 28.
Типография Федерального государственного бюджетного образовательного учреждении высшего профессионального образования Кузбасский государственный технический университет имени Т. Ф. Горбачева 650000, Кемерово, ул. Д. Бедного, 4а.