Опыт эксплуатации карьерных комбайнов SM фирмы WIRTGEN на гипсовых карьерах мира

При разработке месторождений полезных ископаемых, представленных скальными и полускальными породами, традиционным является буровзрывной способ подготовки горных пород к выемочно-погрузочным работам. Наряду с определенными преимуществами, буровзрывные работы имеют ряд недостатков, важнейшими из которых является значительная опасность ведения горных работ, как по сейсмике, повышенному пыле и газовыделению, так и по разлету осколков. Одновременно при разработке разнопрочностных массивов, какими в основном представлены гипсовые месторождения, качество взрывания низкое и высок выход негабарита. Весьма важными являются также вопросы чистоты и полноты выемки полезных ископаемых из недр.

Невозможность обеспечить традиционной горной техникой тонкослоевую выемку приводит к тому, что в настоящее время значительные по мощности (0.5-3.0 м – в зависимости от горно-геологических условий) слои с резко худшим качеством или вообще пустые породы включаются в полезную толщу.

Одновременно при отработке полезного ископаемого выемка без потери качества невозможна, в результате чего при традиционной технологии в процессе подсчета запасов слои потенциально полезного ископаемого относятся к низшему сорту или вообще считаются некондиционными. При этом ограниченные возможности раздельной выемки тонких породных слоев приводят к валовой отработке сложных в структурном отношении месторождений или отработке с невысокой глубиной селекции, сопровождающейся значительным повышением потерь и разубоживания.

Новая технология начала реализовываться в середине 80-х годов, когда на карьерах мира начали эксплуатироваться горные комбайны Surface Miner фирмы WIRTGEN GmbH (Германия), эффективно осуществляющие безвзрывную разработку массивов скальных горных пород, характеризующихся пределом прочности при сжатии до 100-120 МПа (одновременно имеется информация об обработке слоев пород и большей крепости – до 200 МПа).

Способность разработки массива тонкими слоями (от 5-10 до 60 см в зависимости от типоразмера комбайна) с точностью до ±1 см, с одновременной погрузкой горной массы через консольный разгрузочный конвейер, позволяет не только обеспечить поточность разработки, улучшить качество добываемого полезного ископаемого за счет сокращения засорения вскрышными породами, сократить до минимума потери, но также сократить затраты на дробление.

Анализ результатов первых лет эксплуатации горнодобывающих предприятий по новой технологии с использованием горных комбайнов фирмы WIRTGEN GmbH свидетельствует об эффективности новой технологии.

На карьерах по добыче известняка, доломита, песчаника и гипса в Италии, Югославии, ЮАР, Австрии и СНГ наряду с решением экологических проблем (отказ от БВР позволил освоить участки месторождений, расположенные вблизи от жилых и промышленных зданий и сооружений), снижены затраты на горных работах, а также на дроблении.

Одним из первых горнодобывающих предприятий, начавших в конце 1984 г. освоение новой технологии был карьер фирмы RHINO GYPSUM INDUSTRIS (ЮАР), поставляющий высокосортный гипс для цементной промышленности. Годовая производительность карьера составляет 250 тыс.т. До перехода на новую технологию применялись буровзрывные работы в комплексе с колесными погрузчиками, бульдозерами и автосамосвалами. Сырье автосамосвалами доставлялось на дробильный завод, откуда железнодорожным транспортом поставлялось потребителю. После начала работ комбайна WIRTGEN 1900SM отпала надобность в последующем дроблении, так как фракционный состав гипса удовлетворял требования потребителя и составлял: 90<%30 мм, 8%<40 мм и только 2% объема >60 мм. Производительность комбайна для обеспечения потребности потребителя в среднем составляла около 160 т/час. В отдельных случаях при необходимости обеспечивается производительность на уровне 220 т/час. Интересными представляются данные по себестоимости 1 т гипса, приведенные в таблице 1.

Накопленный опыт эксплуатации карьера по новой технологии позволяет сделать вывод, что наряду с экономическими преимуществами, обеспечено значительное повышение безопасности ведения работ, сохранность подвижного состава со снижением затрат на ремонты. Высокая мобильность комбайна позволяет перемещать его из забоя в забой при необходимости добычи различных сортов гипса из различных по качеству пластов.

На гипсовом карьере в Иране работает комбайн WIRTGEN 1900SM. При односменном режиме работ и 10-ти часовой смене обеспечивается производительность 1000 т в смену. Себестоимость 1 т составляет 1-1.5 DM при месячных затратах на эксплуатацию 25-30 тыс. DM.

Впервые технология тонкослоевой выемки на территории СНГ была реализована в 1989 году, когда на гипсовом карьере Сауриешского комбината строительных материалов начал эксплуатироваться комбайн фирмы WIRTGEN GmbH модели 21OOSM, который работает по настоящее время. Месторождение, расположенное на окраине г. Риги, характеризуется переслаиванием пластов гипса мощностью 0.2-1.6 м пропластками мергелистых глин и доломитов мощностью 0.1-1.5 м. Буровзрывные работы не обеспечивали требуемой селекции. Кроме этого близость жилых строений обусловливала ограничения на ведение горных работ. Одновременно значительное количество запасов при существующей технологии было отнесено в охранные зоны. С переходом на тонкослоевую выемку с использованием комбайна были решены вопросы резкого улучшения экологии города, улучшилось качество сырья, а также технико-экономические показатели работы предприятия.

Прочность гипсов на сжатие составляет 30-40 МПа, доломита – 160 МПа. Данные по замерам фракционного состава приведены на рис. 1.

Время погрузки автосамосвала КрАЗ-256 изменялось в пределах 2.2-2.9 мин. Рабочая скорость комбайна изменялась в пределах 4-6.3 м/мин. При этом его производительность, обеспечивающая потребность производства, составляет 900 т/см. Расход резцов изменялся от 3-4 на 1000 т по чистому гипсу до 6-5 на 1000 т по пластам с включением прослойков доломита. Расход дизельного топлива составлял в среднем 56 л/час.

В августе 1991 г. на гипсовом карьере Gacki (Польша) проводились испытания комбайна модели 1900SM. Месторождение представляет собой залежь мощностью около 30 м. Прочность гипса 30-80 МПа.

Совместно с комбайном использовались автосамосвалы грузоподъемностью 11 и 14 т. Среднее время погрузки каждого соответственно составляло 7.4 и 9.1 мин. Производительность комбайна в зависимости от эксплуатационных параметров (длины рабочего хода, скорости при фрезеровании и схемы погрузки) изменялись в пределах 90-200 т/час. Параметры рабочего блока, где проходили испытания составляли 120х30 м. Скорость рабочего хода изменялась от 2.8 до 5.2 м/мин.

Данные по фракционному составу гипса, добытого комбайном при различных скоростях движения приводятся на рис. 2.

На гипсовом руднике Briar Gypsum (Nashville, США) в июне-июле 1995 г. проводились демонстрационные испытания комбайна 2100SM, целью которых было изучить эксплуатационные параметры работы комбайна (глубину фрезерования, рабочую скорость, производительность при погрузке в большегрузные автосамосвалы), а также фракционный состав добываемого гипса.

При планируемой реконструкции фирма BRIAR ориентируется на добычное оборудование непрерывного действия (комбайны). Основными факторами в пользу этого решения являются следующие:

1. Исключение буровзрывных работ. Использование ВВ стало еще более проблематичным после катастрофы в Оклахома Сити.

2. Применение селективных методов добычи, что позволит значительно повысить качество добываемого гипса и обеспечит завод по производству панелей более качественным сырьем (содержание 95-98%).

3. Использование комбайна в качестве дробильного и погрузочного оборудования производительностью более 350 т/час или 2000 т/сутки, что позволит отказаться от такого оборудования, как буровые станки, гидравлические экскаваторы и дробилки.

4. Повышение использования грузоподъемности пятидесятитонных самосвалов (в работе находятся три машины).

5. Осуществление операций, значительно упрощающих рекультивацию отработанных участков в карьере.

Месторождение Briar представлено тремя основными пластами гипса мощностью сверху вниз 1.4; 1.7 и 2.6-2.8 м, разделенными двумя пластами глины с прослоями известняка мощностью 0.6 м (между двумя верхними пластами) и 4.5 м между вторым и третьим. Работы велись на пласте 3, который ранее отрабатывался валово и на котором при новой технологии удалось селективно извлечь слой глины мощностью 0.45 м, что позволило повысить качество добываемого гипса.

При разработке первых 1.2 м комбайном была обеспечена производительность на уровне около 400 т/час. При этом автосамосвалы грузоподъемностью 48 тонн грузились в среднем за 6-7 минут. Таким образом, за смену без особых проблем загружалось 32-33 самосвала, что соответствовало примерно 1500 т гипса в смену и удовлетворяло потребность завода в сырье.

По мере понижения работ и приближения к пласту глины отработка следующих 7-8 слоев гипса оказалась более сложной из-за наличия крепких разностей гипса. Рабочая скорость комбайна понизилась. Однако после того, как операторы комбайна и водители самосвалов приобрели достаточный опыт, производительность вновь возросла. После снятия пласта глины столкнулись с еще более крепким материалом. Гипс под пластом глины оказался более чистым и плотным. На этом участке рабочая скорость комбайна снизилась до 5.5 м/мин. Это соответствует примерно погрузке 20 самосвалов в смену, что значительно ниже минимальной потребности завода Briar, составляющей 32 груженых самосвала за смену.

После замены резцов с диаметром твердосплавной вставки 17.5 мм на меньший типоразмер (15 мм) отмечено повышение рабочей скорости до 6-7.6 м/мин, что позволило увеличить количество загружаемых за смену самосвалов до 22-25. Тем не менее, обеспечить минимальный необходимый уровень добычи сырья не удалось. Дальнейшим путем повышения производительности мог быть переход на еще меньший типоразмер резцов, однако время испытаний было ограничено.

В настоящее время рассматривается возможность применения комбайна Wirtgen 3500 SM.

Одновременно при различных режимах работ и различном рабочем инструменте был изучен фракционный состав добываемого гипса и установлено, что большое влияние на грансостав материала оказывает глубина фрезерования и рабочая скорость комбайна при разработке массива. На рис. 3 приводятся данные по фракционному составу.

Износ резцов в первые восемь дней (12 часовые дневные смены) не отмечен. Гипс был пронизан многочисленными тонкими прослойками глины, которые значительно облегчают резание рабочим органом комбайна массива при весьма незначительном сопротивлении и износе режущего инструмента.

По имеющимся данным, пласты 1 и 2, а также нижняя часть пласта 3 представлены более твердым материалом.

По мнению специалистов фирмы Briar комбайн для открытых горных работ фирмы WIRTGEN отвечает всем ее требованиям, поэтому фирма планирует приобрести две такие машины. Одна из машин – 2100 SM будет использована для зачистки кровли гипса (удаление последних 0.25-0.3 м вскрышных пород), а вторая – комбайн 3500 SM – для осуществления основного объема добычи.

В 1996 году на одном из участков Мамаджургатинского месторождения гипса, эксплуатируемого АО «Бухарастройматериалы» (Узбекистан) началась реализация безвзрывной технологии горных работ с применением комбайнов Wirtgen Surface Miner.

Залежи гипса представлены сложно структурными пластами малой и средней мощности. В полезную толщу при подсчете запасов включены прослои карбонатных пород, которые ухудшают качество и снижают сортность товарной продукции. В этих условиях применяемая в настоящее время горная техника, имеющая ограниченные возможности при селективной выемке, не позволяет качественно отработать запасы высокосортного сырья.

Одновременно при разработке разнопрочностных массивов, какими в основном представлены гипсовые месторождения, качество взрывания низкое и высок выход негабарита. Это подтверждается анализом структуры затрат предприятия, где основным элементом в себестоимости добычи гипса (в 1996 г. около 91%) являются расходы на производство буровзрывных работ, которые осуществляются подрядным способом.

Все это предопределило поиск новых технологий горных работ, позволяющих значительно улучшить качество сырья и снизить затраты.

В связи с необходимостью скорейшего изучения вопросов о целесообразности применения безвзрывной разработки гипсов первоначально было принято решение о проведении испытаний дорожной фрезы модели WIRTGEN 2000 VC с мощностью двигателя 298 KW и максимальной глубиной фрезерования до 150 мм.

Основной целью опытно-промышленных работ являлось определение принципиальной возможности и эффективности безвзрывной разработки горных пород, слагающих месторождение гипса, влияние тонкослоевой селективной выемки гипса и вмещающих пород на качественные показатели конечной продукции, а также определение технологических и рациональных эксплуатационных параметров работы комбайна и новой технологии.

Для решения этих задач был выбран карьер, где горные работы были закончены в середине 70-х годов, но ниже дна карьера были оставлены запасы высококачественного гипса (слой мощностью около 4-5 м).

Дно карьера, представлявшее собой поверхность рабочей площадки для работы комбайна, повсеместно было осложнено значительными неровностями с перепадом высот от 0.3 до 1.5 м.

Первоначально для отработки была выбрана наиболее высокая часть рабочей площадки с размерами 70х40-50 м. Затем по мере понижения забоя и достижения одинаковых отметок размеры площадки увеличивались.

Совместно с комбайном использовались автосамосвалы КрАЗ-256 и БелАЗ-548 грузоподъемностью соответственно 12 и 42 т. Подготовка забоя к производительной работе, заключавшаяся в срезании отдельных бугров, оставшихся после некачественно проводимых ранее буровзрывных работ, заняла около 8 суток. В этот период время погрузки автосамосвалов КрАЗ-256 изменялось от 8.5 до 12.5 мин. После выравнивания забоев автосамосвал КрАЗ-256 грузился за 6.5-8 мин.

В процессе работ было отмечено значительное улучшение использования грузоподъемности автосамосвалов.

Груженые комбайном автосамосвалы перевозили вместо учетных 10 (при традиционной технологии) по 12-14 т, что объясняется мелкокусковым характером материала, обеспечиваемым комбайном при фрезеровании (90-95% менее 60 мм).

Время погрузки автосамосвала БелАЗ-548 составляло 18-19 мин. Исходя из достигнутых эксплуатационных параметров производительность комбайна составляла 80-100 т/ч.

После получения положительных результатов с указанным комбайном АО «Бухарастройматериалы» заключило с фирмой WIRTGEN INTERNATIONAL GMBH & CO.KG контракт о передаче в аренду горного комбайна WIRTGEN 2600 SM, с помощью которого были продолжены дальнейшие работы.

Начальные размеры площадки составляли 150х50-60 м. Совместно с комбайном использовались автосамосвалы КрАЗ-256 (одинарные) и с прицепом грузоподъемностью соответственно 12 и 12+14 т, а также БелАЗ-548 грузоподъемностью 42 т.

Первоначально применялись резцы типа W 47 K 17/5 LK 77, затем W 46 K 12/5 LK 77 с твердосплавными вставками 17.5 и 12.5 мм. За все время испытаний (около 120 часов), за которое было добыто и отгружено около 15 тыс.т гипса, не был заменен ни один резец. На 90 моточасе в соответствии с программой испытаний были установлены резцы типа W 46 K 12/5 LK 77. В табл. 2 представлен фракционный состав гипса, добытого комбайном WIRTGEN 2600 SM на карьере АО «Бухарастройматериалы».

В процессе испытаний происходило обучение специалистов предприятия приемам работы в различных условиях (при погрузке в различные транспортные средства, при выравнивании поверхности рабочей площадки, при профилировании автодорог, при работе комбайна у кромки откоса нижележащего уступа, при сооружении съезда на нижележащий уступ), а также техническому обслуживанию и ремонтам.

Производительность комбайна определялась исходя из чистого времени погрузки без учета затрат времени на вспомогательные операции, а также на организационные и непредвиденные простои. Обработка результатов хронометражных наблюдений показала, что лучшее использование комбайна достигается при погрузке автосамосвалов большей грузоподъемности. Так, при погрузке КрАЗов с прицепами суммарное время на установку под погрузку незначительно отличается от времени на погрузку КрАЗа без прицепа, так как основное время затрачивается на маневр и установку, а перестановка прицепа под погрузку после заполнения основного кузова автосамосвала занимает всего 2-4 сек. Также успешно комбайн работает с автосамосвалом БелАЗ-548. 

Журнал "Горная Промышленность" №1 1997