Опыт селективной разработки месторождения гипса комбайнами Wirtgen 2200 SM (штат Колорадо, США)

М.Пихлер, президент фирмы Wirtgen International GmbH
Ю.Б.Панкевич, к.т.н., эксперт фирмы Wirtgen International GmbH

Компания American Gypsum (AG) - дочерняя компания Eagle Materials Corporation - занимает ведущее место в производстве строительных материалов в США.

Рудник Eagle Mine, принадлежащий указанной компании, обеспечивает рядом расположенный завод стеновых плит высококачественным гипсом, добываемым в объеме 600 тыс. тонн в год. Из-за близости городов Gypsum и Eagle, а также автотрассы I-70 и взлетно-посадочной полосы местного аэродрома горные работы на руднике ведутся по безвзрывной тонкослоевой технологии с применением комбайнов Wirtgen Surface Miner (фото 1).


Комбайны Wirtgen 2200 SM обеспечили (в условиях необходимости селективной выемки гипса) резкое увеличение производительности гипсового рудника.

Особенность горно-геологических условий месторождения состоит в невыдержанности мощности рудных тел (в направлении поперечной оси карьерного поля) и перемежаемости с вмещающими породами светло-коричневого цвета (хорошо различимыми на фоне белого гипса и ангидрита). Предел прочности гипса на сжатие около 30 МПа, ангидрита 69 МПа.

Обычно комбайны Wirtgen 2200 SM оборудуются системой консольных конвейеров для прямой загрузки горной породы в автосамосвал, но гипсовый рудник использует вариант комбайна без конвейера.

Добыча гипса осуществляется параллельными проходами комбайнов Wirtgen 2200 SM (технологическая схема Windrows), размещая материал сзади по ходу своего движения в валках шириной 1.0-1.2 м (фото 2).


При этом колесным погрузчиком из длинного, представленного серией валков штабеля, выборочно удаляется пустая порода, чем обеспечивается действенный контроль качества гипса. Далее с помощью двух колесных погрузчиков осуществляется раздельная выемка гипса и вмещающих пород и укладка их в отдельные конусные штабели. Около половины горной массы карьера (40-45%) представляют собой вмещающие породы. Из штабелей по мере необходимости добытый материал погрузчиками отгружается в карьерный транспорт.

Карьерный транспорт рудника представлен 5 тракторными полуприцепами с донной разгрузкой, которые за год перевозят около 1 млн. тонн гипса и пустых пород.

По сырьевым кондициям завода стеновых плит максимальный кусок гипса не должен превышать 150 мм.

Режим работы рудника - односменный с продолжительностью смены 11 часов при 55-часовой рабочей неделе. Производительность рудника в неделю около 10 тыс.т (3 тыс.т в сутки), включая вмещающие породы.

Породы абразивные, что предопределяет расход резцов по гипсу 3.6 шт., по ангидриту - 18 шт. на 1000 тонн. Расход топлива комбайном 76 литров на машино-час. Гипс разрабатывается тонкими слоями 15-20 см, и, в зависимости от крепости материала, рабочая скорость комбайна изменяется от 7.5 до 11 м/мин., достигая 18 м/мин в мягких породах.

Вмещающие породы используются в дорожном строительстве, для рекультивации откосов и других целей. Все это предусматривается планом горных работ, так как по мере развития производства расширяется сеть автодорог и увеличивается объем работ по рекультивации высоких откосов.

Принятая на карьере технологическая схема горных работ соответствует выбранной конструкции комбайна (без консольного разгрузочного конвейера), что обеспечивает независимую его работу от карьерного транспорта и колесных погрузчиков. Исключение составляет зимний период работы, когда, во избежание недопустимо высокого увлажнения руды в валках, гипс не штабелируется, а сразу после отбойки из массива погрузчиком отгружается в кузов карьерного транспорта. Учитывая требования завода к влажности руды, на руднике стремятся поддерживать руду в сухом состоянии, насколько это возможно.

Подготовка к выемке гипсовых руд механическим способом с помощью, в частности, тракторных рыхлительно-бульдозерных агрегатов (РБА) нигде в мире не применяется. Это объясняется специфическими особенностями структуры залежей гипса, главная из которых состоит в том, что гипс может быть разрушен механическим рыхлителем только в процессе движения РБА в строго определенном направлении. А при всех других направлениях приложения усилия рыхлительного зуба - гипс практически не поддается разрушению. Кроме этого на месторождении широко распространены карстовые полости, которые также создают известные трудности отработки с помощью РБА.


Практика рудника Eagle Mine подтвердила существенные преимущества безвзрывной технологии, основанной на применении комбайнов Wirtgen 2200 SM:

- высокая производительность комбайна, достигающая 350-400 т/час, и маневренность, обеспечивающая разворот машины (на месте) на 180° за 1.5-2 мин;

- возможность постоянного поддержания в идеально ровном состоянии автодорог и рабочих площадок, способствующем снижению износа шин колесного карьерного транспорта и одноковшовых колесных погрузчиков;

- постоянное обеспечение надежного дренажа рабочей зоны карьера;

- способность формирования крутых и длительно устойчивых откосов уступов (высотой до 12 м) и бортов карьера (с шириной берм 3 м) в течение всего периода отработки месторождения и последующей их рекультивации.

Опыт отработки месторождений цементного сырья комбайнами Wirtgen Surface Miner

М.Пихлер, президент фирмы Wirtgen International GmbH
Ю.Б.Панкевич, к.т.н., эксперт фирмы Wirtgen International GmbH

Компания Ash Grove Cement - один из крупнейших производителей цемента в США - объединяет 9 цементных заводов общей производительностью более 7.8 млн. тонн продукции в год. В структуру компании также входят карьеры по добыче заполнителей в США и Канаде и завод по производству извести в шт. Орегон.

Основным сырьем для производства цемента на заводе Foreman (Арканзас) служит мергель, добываемый на одноименном карьере. С целью обеспечения существенного снижения эксплуатационных издержек на добычу сырья в 2001 г. началось техническое переоснащение карьера Foreman, которое заключалось в переводе горных работ на безвзрывную технологию - на основе горных комбайнов Wirtgen 2500SM.
При новой технологии из цепи процессов полностью исключается подготовка полезного ископаемого к выемке, резко уменьшаются объемы вторичного дробления, улучшаются технологическое состояние и качество рабочих площадок и карьерных дорог.

Одно из существенных достоинств комбайновой технологии состоит в том, что она предоставляет возможность ведения добычных работ сразу же после окончания дождей, так как дороги и рабочие площадки быстро осушаются благодаря небольшому уклону забоя-площадки в сторону водоотводной канавы и зумпфа, формируемому комбайном в процессе отработки месторождения. Одним из первых эффектов перехода на комбайновую технологию стало значительное (на 58%) снижение расхода топливных ресурсов.

Вместе с тем, снизилась острота проблемы подавления пыли: при применяемой на карьере технологии (на основе рыхлительно-бульдозерных тракторных агрегатов и скреперов) образовывалось большое количество пыли, подавление которой составляло постоянную и технологически трудно разрешаемую проблему.

При комбайновой технологии объем образующейся пыли существенно меньший, так как карьерные комбайны Wirtgen 2500 SM оборудованы собственной системой водорошения забоя, а использование поливочных машин полностью исключили пылеобразование на автодорогах.

В начальный период комбайн работал по двум схемам: первая - с прямой погрузкой отбитой горной массы в автосамосвалы, вторая - с боковой отсыпкой в штабель, формирующийся из горной массы, отбитой комбайном из четырех заходок-полос. Из штабеля горные породы вынимались колесными скреперами.

Каждая из этих схем имеет свои преимущества и недостатки. Так, главное преимущество первой схемы заключается в отсутствии переэкскавации и непрерывность погрузочного цикла отбитой горной массы. Недостаток схемы - необходимость более широкой площадке-забоя для размещения самосвала для его загрузки. Вторую схему удобно применять при проходке траншей и съездов. Комбайн работает непрерывно, так как исключены простои комбайнов в ожидании автосамосвалов. Недостаток схемы - необходимость переэкскавации горной массы.

В качестве технологического транспорта на карьере используются четыре шарнирно-сочлененных самосвала Terex TA-40 (номинальной г/п 40 т), кузов которых для увеличения вместимости оборудован задним бортом, состоящим из двух частей (и даже эта мера не позволила обеспечить наибольшую, близкую к номинальной грузоподъемности, массу перевозимого мергеля: в кузов самосвала помещается только 28-29 т). Среднее время загрузки самосвала ТА-40 составляет 1.85 мин. Рабочая скорость комбайна изменялась в зависимости от горно-геологических условий, в пределах 4.6-13.7 м/мин при глубине фрезерования, соответственно, от 23 до 48 см.

В ходе эксплуатации комбайна изучена зависимость производительности комбайна от параметров (длины и ширины) рабочей площадки, времени ожидания и обмена автосамосвала под погрузкой, а также от времени на маневры комбайна при выезде из забоя и врезке в новую заходку забой (табл. 1).

Анализ данных табл. 1 показывает, что производительность комбайна Wirtgen 2500 SM с увеличением длины рабочего хода от 150 до 450 метров увеличивается на 10-15%. Уменьшение времени на обмен автосамосвалов на 14 сек. приводит к возрастанию производительности на 7%, а сокращение времени маневра комбайна на 1 минуту увеличивает производительность на 2%.

Комбайн Wirtgen 2500 SM работает взаимопараллельными прямыми ходами с разворотом в конце каждого из них. Глубина фрезерования - 39-42 см. Автосамосвалы при погрузке следуют сбоку от комбайна.


Добытый мергель из карьера транспортируется к первичной дробилке, расположенной во главе конвейерной системы длиной 2.5 км, которая в свою очередь доставляет его в склад, расположенный на территории цементного завода. Так как мергель, отбитый комбайном, на 95% представлен фракциями менее 120 мм, необходимость в стадии крупного дробления практически отпадает (табл. 2).


Единственная причина сохранения приемного отделения крупного дробления - сложившийся технологический поток, который вынужден перерабатывать очень малую долю (~5%) мергеля крупной фракции. Однако специалисты предприятия считают, что если изменить шаг установки режущих инструментов на фрезерном барабане комбайна или изменить скорость его вращения, то можно добиться полного исключения некондиционных по крупности фракций и навсегда избавиться от стадии крупного дробления.

Безусловно, положительные результаты применения новой технологии отработки залежи мергеля стимулировали компанию Ash Grove Cement в 2005 г. к приобретению дополнительного комбайна этой же модели.

Цементный завод, перерабатывающий мергель, работает по непрерывному графику - 24 часа в сутки. Так как режим работы карьера (10 восьмичасовых смен в неделю: по две смены в течение первых трех дней недели, по одной смене - в остальные четыре дня недели) не совпадает с заводским, то для выравнивания пиковых колебаний в подаче известняка из карьера на заводе создан буферный склад семидневной потребности в сырье.

В настоящее время два комбайна Wirtgen SM 2500 обеспечивают годовую производительность до 1750 тыс. т мергеля (до 1200 т/час). Затраты на 1 тонну мергеля (при расходе резцов 10-12 шт. в неделю) составляют 0.91 долл. США.

Опыт использования комбайнов Wirtgen 2200 SM на карьере цементного сырья ОАО «Кавказцемент» (Россия)

В 2006 году впервые в цементной промышленности России была реализована безвзрывная тонкослоевая технология горных работ с применением трех комбайнов Wirtgen Surface Miner модели 2200 SM.

ОАО «Кавказцемент» является одним из крупнейших поставщиков цемента для потребителей Центрального и Южного регионов, а также России и ближнего зарубежья.

В последние годы, в связи с ростом цен на оборудование, материалы и услуги, резко повысились производственные затраты. В связи с этим задача снижения издержек произ-
водства выдвинулась в ряд весьма актуальных и обусловивших изыскание низко затратных технологий горных работ.

На сегодня около 50% в себестоимости добычи известняка - сырья для производства цемента составляют расходы на буровзрывные работы. Также высоки затраты и на дробление сырья.

Одним из современных направлений коренной модернизации технологии горных работ для карьеров цементного сырья представляется применение горных комбайнов - комбинированных машин, сочетающих операции подготовки, выемки, дробления горных пород и их погрузки в транспорт. Переходу на новую технологию предшествовали опытно-промышленные работы, направленные на определение технологической возможности и экономической целесообразности разработки месторождений цементного сырья комбайнами Wirtgen Surface Miner с установлением рациональных параметров технологии и эксплуатационной производительности. Для этого на горизонте 720 м была выбрана площадка-забой, расположенная вдоль северной и восточной границ карьера. Работы были начаты с высоких отметок площадки. В этом районе площадка представляла собой косогор (превышение над отметкой 720 м до 2.8 м). Подошва вышележащего уступа была не проработана взрывом, поэтому микрорельеф оказался очень сложным.

В начальный период комбайн Wirtgen 2200 SM работал короткими проходами, что диктовалось необходимостью выравнивания рельефа поверхности рабочей площадки и создания забоев-площадок с максимальными размерами, позволяющими использовать комбайн с высокой эффективностью и минимумом маневров. Первоначальная длина составляла около 200 м, а ширина около 30 м.

Совместно с комбайном использовались автосамосвалы грузоподъемностью 27-30 тонн и 40 тонн. По мере наработки навыков совместной работы время на замену автосамосвалов у комбайна уменьшалось от 0.8-1 минуты до 10-15 сек.

В результате постепенного выравнивания микрорельефа поверхности забоя-площадки комбайн получил возможность работать с максимальной глубиной резания, что не замедлило отразиться на снижении времени загрузки автосамосвалов (грузоподъемностью 27-30 т) с 3.83 и 3.72 мин до 2.6 и 2.56 мин.

Выполненные замеры фракционного состава известняка, добытого комбайном, показали, что при различных эксплуатационных параметрах работы комбайна и при различной толщине резания слоев известняка около 85-95% горной массы имеют кусок менее 50 мм, что позволяет до минимума снизить затраты на дальнейшее дробление.

По мере понижения горных работ в карьере возникли две проблемы, осложнившие работу комбайнов - повышенная обводненность (особенно в период дождей в октябре-ноябре 2005 г.) и увеличенный выход мергеля, значительно превышающий потребное его количество. Обводненный мергель налипал на рабочие поверхности нижней конструкции камеры рабочего барабана, что затрудняло ее очистку и приводило к простоям комбайна. Наличие больших луж на поверхности забоя так же препятствовало бесперебойной работе комбайнов. По ряду организационных причин простои в ожидании запасных частей были значительными.


После обсуждения сложившейся ситуации с представителями фирмы Wirtgen был предпринят ряд организационных, технических и технологических мер.

• Во-первых, на борту карьера было установлено лазерное устройство, управляющее глубиной фрезерования и наклоном рабочего органа для придания общего уклона (~2%) рабочей площадки-забоя. Эта мера позволила идеально выровнять микрорельеф площадки-забоя, создать общий уклон для удаления воды самотеком и ликвидировать на поверхности рабочей площадки-забоя застоя воды (луж).

• Во-вторых, совместно со специалистами предприятия изменена нижняя конструкция рабочей камеры и улучшены условия очистки нижней конвейерной ленты.

• В третьих, создан опережающий (резервный) склад запасных частей.

Все это позволило довести производительность комбайна в различные периоды в зависимости от горно-геологических условий, до 2.5-3.5-4.0 тыс.т за 12-часовую смену (до 100-160 тыс.т в месяц).

Накопление опыта комбайновой выемки известняков и отработка эксплуатационных параметров комбайнов с уче-
том возросшей потребности в сырье, позволили в августе 2006 года осуществить закупку третьего комбайна Wirtgen 2200 SM.

Достигнутые показатели месячной наработки комбайнов и их производительность за период с августа 2005 г. по декабрь 2006 г. иллюстрируются графиками на рис. 1.


Анализ графиков показывает, что при годовой наработке в 4.6-4.9 тыс. машино-часов комбайны №210 и №240 достигли производительности по 1.1 млн. тонн.

За пять месяцев эксплуатации (с августа по декабрь) комбайн №253 добыл около 660 тыс.тонн.

В целом к концу 2006 года по безвзрывной технологии было добыто свыше 3.4 млн. тонн известняка, в том числе 0.5 млн.т - в 2005 году.

Приобретение третьего комбайна создало определенный резерв мощности карьера по добычным работам, что позволяло в случаях выхода из строя одного из комбайнов надежно и бесперебойно обеспечивать цементный завод сырьем.

В связи с понижением забоя гор. 720 м и ухудшением качества известняка было решено ввести в разработку запасы, расположенные на 80-90 м выше и начать разнос оформленного борта карьера, так как там расположены запасы высококачественных известняков.

Журнал "Горная Промышленность" №1 2007