МIНIСТЕРСТВО ОСВIТИ УКРАЇНИ

НАЦIОНАЛЬНА ГIРНИЧА АКАДЕМIЯ УКРАЇНИ

ПРИГУНОВ ОЛЕКСАНДР СЕРГІЙОВИЧ

УДК 622.271;622.647.82

Технологічні основи відкритої розробки

підірваних скельних порід комплексами машин безперервної дії

Спецiальнiсть 05.15.03 - "Відкрита розробка

родовищ корисних копалин"

Автореферат

дисертацiї на здобуття наукового ступеня

доктора технiчних наук

Днiпропетровськ

1999

Дисертацiєю є рукопис.

Робота виконана в Інституті геотехнічної механіки НАН України

Науковий консультант - доктор технiчних наук, професор

Новожилов Михайло Галактіонович

Національна гірнича академія України

Офiцiйнi опоненти: доктор технiчних наук, професор

Прокопенко Василь Іванович, завідувач кафедри прикладної економіки Нацiональної гiрничої академiї України

доктор технiчних наук, професор

Близнюков Віктор Григорович, директор Науково-дослідного гірничорудного інституту

доктор технiчних наук, професор

Щелканов Владлен Олександрович, професор кафедри підземної розробки родовищ Криворізького технічного університету

Провiдна установа: Національний технічний університет України "Київський політехнічний університет" Міністерства освіти України (м. Київ)

Захист вiдбудеться " 1 " жовтня 1999 р. о 14-00 годинi на засiданнi спецiалiзованої вченої ради Д 08.080.02 при Нацiональнiй гiрничiй академiї України (320027, м. Днiпропетровськ - 27, пр. К.Маркса, 19).

З дисертацiєю можна ознайомитись в бiблiотецi Нацiональної гiрничої академiї України за адресою: 320027, м. Днiпропетровськ - 27, пр. К. Маркса, 19.

Автореферат розiсланий " 27 " серпня 1999 р.

Вчений секретар

спецiалiзованої вченої ради,

д.т.н., с.н.с.                                   О.В.Зберовський

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальнiсть теми. Відкритий спосіб видобутку корисних копалин в Україні та країнах СНД посідає істотне місце у загальному обсязі видобутку мінеральної сировини. Україна багата на залізну руду, понад 80% якої видобувається відкритим способом на залізорудних кар"єрах великих гірничозбагачувальних комбінатів. Зазначимо, що 90% гірничої маси (видобувні і розкривні роботи) складають міцні скельні руди і породи, які розробляються із застосуванням буро-підривних робіт. Останніми роками низька ефективність існуючих технологій і гірничотранспортного обладнання, постійне поглиблення кар"єрів, призвели до скорочення видобутку руди в Україні більше ніж удвічі. Але відповідно до зростаючих потреб металургійної промисловості у залізорудній сировині передбачено збільшення видобутку сирої руди до 2010 р на 34,5 млн.т. порівняно з 1997 р.

На залізорудних кар"єрах України найбільш поширена циклічна технологія (ЦТ). Кар"єри досягли глибини 250...360 м, істотно знизилось виробництво розкривних робіт. Більшість гірничотранспортного обладнання морально застаріло, спрацьовано на 60-80% і до 2000-2005 р.р. необхідно практично повністю його замінити. Удосконалення техніки і технології ведення гірничих робіт здійснювалось шляхом модернізації обладнання циклічної дії, збільшеням її одиничної потужності і застосуванням прогресивної циклічнопотокової технології (ЦПТ). Але це не дало необхідного підвищення ефективності гірничого виробництва. За період найбільш ефективної роботи кар"єрів (1984-1989 р.р.) продуктивність праці підвищилась лише на 10-17%, а собівартість видобутку руди зросла з 2,11 до 2,31 крб/т.

У перспективі видобуток руди супроводжуватиметься подальшим поглибленням кар"єів до 500...700 м, що зумовить збільшення обсягів розкривних порід, збільшення відстані і підвищення вартості транспортування гірничої маси, зниження продуктивності праці і гірничотранспортного обладнання, підвищення собівартості видобутку й призведе до погіршення техніко-економічних показників роботи кар"єрів і зниження конкурентоспроможності залізної руди України на світовому ринку. Проблему підвищення ефективності відкритих гірничих робіт можна вирішити завдяки створенню принципово нових високоефективних технологій, комплексів машин для відкритої розробки підірваних скельних порід, що забезпечить істотне підвищення (удвічі-тричі) продуктивності праці, зниження собівартості видобутку, металомісткості та енергоспоживання обладнання, а також шкідливого впливу гірничих робіт на навколишнє середовище.

Проведений аналіз тенденції розвитку техніки і технології розробки підірваних скельних порід показав, що підвищити ефективність відкритого способу розробки можливо, застосовуючи техніку безперервної дії. Це забезпечить безперервність виконання технологічних процесів, екскавацію, транспортування, розвантаження і відвалоутворення скельних порід з повним їх суміщенням. Найбільш перспективним напрямком удосконалення відкритих гірничих робіт можна вважати перехід до потокової технології (ПТ) з комплексами машин безперервної дії. Однак відсутність працездатних машин безперервної дії та технологічного обгрунтування їх застосування стримує широкомасштабне впровадження ПТ. Немає науково обгрунтованих технологічних схем застосування комлексів машин безперервної дії для відробки вибою і ведення гірничих робіт у робочій зоні, не обгрунтовані раціональні параметри системи розробки і комплексів машин безперервної дії. Тож актуальну прикладну проблему представляє створення технологічних основ відкритої розробки підірваних скельних порід комплексами машин безперервної дії, обгрунтування принципів формування структур комплексної механізації, встановлення закономірностей впливу ступеня безперервності технологічних схем, параметрів комплексів машин, технологічних схем і системи розробки на ефективність ведення відкритих гірничих робіт, обгрунтування раціональних параметрів комплексів машин і технологічних схем відробки вибою у робочій зоні глибоких кар"єрів.

Зв"язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана згідно з планами найважливіших держбюджетних робіт ІГТМ НАН України (теми 1,24,51 - з проблеми 0.08.025; 18,19 - з проблеми 3.2.1), НГА України Міносвіти України (теми ГП-174, ГП-231) і ДКНТ України (тема шифр 4/655а "Скала"); згідно з планами найважливішої госпдоговірної тематики ІГТМ НАН України, яка виконувалась за Постановами РМ УРСР, РМ СРСР, ДКНТ СРСР, Держплану СРСР і Держбуду СРСР (теми 85/7, 85/8, 85/9, 85/11, 161/1, 161/9, 161/11, 087-73/004 - з МЧМ УРСР, 281 - з Укрголовнерудпромом МПБМ УРСР, 7-496 - з ВО "Красважмаш" Мінважмашу СРСР, 7-533 - з ВНДПІгоркольормет МЦМ СРСР); згідно з загальносоюзною науково-технічною програмою 019 "Мінеральні ресурси" (теми 7-313, 7-515, 7-518 з ІГС ім. А.А.Скочинського).

Мета роботи і завдання дослідження. Мета полягає в розробці технологічних основ застосування комплексів машин безперервної дії у глибоких кар"єрах зі скельними породами шляхом створення способів, засобів і раціональних схем відробки вибою і ведення гірничих робіт у робочій зоні кер"єру за ПТ, що забезпечить підвищення ефективності відкритого способу видобутку корисних копалин.

Для досягнення поставленої в дисертації мети сформульовані наступні завдання досліджень:

1. Теоретично обгрунтувати принципи формування структур комплексної механізації, ступінь безперервності різних видів технології і принципові схеми застосування комплексів машин безперервної дії.

2. Встановити закономірності зміни параметрів комплексів машин залежно від параметрів гірничих робіт і властивостей розроблюваних порід і на їх основі обгрунтувати раціональні технологічні параметри комплексів.

3. Встановити особливості процесів взаємодії робочих органів машин безперервної дії зі скельними породами, обгрунтувати раціональні значення конструктивних параметрів і розробити конструкції машин безперервної дії виймання підірваних скельних порід.

4. Установити закономірності зміни параметрів гірничих порід залежно від технологічних і конструктивних параметрів комплексів, їх впливу на ефективність відкритих гірничих робіт та обгрунтувати раціональні параметри відробки вибою і системи розробки.

5. Розробити технологічні схеми відробки вибою і ведення гірничих робіт у робочій зоні глибоких кар"єрів комплексами машин безперервної дії за ПТ і ЦПТ і виконати їх структурну систематизацію.

6. Провести дослідно-промислову перевірку і дослідити ефективність застосування комплексів машин безперервної дії для розробки підірваних скельних порід.

Ідея роботи полягає у використанні комплексів машин безперервної дії і встановленних закономірностей технологічного взаємозв"язку процесів гірничого виробництва для створення технології відкритої розробки підірваних скельних порід з безперервним високопродуктивним потоком гірничої маси від вибою до пункту розвантаження.

На снові виконаних досліджень у роботі сформульовані такі наукові положення:

1. Потоковість різних видів технології визначається коефіцієнтом безперервності технологічних схем (Кн.сх), що представляє відношення суми добутків довжини транспортування гірничої маси різноманітними видами транспорту на їх коефцієнт безперервності процесу розгрузки до загальної довжини транспортування; із збільшенням (Кн.сх) від 0,33 (з ЦТ) до 1,0 (з ПТ) продуктивність праці підвищується удвічі-тричі, а маса комплексів і потужність на транспортування знижуються на 20-30%, що дозволяє кількісно оцінювати вплив потоковості технології на ефективність застосування гірничо-транспортних машин і рекомендувати застосування комплексів машин у кар"єрі.

2. Види траєкторії руху ріжучого ребра ковша екскаватора безперервної дії визначаються відношенням швидкості обертання ротора (р) та лінійної швидкості напору рукоятки (Vн). Ефективне виконання основних технологічних операцій відробки вибою забезпечується за таких умов: підробка уступу р = 0,35с-1, Vн = 0...0,5 м/с; розробка уступу з обваленням р = 0...0,35с-1, Vн = 1,0...1,5 м/с; черпання обваленої гірничої маси р = 0,35...0,6с-1, Vн = 0,5...1,5 м/с; прибирання негабариту р =0...0,35с-1,Vн = -0,5...0,5м/с; зачищення підошви уступу р = 0с-1, Vн =0,5...1,0м/с.

3. Безперервність потоку гірничої маси від вибою до вибійного стрічкового конвеєра досягається шляхом її подрібнення у циліндричній внутрішньовалковій дробарці з дотриманням умов затиснення подрібнюваного куска між подрібнюючими поверхнями обойми і валу, радіуси яких (Rо, rв) лінійно зростають із збільшенням вхідного і спадають із збільшенням вихідного отвору дробарки, але зменшуються за гіперболічною залежністю із збільшенням коефіцієнту тертя породи об подрібнюючу поверхню (), досягаючи мінімальних значень Rо.min = 0,7...0,9 м, rв.min = 0,3...0,4 м при = 0,3...04, що дозволяє створити, на відміну від раніше відомих конструкцій, грохотильно-дробильні агрегати з мінімальною вагою.

4. Ефективність застосування комплексів машин безперервної дії для розробки кар"єрів зі скельними породами залежить від висоти робочої зони і висоти уступу і визначається питомими витратами, пов"язаними параболічною залежністю з висотою робочої зони і спадною гіперболічною залежністю з висотою уступу. До того ж раціональне значення висот знаходиться відповідно у діапазоні 60...100м і 25...30 м, що забезпечує максимальну ефективність потокової технології гірничих робіт.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Обгрунтовані основні принципи створення технології відкритої розробки підірваних скельних порід, які базуються на безперервності потоку гірничої маси, незалежності технологічних процесів екскавації, транспортування, розвантаження і відвалоутворення, поділу комплексів на структурно-технологічні вузли, що визначає технологічний взаємозв"язок і взаєморозташування гірничотранспортних машин. Це і дозволило розробити принципові технологічні схеми застосування комплексів машин безперервної дії за ПТ і ЦПТ і зробити певний внесок у розвиток теорії відкритих гірничих робіт.

2. Уперше запропоновано кількісну оцінку потоковості різноманітних видів технології, здійснюваних з використанням коефіцієнту безперервності технологічних схем, встановлено закономірності його впливу на продуктивність праці, металомісткість та енергоспоживання, що дозволяє оцінювати ефективність їх застосування в різних технологічних схемах ПТ і ЦПТ.

3. Встановлені закономірності впливу технологічних параметрів комплексів машин безперервної дії на їх продуктивність та ефективність застосування, виявлено взаємозв"язок технологічних параметрів, що дозволило обгрунтувати їх раціональне значення, конструюючи нові гірничотранспортні машини для розробки підірваних скельних порід.

4. Уперше встановлені основні закономірності взаємодії робочих органів машин безперервної дії з крупнокусковою гірничою масою, враховуючи кінематичний взаємозв"язок робочих органів і вплив властивостей розроблюваних порід на їх параметри, що дозволило обгрунтувати раціональне значення конструктивних параметрів комплексів машин, які забезпечують ефективну розробку підірваних скельних порід і створення безперервного високопродуктивного потоку гірничої маси.

5. Розроблена методика розрахування траєкторії руху ріжучого ребра ковша екскаватора безперервної дії, яка відрізняється від уже відомих урахуванням змін кінематичних параметрів робочого органу залежно від співвідношення швидкостей напору рукоятки і обертання ротора; методика визначення потужності привода робочого органу екскаватора безперервної дії, що враховує кінематичний зв"язок ротора робочого органу з приймальним конвеєром; методика визначення параметрів дроблячих поверхонь внутрішньовалкової циліндричної дробарки залежно від ступеня подрібнення і коефіцієнта тертя подрібнюваної породи об дроблячі поверхні і методика визначення кінематичних параметрів процесу черпання гірничої маси екскаватором безперервної дії, що дозволило розрахувати основні конструктивні параметри комплексів машин безперервної дії, які забезпечують високоефективну розробку підірваних скельних порід.

6. Встановлена залежність параметрів підробки уступу від параметрів вибою, властивостей розроблюваних порід і параметрів двохковшового робочого органу з врахуванням особливостей технології керованого обвалу уступу екскаватором безперервної дії, що дозволило розробити ефективні схеми відробки вибою за висотою уступу і шириною заходки.

7. Розроблені методики визначення продуктивності комплексів машин безперервної дії та окремих машин, які від раніше відомих враховують особливості конструкції машин, технології розробки і транспортування крупнокускової гірничої маси, що дозволяє визначити продуктивність комплексів і оцінити ефективність їх застосування в різноманітних технологічних схемах та гірничотехнічних умовах.

8. Уперше створена структурна систематизація технологічних схем застосування комплексів машин безперервної дії за ПТ і ЦПТ, що відзначається поділом їх на технологічні групи за ступенем безперервності видів технології і комплексів машин і на структурно-технологічні вузли, які характеризують склад комплексів, тип обладнання і його взаєморозташування в кар"єрі. Це дозволяє, проектуючи кар"єри, визначити склад комплексів машин і вибрати технологічні схеми їх застосування відповідно до конкретних гірничотехнічних умов.

Практичне значення одержаних наукових результатів:

1. Уперше створена принципово нова технологія відкритої розробки підірваних скельних порід комплексами машин безперервної дії, яка забезпечує безперервний високопродуктивний потік крупнокускової гірничої маси та підвищення ефективності відкритих гірничих робіт.

2. Обгрунтовані конструкції, раціональні технологічні і конструктивні параметри комплексів машин безперервної дії, на основі яких вперше створені принципово нові гірничотранспортні машини для розробки підірваних скельних порід. Вони діють за принципом безперервності виконання технологічних процесів екскавації, транспортування і розвантажування гірничої маси, що дозволяє повністю механізувати і автоматизувати основні технологічні процеси відкритого видобутку корисних копалин.

3. Обгрунтовані раціональні значення параметрів відробки вибою за висотою уступу і шириною заходки комплексами машин безперервної дії і параметрів системи розробки, на основі яких розроблено технологічні схеми ПТ ефективного ведення гірничих робіт у робочій зоні глибоких кар"єрів.

4. Принципові схеми і раціональні параметри комплексів машин безперервної дії використовувались ІГТМ НАН України у такій конструкторськії документації (акт використання від 05.01.99р):

·

· "Технічне завдання на обладнання системи транспорту з конвеєрними поїздами";

· "Технічна пропозиція щодо створення екскаватора безперервної дії і перевантажувача" (КНД 00.000ПТ, КНД 00.000ПЗ);

· робоча документація для виготовлення транспортного комплексу з конвеєрними поїздами для Рибальського кар"єру ВО "Дніпронерудпром" (креслення загальних видів обладнання - ПК 2.01.00.000СБ, ПК 2.06.00.000СБ, ПК 2.03.00.000СБ, ПК 2.08.00.000СБ, ПК 2.021.00.000СБ) Міжріченського розрізу ВО "Кемероввугілля" (креслення загальних видів обладнання - ПК 5.00. 000СБ, Ф 00.00.000ВО, ЗП 00.00.000ВО, Т 00.00.000СБ, РУ 00.00.000ВО);

· робоча документація для виготовлення екскаватора безперервної дії ЕРГС-5000 і грохотильно-дробильного перевантажувача ПГС-2250 для дослідно-промислової ділянки на Кальмакирському кар"єрі Алмаликського ГМК (креслення загальних видів обладнання - ЕРГС 00.00.000ВО, 1ПГС 00.000ВО).

5. Рекомендації щодо принципових технологічних схем відробки вибою екскаватором безперервної дії, його конструкції і основних параметрів використані інститутом ВНДПІОкеанмаш під час розробки технічного проекту дослідно-промислового зразка екскаватора безперервної дії ЕРГС-4600 (креслення загального виду - ЕРГС 00.000.ОВ, арх.№49, фонд Океанмаш - акт використання від 22.03.99 р.).

6. Технологічні схеми застосування комплексів машин безперервної дії використані у проектуванні ПТ і ЦПТ на кар"єрах різних галузей гірничо-видобувної промисловості такими проектними інститутами:

·

·

·

·

·

7. Окремі технічні рішення і засоби розробки комплексів машин безперервної дії упроваджено у виробництво на багатьох гірничовидобувних підприємствах: 35 пристроїв для підтримки конвеєрної стрічки на місці навантаження на ІнГЗК, 15 внутрішньовалкових дробарок дрібного подрібнення на деяких гірничовидобувних і перероблюваних підприємствах ("Якуталмаз", "Невськгеологія", Донецька збагачувальна фабрика та ін.), грохот-споживач для крупнокускової скельної маси на перевантажувальному пункті Євпаторійського заводу будівельних матеріалів ВАТ "Славутич-Крим" (прот. від 17.02.98 р).

Особистий внесок автора у розробку результатів досліджень, представлених у дисертації, полягає: у формулюванні наукової проблеми, мети і наукових положень, постановці і розв"язанні завдань досліджень; теоретичному обгрунтуванні і розробці принципових технологічних схем відробки вибою і ведення гірничих робіт у робочій зоні комплексами машин безперервної дії; встановленні залежностей взаємодії робочих органів машин комплексів з розроблюваною гірничою масою і обгрунтуванні конструктивних параметрів комплексів; встановленні залежності взаємозв"язку і обгрунтуванні раціональних значень технологічних параметрів комплексів машин, системи розробки і схем застосування комплексів; проведенні, обробці та аналізу результатів експериментальних досліджень технології і машин; у розробці технологічних схем ЦПТ і ПТ.

Апробацiя результатiв дисертації. Основні результати дисертації доповідались і схвалені на технічних нарадах і засіданнях науково-технічних нарад Мінчормету УРСР та СРСР, Мінпромбудматеріалів УРСР та СРСР, Мінкольормету СРСР, Мінважмашу СРСР (м. Київ, м. Москва, 1981-1989), ДКНТ СРСР (м. Москва, 1985, 1990), в інститутах: "Південдіпроруда" (м. Харків, 1989), "Кривбаспроект" (м. Кривий Ріг, 1989), НДГРІ (м. Кривий ріг, 1993, 1996), "Діпрокольормет" та ВНДПІпрокольормет (м. Москва, 1985-1989), "Діпроруда (м. Ленінград, 1984), "Сибдіпрошахт" (м. Новосибірськ, 1983-1985), "ЯкутНДІпроалмаз" (м. Мирний, 1983-1985); на науково-практичній конференції "Проблеми науково-технічного розвитку об"єднання "Якуталмаз" (м. Мирний, 1985), всесоюзних науково-практичних конференціях "Науково-технічний прогрес і перспективи розвитку нових спеціалізованих видів транспорту" (м. Москва, 1985, 1990), Х1У Міжнародній науково-технічній конференції "Механізація і автоматизація земельних робіт" (м. Київ, 1991), Міжнародному симпозіумі з гірничих робіт "Мирний-91" "Проблеми відкритої розробки глибоких кар"єрів" (м. Мирний, 1991), Ш конгресі з геоінженерінгу "Виймання твердих порід: майбутнє та за його межами" (Італія, Турин, 1992), Міжнародній конференції "Гірнича промисловість Росії на рубежі ХХ-ХХ1 століть" (м. Москва, 1994), "Сучасна гірнича справа: освіта, наука, промисловість" (м. Москва, 1996), Першій Міжнародній науково-технічній конференції "Проблеми комплексного освоєння надр" (м. Дніпропетровськ, 1998).

Публiкацiї. Основнi положення виконаних дослiджень опубліковані в 1 монографії, 19 статтях наукових провідних фахових видань, 23 авторських свідоцтвах, 1 депонованому рукопису, 1 брошурі і 42 статтях збірників та тезах доповідей на конференціях - всього у 87 наукових роботах.

Структура та обсяг роботи. Дисертацiя складається з вступу, шести роздiлiв, висновкiв, переліку посилань з 321 найменування на 30 сторінках, мiстить 263 сторiнки машинописного тексту, 97 рисункiв на 89 сторінках, 52 таблиці на 46 сторінках, загальним обсягом 398 стор. та 9 додатків окремим томом на 124 сторінах.

ОСНОВНИЙ ЗМIСТ РОБОТИ

РОЗДІЛ 1. Стан і актуальність проблеми. Завдання досліджень

Сучасний рівень розвитку базових галузей промисловості (металургійна, енергетична, будівельна та ін.) потребує значних обсягів мінеральної сировини, якою можливо задовольнити завдяки видобутку корисних копалин високоефективним відкритим способом розробки родовищ на великих глибинах.

Доведено, що в перспективі відкритий спосіб видобутку корисних копалин в Україні та країнах СНД - основний напрямок розвитку гірничовидобувних галузей промисловості для забезпечення мінеральною сировиною потреб енергетики, чорної та кольорової металургії, хімічної промисловості та будівництва. Видобуток корисних копалин супроводжується значним зростанням обсягів розкривних робіт. Середня виробнича потужність кар"єрів збільшуватимется за рахунок подальшої концентрації виробництва. Істотно поглибляться кар"єри, що викличе погіршення гірничотехнічних умов. Основна сировинна база чорної металургії в Україні - Криворізький залізорудний басейн, де переважно розвинутий відкритий спосіб. Враховуючи зниження обсягів та ефективності видобутку руди згідно з "Концепцією розвитку гірничо-металургійного комплексу України до 2010 року" визначено основні перспективні завдання гірничорудної промисловості, найважливішими з яких є підтримка робочого стану кар"єрів і підвищення їх ефективності за умови збільшення глибини відкритих гірничих робіт.

Доведено, що існуюча техніка і технологія має деякі недоліки, основні з яких: застосування вантажно-транспортного обладнання циклічної дії з ЦТ, збільшення висоти робочої зони та довжини транспортування автомобільним транспортом у період спорудження перевантажувальних пунктів з ЦПТ. Удосконалення існуючої техніки, збільшення одиничної потужності обладнання і застосування ЦПТ не забезпечують підвищення продуктивності праці і зниження собівартості видобутку руди. Для підвищення ефективності роботи залізорудних кар"єрів України необхідно створити і впровадити принципово нову високоефективну технологію та обладнання.

Основні положення, принципи і завдання створення перспективних технологій розробки підірваних скельних порід сформульовані у фундаментальних роботах провідних вчених у галузі відкритої розробки родовищ корисних копалин. До них слід віднести здобутки: академіків М.В.Мельникова, В.В.Ржевського і К.М.Трубецького, докторів технічних наук В.П.Аксьонова, Ю.І. Аністратова, Ю.П.Астаф"єва, Ю.І.Бєлякова, В.Г.Близнюкова, В.Ф.Бизова, М.В.Васильєва, К.Є.Виницького, В.М.Володимирова, І.Л.Гуменика, А.Ю.Дриженка, М.Ф.Друкованого, Е.І.Єфремова, М.Г.Новожилова, М.Г.Потапова, В.І.Прокопенка, Б.А.Сімкіна, Л.М.Солодовника, Б.М.Тартаковського, П.І.Томакова, Б.Ф.Фадєєва, М.С.Четверика, А.Г.Шапара, В.О.Щелканова, В.Л.Яковлева, кандидатів технічних наук О.В.Андрющенка, С.М.Бро, І.І.Гаврилюка, Г.Г.Грищенка, Б.З.Палея, В.М.Штейнцайга та ін.

Проведений аналіз тенденції техніки і технології відкритої розробки підірваних скельних порід дозволив визначити, що основним напрямком підвищення ефективності відкритого способу видобутку корисних копалин із збільшенням глибини кар"єрів треба вважати перехід до потокової технології розробки підірваних скельних порід комплексами машин безперервної дії.

На основі аналізу відомих наукових праць, досвіду роботи і проектування роботи кар"єрів Кривбасу та виявленні тенденцій розвитку техніки і технологій відкритої розробки підірваних скельних порід обгрунтовано актуальність та істотність наукової проблеми, сформульовано мету і завдання досліджень.

РОЗДІЛ 2. Обгрунтування принципових схем застосування комплексів машин безперервної дії та їх технологічних параметрів

Обгрунтовані основні принципи розробки технологічних схем застосування комплексів машин безперервної дії та формування структур комплексної механізації, які базуються на потоковості виробництва, незалежності технологічних операцій і поділу комплексів на структурно-технологічні вузли, що визначають взаєморозташування машин комплексу в кар"єрі, забезпечують безперервний зв"язок технологічних процесів гірничого виробництва і створення безперервного високопродуктивного потоку гірничої маси від вибою до збагачувальної фабрики або відвалу.

Кількісну оцінку потоковості різних видів технології запропоновано здійснювати, враховуючи коефіцієнт безперервності технологічних схем (Кн.сх), який враховує співвідношення застосовуваних у даній схемі видів кар"єрного транспорту з різним ступенем безперервності. Уперше встановлені значення коефіцієнтів безперервності та показників ефективності технологічних схем у різних видах технології, представлені у табл.1.

Встановлено, що ЦТ із застосуванням циклічного автотранспорту має низький ступінь безперервності (Кн.сх0,33), ЦПТ з комбінованим транспортом - середній (0,33 Кн.сх0,8), ПТ з безперервними видами транспорту - високий (0,4 Кн.сх1,0). Доведено, що з підвищенням ступеня безперервності технологічних схем підвищуються техніко-економічні показники (підвищується продуктивність праці удвічі-тричі, знижується на 20...40% металомісткість та енергоспоживання обладнання), які визначають ефективність застосування комплексів машин безперервної дії.

Таблиця 1.

Значення коефіцієнтів безперервності і показників ефективності технологічних схем у різних видах технології

Показники | Висота підйому Н,м | Технологія

ЦТ | ЦПТ | ПТ

Вид кар"єрного транспорту

АТ | АТ+КП | АТ+ЛК | КП | ЛК

Коефіцієнт безперервності схеми Кн |

100-300 |

0,33 |

0,33-0,39 |

0,44-0,79 |

0,33-0,42 |

1,0

Продуктивність праці,

т/см/чел | 100

200

300 | 1730

1080

860 |

1780 |

1815 |

3960 |

3960

Маса

комплексу , т | 100

200

300 | 1950

3150

3910 | 1800

1950

2025 | 2075

2290

2610 | 750

900

1050 | 1920

2240

2560

Потужність на транспортування 1 т вантажу, кВт | 100

200

300 | 24

28

29 | 23

29

33 | 17

19

21 | 18

24

29 | 9

12

15

Примітка. АТ- автомобільний транспорт, КП- конвеєрный поїзд, ЛК- стрічковий

конвеєр

Визначено, що ПТ розробки родовищ комплексами з стрічковими конвеєрами може здійснюватися за двоми основними схемами: відробка верхніх розкривних горизонтів, що передбачає розробку лише розкривних порід; відробка глибоких горизонтів кар"єрів, яка передбачає розробку на одному горизонті корисних копалин і вміщуючих порід та їх роздільне транспортування до визначених пунктів (збагачувальна фабрика або відвал), представлено на рис.1. Розроблено технологічні схеми застосування транспортних комплексів з конвеєрними поїздами, як єдиного виду транспорту (ПТ), і в комбінації з іншими видами кар"єрного транспорту (ЦПТ).

Сформульовані технологічні вимоги до комплексів машин безперервної дії і визначено комплекси, які включають екскаватор безперервної дії, грохотильно-дробильний перевантажувач, систему вибійних, торцевих, похилих, відвальних конвеєрів та відвалоутворювач - комплекси зі стрічковими конвеєрами; навантажувальні та розвантажувальні пристрої, конвеєрний поїзд і його приводи, рейковий шлях - комплекси з конвеєрними поїздами. Такий склад і передбачене технологічними схемами взаєморозташування машин комплексів у кар"єрі забезпечує безперервний взаємозв"язок технологічних процесів і дозволяє створити високопродуктивний безперервний потік гірничої маси від вибою до збагачувальної фабрики або відвалу: копмлексами зі стрічковими конвеєрами методом безперервного її виймання у вибої екскаватором безперервної дії та перетворенням (грохотання, подрібнення) вибійним перевантажувачем до фракції, яка транспортується стрічковими конвеєрами; комплексами з конвеєрними поїздами, транспортуючими крупнокускову гірничу масу (до 1200 мм) без попереднього подрібнення і проміжних перевантажень на крутих (до 200) кутах підйому.

Рис. 1. Принципова технологічна схема відробки глибоких горизонтів кар"єрів комплексами машин безперервної дії зі стрічковими конвеєрами.

1 - екскаватор безперервної дії; 2 - грохотильно-дробильний перевантажувач; 3, 4, 5 - відповідно вибійний, торцевий, похилий конвеєри; 6 - бурова установка.

Досліджено взаємозв"язок параметрів гірничих робіт і параметрів комплексів з використанням економіко-математичного моделювання, встановлено залежність питомих витрат та продуктивності комплексів від їх технологічних параметрів, деякі з них представлено на рис. 2 і рис.3.

Обгрунтовані раціональні значення основних технологічних параметрів комплексів: теоретична продуктивність екскаватора безперервної дії 1800...2250 м3/год; висота черпання екскаватора 15...23 м; ємкість бункера-перевантажувача 56...75 м3; приймальний отвір дробарки 1100...1250 мм; довжина розвантажувальної консолі перевантажувача 20...34 м; довжина конвеєрного поїзда 130...250 м; швидкість руху поїзда по трасі 9...15 м/с; вантажопідйомність поїзда 1,5...2,5 т/м для великих кар"єрів з продуктивністю 10...50 млн.т/рік; довжина поїзда 30...50 м; швидкість поїзда 6...8 м/с; площа перерізу вантажонесучого жолоба - 0,75...1,0 м2 для малих кар"єрів з продуктивністю до 10 млн.т/рік.

Рис. 2 - Залежність питомих Рис. 3 - Залежність технічної

витрат від теоретичної про- продуктивності транспортного

дуктивності екскаватора без- комплексу з конвеєрними поїз-

перервної дії дами від швидкості їх руху, дов-

жини поїзда і траси

Це дозволило розробити конструкції машин безперервної дії , які забезпечують технологічну ефективність їх застосування.

РОЗДІЛ 3. Дослідження робочих процесів та обгрунтування основних конструктивних параметрів комплексів машин безперервної дії для розробки підірваних скельних порід

Обгрунтовані принципово нові конструкції основних машин комплексів, які забезпечують безперервність високопродуктивного потоку гірничої маси під час виконання технологічних операцій виробки вибою:

·

· для транспортних комплексів з конвеєрними поїздами, які складються з шарнірно-з"єднаних між собою одновісьових візків, на яких закріплюються металеві жолоби, об"єднані спеціальними перекриттями в єдине вантажонесуче полотно; навантажувальний пристрій, що складається з окремих блоків приймального бункера з грохотом для сортування гірничої маси і виділення негабариту та безроликового споживача, пристрою для безударного навантаження конвеєрного поїзда з жолобом і секторним затвором та регульованого приводу конвеєрного поїзда; розвантажувальний пристрій з двома розвантажувальними консолями, які забезпечують торцеве розвантаження конвеєрного поїзда і двосторонню відсипку відвалів.

Виконаний комплекс теоретичних та експериментальних досліджень траєкторії руху ріжучого ребра ковша екскаватора під час технологічних операцій відробки вибою. Встановлено, що об"єднання обертального руху двохковшового робочого органу із зворотно-поступальним рухом механізму напору і підйому рукоятки у вигляді кулісного механізму дозволяє реалізувати усі види траєкторії руху ріжучого ребра ковша, необхідні для відробки вибою. Разом з цим ріжуче ребро ковша з координатами Х і Y рухається за різноманітними траєкторіями в залежності від співвідношення швидкостей напору (Vн) і обертання ротора (р). Координати Х і Y визначаються системою рівнянь, яка враховує зміни параметрів робочого органу від співвідношення швидкостей ротора і напору

X=Xo-R"sin(ісх-)+Rsin(+р) (1)

Y=Yo-R"cos(ісх-)+Rcos(+р)

тут t,град; , град; (2)

, град,

де Xo, Yo- координати вісі обертання кривошипу (вісі блоків підвіски ротора), м; R"- відстань між віссю блока підвіски ротора та віссю обертання ротора, м; ісх - кут відхилення кривошипу від вертикалі у вихідному положенні (коли повністю втягнута рукоятка), град; - кут відхилення кривошипу від вихідного положення, град; R - радіус робочого органу по ріжучому ребру, м; - кутова координата ріжучого ребра, град; р - кут відхилення куліси (рукоятки) від вихідного положення, град; - кутова швидкість обертання ротора, об/с; t - час руху, с; а, в, с - змінні параметри кулісного механізму.

Числове рішення системи рівнянь (1) у реальному діапазоні зміни швидкостей ротора і напору дозволило отримати чимало різноманітних траєкторій ріжучого ребра ковша й визначити співвідношення швидкостей ротора і напору, які забезпечують виконання технологічних операцій, необхідних для виробки вибою: підробка уступу р = 0,35с-1, Vн = 0...0,5 м/с; розробка уступа з обваленням р = 0...0,35с-1, Vн = 1,0...0,5 м/с; черпання обваленої гірничої маси р = 0,35...0,6с-1, Vн = 0,5...1,5 м/с; прибирання негабариту р = 0...0,35с-1,Vн = 0,5...-0,5м/с; зачищення підошви уступу р = 0с-1, Vн =0,5...1,0м/с. Доведено, що роторним робочим органом можна виконати всі траєкторії руху ріжучого ребра ковша, які виконуються одноковшовим екскаватором, та додатково урізноманітнити рухи робочого органу у вибої. Це дозволяє підвищити ефективність відробки вибою екскаватором безперервної дії порівняно з одноковшовим.

Проведені теоретичні дослідження процесу наповнення ковша екскаватора дозволили встановити закономірності зміни коефіцієнта наповнення ковша (Кн) в залежності від фізико-механічних властивостей розроблюваних порід, геометричних розмірів ковша та їх співвідношення, силових та кінематичних параметрів робочого органу. Встановлені значення Кн виконуваних технологічних операцій відробки вибою: підробка і розбирання уступу з навантаженням гірничої маси Кн=0,81; черпання обваленої гірничої маси Кн=0,95; зачищення підошви уступу Кн=0,30; середньозважене значення Кн=0,92. Доведено, що значення силових та кінематичних параметрів екскаватора безперервної дії, які визначають наповнення ковша, перебільшують значення цих параметрів одноковшових екскаваторів і забезпечують більш ефективну розробку підірваних скельних порід з високими значеннями Кн.

Розроблена методика визначення потужності привода робочого органу екскватора безперервної дії, витраченої на черпання, підйом гірничої маси ковшем і переміщення приймального конвеєра. Встановлена залежність для визначення потужності привода робочого органу за еквівалентним моментом на валу ротора

,кНм ,кНм; Mі=Mчі+Mгрі+Mкі,кНм. (3)

тут Мчі,кНм; Mгрі,кНм; Mкі=0,5ipкGпрgrsin, кНм,

де q - ємкість ковша, м3; КF - питомий опір копання, кПа; - об"єм маси розроблюваної породи, т/м3; g - прискорення вільного падіння, м/с; Кр - коефіцієнт розрихлення породи у ковші; Др - діаметр ротора ріжучого ребра, м; h - висота ковша, м; np - швидкість обертання ротора, об/хв; р - ккд усіх передач привода ротора; Ме - еквівалентний момент на валу ротора, кНм; Мі - середній сумарний момент на валу ротора за і-й інтервал часу, кНм; ti - і-й інтервал часу, с; Мчі - момент черпання, кНм; Мгрі - момент підйому вантажу у ковші, кНм; Мкі - момент переміщення приймального конвеєра, кНм; Кстр - коефіцієнт, враховуючий перевищення об"єму розроблюваної стружки над ємкістю ковша (Кстр=2,5); ч - кут черпання, рад (ч =1,75); - кутова координата ріжучого ребра ковша (відрахунок від нижньої мертвої точки), град; ірк - передавальне число кінематичного зв"язку ротора-кривошипа качання конвеєра (дорівнює числу ковшів ротора); Gпр - маса приймального конвеєра з вантажем, кН; r - радіус обертання вісі підвіски приймального конвеєра до кривошипу, м; - кутова координата кривошипу качання конвеєра (відрахунок від нижньої мертвої точки), град.

З врахуванням залежності (3) побудовано навантажувальні діаграми і визначені розрахункові значення потужності привода робочого органу різних типорозмірів екскаватора безперервної дії, які забезпечують ефективну розробку скельного вибою.

Досліджено процес подрібнення гірничої маси у циліндричній внутрішньовалковій дробарці. Уперше встановлена залежність основних параметрів, які визначають її працездатність та ефективність:

·

де з - кут затиснення подрібнюваного куска дроблячими поверхнями, град; - коефіцієнт тертя гірничої породи об дроблячу поверхню;

·

, м, (5)

·

, м, (6)

де Двх, dвих - розміри, відповідно, вхідної і вихідної щілини дробарки, які визначаються розміром куска на вході і виході, м.

Встановлено, що радіуси дроблячих поверхонь залежать від ступеня дроблення (Двх - dвих) і властивостей розроблюваної породи ( ): лінійно зростають із збільшенням вхідного отвору і спадають із збільшенням вихідного отвору, зменшуються за гіперболічною залежністю із збільшенням коефіцієнта тертя породи об дроблячу поверхню від 0,1 до 0,4, досягаючи мінімальних значень (Ro.min=0,7...0,9 м, rв.min=0,3...0,4 м) з коефіцієнтом тертя =0,3...0,4. Це дозволило розробити конструкцію циліндричної внутрішньовалкової дробарки з мінімальною вагою і забезпечило ефективність застосування грохотильно-дробильного перевантажувача у схемах ПТ і ЦПТ розробки підірваних скельних порід.

Проведені експериментальні дослідження комплексів машин на фізичних моделях в лабораторних та промислових умовах. Обгрунтовані критерії подібності та геометричні масштаби моделювання: для моделі екскаватора і вибою - 10, для моделі дробарки - 15, для експериментального зразка екскаватора ЕРГС-2000 - 8,1, для транспортного комплексу з конвеєрними поїздами 1,0. У промислових умовах дослідження експериментального зразка екскаватора безперервної дії ЕРГС-2000, загальний вигляд якого наведено на рис.4, проведені на Первомайському кар"єрі Північного ГЗК, а транспортного комплексу з конвеєрним поїздом, наведеного на рис. 5 - на Рибальському гранітному кар"єрі ВО "Дніпронерудпром".

Встановлені статистичні характеристики кінематичних параметрів процесу черпання екскаватора безперервної дії (кут черпання ч, кут розвантажування р та коефіцієнт наповнення ковша Кн); виявлено залежність продуктивності, зусиль черпання і потужності робочого органу екскаватора від кінематичних параметрів та властивостей породи, а також залежність зусиль, потужності і якості подрібнення порід різноманітної міцності циліндричною внутрішньовалковою дробаркою від її параметрів та властивостей подрібнюваних порід; встановлено, що розподілення тягового зусилля по довжині конвеєрного поїзда має нерівномірний характер, значення тягового зусилля фрикційного привода мають яскраво виражену імовірність виявлення в діапазоні номінальних значень.

Рис. 4 - Експериментальний зразок екскаватора безперервної дії ЕРГС-2000

Рисунок 5. Експериментальний зразок конвеєрного поїзда

Встановлено, що швидкість поїзда (Vn) та повітряний зазор між ротором та статором () є основними факторами, які визначають тягове зусилля конвеєрного поїзда з лінійним асинхронним двигуном (ЛАД); доведено, що за = 8...11 мм ЛАД розвиває максимальне тягове зусилля з максимальною швидкістю Vn.max = 6,0 м/с, а із збільшенням повітряного зазору від 8 мм до 14 мм тягове зусилля знижується в 1,3...2,0 рази. Це дозволило розробити конструкцію, обгрунтувати режим руху, що забезпечує реалізацію максимальних тягових зусиль та продуктивності конвеєрного поїзда.

Доведено, що розроблені конструкції машин працездатні, а фактичне значення їх основних параметрів відповідає розрахунковим.

На основі результатів теоретичних та експериментальних досліджень обгрунтовані конструкції комплексів машин безперервної дії для розробки підірваних скельних порід та їх конструктивні параметри, що дозволило розробити технічні завдання на їх створення та робочу документацію для виготовлення.

РОЗДІЛ 4. Розробка технологічних схем та обгрунтування основних параметрів відробки вибою комплексами машин безперервної дії

Розроблені технологічні схеми відробки екскваторної заходки вздовж фронту робіт, якими передбачена послідовність виконання технологічних операцій відробки вибою екскаватором безперервної дії: навантаження гірничої маси на вибійний транспорт (стрічкові конвеєри або конвеєрні поїзди) вибійним комплексом (екскаватор безперервної дії разом з перевантажувачем) під час його переміщення вздовж фронту робіт; врізка в нову заходку, що передбачає підготовку ніші для розміщення вибійного комплексу і проходження "мертвих зон". Схеми обумовлюють розміщення обладнання у вибої та його технологічний взаємозв"язок як між собою, так і з вибійним транспортом. Розроблена технологія відробки вибою за висотою уступу і шириною заходки, яка передбачає виконання таких технологічних операцій: підробку уступу, розбирання його та обвалення гірничої маси, виймання гірничої маси на величину кроку обвалення з одночасним прибиранням негабариту та її навантаженням на засоби вибійного транспорту і зачищення підошви уступу. Після цього вибійний комплекс переміщається вздовж фронту роботи на величину кроку обвалення і цикл повторюється. Уперше розроблені технологічні схеми відробки екскаваторної заходки вздовж фронту робіт транспортним комплексом з конвеєрними поїздами, які відзначаються переміщенням екскаватора за дугою відносно точки його розвантаження у вибійний навантажувальний пристрій під час відробки вибою і врізки у нову заходку та розділенням фронту робіт на три умовні зони. У свою чергу послідовно виконуються виймальнонавантажувальні, буро-підрівні роботи та пересування вибійних рейкових шляхів.

Встановлена залежність параметрів підробки уступу екскаватором безперервної дії від фізико-механічних властивостей розроблюваних порід, параметрів відроблюваного вибою та робочого органу екскаватора, які відрізняються від раніше відомих особливістю конструкції робочого органу та технологією відробки вибою екскаватором безперервної дії . В результаті встановлено та експериментально підтверджено, що в умовах залізорудних кар"єрів Кривбасу кероване обвалення гірничої маси у вибої екскаваторами безперервної дії забезпечується за такими параметрами підробки: глибина - 1,7...2,2 м, висота - 5,0...5,4 м, ширина (для двох екскаваторних заходок) - 30,0...34,0 м.

Встановлена залежність для визначення ширини робочої площадки на горизонті:

·

Шp=Шп+Шсм+Lб+Bз.к+Штр+Шб.в., м, (7)

де Шп