Некоторые технологические особенности работы комбайнов Wirtgen Surface Miner на открытых разработках

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

Комбайны Wirtgen Surface Miner обеспечивают при открытой разработке месторождений полезных ископаемых выполнение основных процессов горного производства одним механизмом: отбойку горных пород от массива, получение куска горной массы не требующего последующего крупного и частично среднего дробления, и, при соответствующих схемах работы, погрузку в транспортное средство измельченной горной массы в процессе движения комбайна.

Многолетняя практика использования комбайнов Wirtgen показывает, что наибольшая эффективность их применения при непрерывном выемочно-погрузочном цикле достигается в случае четкой и ритмичной работы автотранспортных средств (автосамосвалов). В настоящее время на некоторых карьерах и разрезах находят применение схемы, где комбайн укладывает горную массу в штабели или «валки» с последующей ее отгрузкой комплексом «погрузочное средство автосамосвал». Xарактеризуясь возможностью непрерывной работы комбайна без простоев в ожидании транспортного средства, эти схемы имеют и целый ряд недостатков, связанных, в первую очередь, с необходимостью переэкскавации горной массы и наличия дополнительного погрузочного средства, а иногда и бульдозера. Тем не менее в определенных горно-технических условиях подобные схемы могут оказаться наиболее приемлемыми. В настоящей статье на конкретных примерах анализируются условия, предопределившие необходимость применения технологических схем разработки месторождений с использованием комбайнов Wirtgen и укладкой ими горной массы в штабели или «валки».

В начальный период работы комбайна пытались применять схему с прямой погрузкой автосамосвалов, однако, их габариты (высота кузова около 4.3 м при его длине около 7 м) не позволяли комбайну с передним расположением конвейера удовлетворительно их загружать. Приходилось погрузку осуществлять в частично поднятый кузов автосамосвала. Это занимало продолжительное время, а в условиях недостаточного количества транспортных средств, к снижению требуемого грузопотока. В результате было принято решение о переходе на схему работы комбайна с боковой отсыпкой горной массы в штабель из трех смежных полос (рис. 1).

Из штабеля боксит отгружается колесным погрузчиком CAT-992D на большегрузные автосамосвалы CAT-777 различных модификаций.

Разработка бокситов в Гвинее

В марте 2003 года руководство фирмы Alumina Company of Guinea SA. было принято решение о проведении опытно-промышленных работ с использованием горного комбайна Wirtgen Surface Miner модели 2200 SM. Основной целью работ являлось установление возможности и целесообразности применения безвзрывной технологии при разработке бокситов района Фрии (Гвинея). До этого на руднике Кимбо при разработке бокситов применялась традиционная технология ведения горных работ с использованием буровзрывного комплекса и колесных погрузчиков на выемочно-погрузочных работах. В качестве подвижного состава применялись автосамосвалы грузоподъемностью около 100 т.

Рис. 1 Схема организации работ при использовании комбайна 2200 SM на складировании боксита в штабель для последующей отгрузки на фабрику колесным погрузчиком. а, б, в положение комбайна при отработке соответственно первой, второй и третьей полос; I, II, III последовательность рабочих проходов комбайна

При такой организации работы комбайн используется только на разработке массива и сооружении штабеля, работая непрерывно, не имея простоев за счет ожидания самосвалов и их маневров при установке под погрузку, что по данным практики позволяет на 20% повысить производительность работы комбайна.

Разработка горючих сланцев на разрезе KIVI0LI (Эстония)

В октябре 2004 года на разрезе был выполнен комплекс опытно-промышленных работ с целью установления принципиальной возможности и целесообразности использования комбайнов Wirtgen Surface Miner при разработке полезной толщи горючих сланцев, представленной переслаивающимися тонкими пластами кондиционных и некондиционных горючих сланцев, а также тонких слоев известняка.

В настоящее время горные работы на разрезе ведутся по безвзрывной технологии с использованием мобильного оборудования. Основными выемочными машинами являются гидравлические экскаваторы Komatsu модели РС-750 и PC-750LC с ковшом вместимостью 4.8 м3, а также колесный погрузчик WA-600 с ковшом емкостью 10 м3. Совместно с этим оборудованием применяются рыхлительно-бульдозерные агрегаты на базе тракторов Komatsu модели 175А и 375А.

Полезная толща отрабатывается двумя подус-тупами: первый включает пачки сланца Fj, Е и D и пачку известняка D/E, второй пачку известняка C/D, пачки сланца В—С и пачку известняка В/С. Внешняя вскрыша представлена четвертичными отложениями (около 1 м), рыхлыми мелкоплитчатыми известняками мощностью от 0.7 до 1.36 м, перемежающимися некондиционными пачками сланцев G и H мощностью 0.2-0.3 м каждая. Применяемая техника и технология отличается многооперационностью и ограниченными возможностями в части селективной выемки.

Рис. 2 Схема организации работ при использовании комбайна 2200 SM на складировании горючего сланца в «валки» и удалении внешней вскрыши в выработанное пространство комбайном 2500 SM

Фирмой Wirtgen International GmbH на разрез KiViCbi был доставлен горный комбайн модели Wirtgen 2200 SM.

В процессе работ на южном фланге разреза вдоль рабочего борта была пройдена траншея, вскрывшая сланцевые пачки F и Е на первом добычном подуступе. Для этих целей была выбрана площадка размерами по поверхности около 100X22 м.

Удаляемые породы представляли собой перемежающиеся пачки известняка и некондиционных сланцев прочностью 20-40 МПа, которые одинаково легко разрабатывались комбайном. Рабочая скорость комбайна составляла 9-12 м/мин. Нижележащая пачка известняка, несмотря на несколько большую прочность (45-55 МПа) также разрабатывалась без проблем слоями 0.20-0.25 м (пять слоев). При этом рабочая скорость составляла 5-8 м/мин, а производительность около 130 м3/час.

После понижения площадки на глубину около 0.60 м для увеличения интенсивности углубки траншеи и быстрейшего достижения кровли пласта пачки F ширина по поверхности была уменьшена до 10 м. Образовавшаяся полка шириной 12 м впоследствии использовалась для организации кольцевой схемы заезда автотранспорта в траншею, а также для размещения на ней фрезеруемой горной массы конвейером комбайна.

В процессе работ по обе стороны траншеи на имеющуюся поверхность из ближайших 2-3 полос конвейером комбайна удаляемые породы отсыпались в штабели, откуда бульдозерами или погрузчиком перемещались в выработанное пространство.

В результате за три с половиной дня (33 моточаса) была пройдена траншея глубиной около 3 м и при этом удалено около 4.5 тыс.м3 пород. Производительность комбайна по различным пачкам пород в зависимости от мощности фрезеруемого слоя составляла от 127 до 224 м3/час. Длина фронта горных работ по кровле пачки F составила 120 метров. Работы велись по челноковой схеме. Время, затрачиваемое на холостой пробег комбайна, составляло в среднем около 2 мин, т.е. холостой пробег осуществлялся на высокой скорости (до 50 м/мин).

Таким образом, примененная схема работ комбайна с боковой отсыпкой горной массы в штабели позволила обеспечить высокую скорость углуб-ки при вскрытии кондиционной пачки сланцев. Последующая проработка технологии горных работ с использованием комбайнов Wirtgen Surface Miner показала высокую эффективность ведения вскрышных и добычных работ на разрезе КМФ.1. На рис. 2 приводится принципиальная схема работ с использованием при удалении вскрышных пород комбайна модели 2500 SM и на добыче комбайна модели 2200 SM с укладкой добываемого горючего сланца в «валки» для последующей отгрузки его на переработку колесным погрузчиком. Предполагаемое применение схемы работы комбайна с укладкой в «валки» объясняется желанием получать более крупный кусок сланца в забое.

Добыча гипса на руднике Eagle Mine

Компания American Gypsum на руднике Eagle Mine ежегодно добывает 600 тыс.т гипса с целью обеспечения сырьем расположенного рядом завода по производству стеновых плит. Особенностью горно-геологических условий месторождения является невыдержанная мощность рудных тел поперек карьерного поля и рассеченность полезной толщи прослойками пород светло-коричневого цвета, визуально выделяемых на фоне белого гипса. Это позволяет селективно удалять пустую породу и обеспечивать действенный контроль качества. Применение комбайна 2200 SM в условиях необходимости селективной выемки позволило резко увеличить производительность.

Разработка ведется тонкими слоями 15-20 см. В зависимости от крепости пропластков гипса рабочая скорость комбайна изменяется от 7.5 до 11 м/мин, достигая 18 м/мин в мягком материале. При этом производительность комбайна составляет 350-400 т/час.

Комбайн 2200 SM работает параллельными проходами по схеме "windrows", укладывая отфрезерованный материал сзади по ходу движения в валки шириной 1-1.2 м.

На разработке «валков» используются два колесных погрузчика, которые осуществляют раздельную выемку гипса и пустых пород с укладкой их в раздельные конусообразные штабели, из которых этими же погрузчиками по мере необходимости материал отгружается на трейлеры с донной разгрузкой. Используется 5 полуприцепов на тракторах, которые в год перевозят около 1 млн. т гипса и пустых пород.

Таким образом, комбайн работает независимо от автосамосвалов и колесных погрузчиков. В зимний период с целью поддержания гипса в сухом состоянии не исключается работа комбайна в комплексе с автосамосвалами.

Одной из причин использования комбайна Surface Miner является стремление применять безвзрывные технологии, что объясняется близостью городов Gypsum и Eagle и автотрассы I-70. Взрывные работы, вследствии отрицательного их воздействия на окружающую среду, были значительной проблемой.

Другим преимуществом использования комбайна Surface Miner является возможность постоянного контроля над поверхностью карьерных автодорог и дренажом. При этом ровная поверхность рабочих площадок значительно сокращает износ шин автосамосвалов и колесных погрузчиков. Кроме того, конструкция комбайна Surface Miner способствует созданию устойчивых откосов, которые сохраняются в процессе ведения горных работ и рекультивации на новом, прилегающем к карьеру, участке. Возможность фрезерования по радиусу позволяет комбайну Surface Miner создавать достаточно крутые откосы уступов высотой 12 м при ширине берм безопасности в 3 м.

Разработка угольных месторождений в Индии

Интересным представляется опыт угольной промышленности Индии в освоении и расширении применения тонкослоевой безвзрывной технологии горных работ с использованием комбайнов Surface Miner, где в настоящее время работают 17 комбайнов моделей 2100 SM и 2200 SM.

Наряду с решением задач расширения сырьевой базы за счет осуществления безвзрывной разработки законсервированных ранее участков месторождений, были обоснованы условия селективной разработки сложно-структурных угольных месторождений Индии.

Первоначально четыре комбайна Surface Miner модели 2100 SM были введены в эксплуатацию на горнодобывающих предприятиях угольной провинции Mahanadi, принадлежащих компании Mahanadi Coalfields Ltd., одном из крупнейших отделений India Coal Ltd.

Первый комбайн поступил на месторождение Lakhanpur в июне 1999 года. После того, как эта машина продемонстрировала свою технологичность и работоспособность, в январе 2000 года был закуплен второй комбайн, который увеличил объемы производства.

Пласт на месторождении Lakhanpur характеризуется сложной полосчатой структурой. Знакомство с колонкой скважины детальной разведки показало, что пласт состоит из 44 слоев-полос, двенадцать из которых представлены углем, 19 сланцевым углем, 12- карбонизированными сланцами и один слой песчаником. Мощность прослойков и слоев изменяется в пределах 0.05-2.78 м, составляя в среднем 0.45 м.

В первый период размеры подготовленного для работы комбайнов участка составляли 170-300 м в длину и 40-80 м в ширину. Вскрыша была удалена. Комбайн работал по схеме с разворотом в конце рабочего прохода и фрезерованием в обратном направлении. Ориентировочно длина прохода в одном направлении изменялась от 160 до 200 м при общей длине участка 300 м. По мере отработки с одной стороны площадки образовывался откос высотой 15-20 м, а с двух боковых сторон осуществлялись работы по закруглениям.

Комбайн работал без погрузки. В процессе фрезерования горная масса выпускалась сзади по ходу комбайна через открытые дверцы рабочей камеры и, в результате, образовывался непрерывный «валок», откуда впоследствии колесный погрузчик грузил уголь на автосамосвалы. Комплекс «колесный погрузчик автосамосвалы» принадлежал потребителю угля.

По мнению специалистов предприятия, работа комбайна с непосредственной погрузкой автосамосвала ограничивает его производительность, увеличивая время простоев в ожидании и при установке автосамосвалов под погрузку. Этот недостаток ухудшает использование комбайна и, в конечном итоге, сокращает производительность. При работе «в валки» комбайн более независим и это делает его в условиях разреза более экономичным, несмотря на необходимость использования дополнительного механизма колесного погрузчика.

Повторный комплекс исследований проводился в 2001 году. В этот период размеры площадок под комбайны были увеличены и составили в длину от 170 до 560 м.

Ограниченные размеры рабочей площадки предопределяли на предыдущей стадии замеров потери времени, главным образом, на маневры и установку комбайна на забой, которые составляли 14.2% времени смены. С увеличением площади под отработку комбайнами время на выполнение маневров сократилось до минимальных значений. В результате, за счет увеличения размеров рабочих площадок в течение двухлетнего периода достигнут рост производительности на 23%.

Выполненные в 2001 году исследования подтвердили высокую работоспособность и производительность новой техники и показали, что комбайн модели 2100 SM в условиях разреза Lakhanpur может обеспечивать производительность 475 т/час. С учетом плановых простоев и выполнения ТО производительность составляла 398 т/час.

Затраты по традиционной технологии горных работ (бурение, взрывание, погрузку, транспортирование и дробление) на разрезе Lakhanpur составляли 60.66 рупии/м3 (37.91 рупии/т). При новой технологии с использованием комбайнов (включая погрузку и транспорт) эти затраты составляют, соответственно, 62.32 рупии/м3 или 38.95 рупии/т. Однако, благодаря лучшему качеству угля, добываемому комбайнами, предприятие получило дополнительный доход на 1 тонне угля в размере 15.32 рупии.

После ввода в июне 1999 года в эксплуатацию комбайна Surface Miner, доля угля, добытого в марте 2001 года по технологии селективной выемки, выросла до 96% общего количества. В течение этого периода прибыль от работы комбайна составила 239 млн. рупий или 5.6 млн. Евро, что обеспечивалось лучшим качеством добываемого по новой технологии угля.

На двух других разрезах, принадлежащих Mahanadi Coalfields Ltd., были получены аналогичные результаты.

Изучение первого опыта использования комбайнов показало, что задачи по улучшению качества успешно решаются, законсервированные ранее запасы угля вовлечены в разработку, улучшены технико-экономические показатели горного производства.

Размеры куска горной массы, получаемого в процессе работы комбайна, значительно меньше по сравнению не только с традиционными буровзрывными работами, но и другими механическими методами, такими как, например, механическое рыхление.

При разработке угольных месторождений комбайны класса 2100 SM или 2200 SM обеспечивают возможность производства конечного продукта менее 100 мм. Однако при этом отмечается небольшой процент выхода кусков более 100 мм, особенно на низкокачественном угле и сланце, которые попадают в товарную продукцию. Применение комбайнов сокращает потребность в дроблении и обеспечивает получение готовой для реализации продук-

ции. Благодаря получению мелкофракционного материала, увеличивается коэффициент использования грузоподъемности автосамосвала, сокращая этим транспортные расходы. Работа комбайнов обеспечивает ровную гладкую поверхность рабочих площадок, сокращая этим износ агрегатов подвижного состава.

При разработке угля комбайны Surface Miner работали плавно без вибрации, демонстрируя возможность безвзрывной разработки угольного месторождения, осуществляя селективную выемку и обеспечивая высокое качество продукции. Некоторые проблемы с вибрацией возникали при разработке крепкого песчаника.

Опыт, накопленный в Lakhanpur при ведении селективной выемки, продемонстрировал преимущества новой технологии горных работ для Mahanadi Coalfields, где имеются запасы угля невысокого качества, что обусловливается сложной структурой и наличием большого количества прослойков пустых пород, секущих полезную толщу. Селективная выемка с помощью комбайнов Surface Miner повышает интенсивность производства при выдаче угля повышенного качества. В дополнение к этому повышается экономическая эффективность производства и сокращается количество операций горного производства.

Анализ представленного опыта использования комбайнов Wirtgen с укладкой ими горной массы в штабели или «валки» позволяет выделить две основные схемы ведения выемочно-погрузочных и последующих транспортных работ:

• боковая отсыпка отфрезерованной горной массы в штабели, которая может осуществляться при отработке комбайном нескольких параллельных полос с размещением сырья для целей усреднения в одном штабеле. Последующая отгрузка сырья из штабеля комплексом «погрузочное средство автосамосвал»;

• выпуск материала сзади по ходу движения комбайна из рабочей камеры фрезерного барабана с образованием т.н. «валков» (windrows). Последующее штабелирование материала бульдозером и отгрузка сырья комплексом «погрузочное средство автосамосвал».

При разработке вскрышных пород первую схему удобно применять при проходке траншей или съездов, с размещением пород на борту траншеи или за контуром карьера, а также при недостатке транспортных средств из-за небольшого грузопотока. Комбайн работает непрерывно. Нет потерь времени на ожидание автосамосвалов.

При ведении добычных работ по первой или второй схемам имеется возможность создания склада в карьере с целью шихтовки и действенным управлением качеством сырья перед подачей на переработку. Необходимо учитывать, что применение этих схем требует переэкскавацию горной массы и использование дополнительного погрузочного средства.

Журнал "Горная Промышленность" №1 2005