Эффективность применения машин типа КСМ в схемах поточного производства горных работ

В июне 1996 г. на разрезе «Талдинский» в Центральном Кузбассе введен в эксплуатацию первый в мировой практике  вскрышной экскаватор непрерывного действия КСМ-2000Р [1; 2; 3].

Накопленные к настоящему времени информации о технологических и энергосиловых возможностях выемочно-погрузочного оборудования этого нового вида весьма обнадеживают и позволяют прогнозировать эффективное применение машин типа КСМ в достаточно  широком диапазоне изменения прочностных свойств горного массива в технологических схемах безвзрывной его отработки.

Решающее преимущество машин типа КСМ заключается в том, что при их использовании набор высоты отрабатываемого уступа осуществляется вне зависимости от линейных параметров экскаватора. Высота отрабатываемого по безвзрывной технологии уступа в этом случае определяется количеством последовательно (сверху-вниз) экскавируемых слоев, каждый из которых по высоте не превышает расчетных значений высоты единичного слоя (применительно к КСМ-2000Р номинальная высота такого слоя составляет 2.9 м; при этом, в зависимости от прочностных свойств экскавируемого материала, изменяются не линейные параметры забоя, а путем изменения толщины стружки – производительность КСМ-2000Р).

Комплексные технологические и эксплуатационные испытания КСМ-2000Р продолжаются. В директивно задаваемых изменяющихся условиях эксплуатации КСМ-2000Р, непрерывно осуществляется сбор и систематизация данных, основываясь на которых планируются инженерные решения, направленные на модернизацию отдельных узлов и расширение сферы применения этого вида экскавационной техники.

В настоящее время КСМ-2000Р эксплуатируется в условиях сопряженной работы с карьерным автотранспортом (автосамосвалами типа «БелАЗ» грузоподъемностью 110 т).

При этом, конечно, очевидно противоречие между непрерывностью процесса экскавации материала при работе КСМ-2000Р и цикличным характером обмена транспортных сосудов под погрузкой.

Так, за 8 месяцев недоиспользование КСМ-2000Р по производительности, только в следствие недостаточности в обеспечении структуры механизации автотранспортом, укрупненно оценивается в 40-42%.

Расчеты показывают, что даже при многократном увеличении грузоподъемности сопряженно работающих автосамосвалов (например, 320 т для известных в мировой практике автосамосвалов под маркой Haulpak) непроизводительные затраты времени на обмен транспорта, его маневры в забое, уборку просыпей и прочее значительно (на 15-17%) сокращают коэффициент использования КСМ-2000Р по производительности.

Кроме того, необходимо учитывать и известный из теории открытых горных разработок постулат о высоких эксплуатационных издержках, связанных с применением колесного транспорта.

В этой связи предпочтительнее использование машин типа КСМ в комплекте с транспортными системами непрерывного действия. В целях исключения многократных и частых передвижек забойных конвейеров, связь между конвейерным трактом и экскавационной машиной реализуется посредством забойных перегружателей [2].

В каждом конкретном случае тип перегружателя (консольный или седельный) и его линейные параметры должны определяться в функции технологических параметров схемы, задаваемых темпов подвигания фронта и углубки горных работ.

В технологических схемах поточного производства, отстраиваемых в соответствии с принципом непрерывности процесса производства, представляется возможным достижение лучших экономических показателей и сокращение экологической нагрузки на окружающую среду, поскольку экскавация горного массива осуществляется без предварительной буровзрывной его подготовки.

Преимущества новых технологических решений послойно-полосовой отработки сложноструктурного массива с использованием машин типа КСМ убедительно иллюстрируются на примере технического предложения по отработке обособленного участка на разрезе «Талдинский» (рис. 1 и 2).

Здесь комплекс механизации непрерывного действия представлен двумя экскавационными машинами КСМ-2000Р, каждой из которых отрабатывается рабочая зона в 40 м по высоте. В забойной части технологические схемы для КСМ №1 и КСМ №2 – идентичны: из упомянутых 40 м отработка  осуществляется последовательно верхним (20 м) и нижним уступами (соответственно, при экскавации каждого из уступов отрабатывается не менее чем по 7 единичных слоев). Погрузка экскавируемой горной массы осуществляется на приемную консоль забойного перегружателя седельного типа. После отработки верхнего уступа в торце заходки КСМ-2000Р переходит к новому блоку, а приемная консоль перегружателя разворачивается в противоположную сторону. Далее эволюция схемы повторяется. Естественно, что передовой верхний уступ по фронту «опережает» нижний уступ.

После отработки верхнего и нижнего уступов забойный конвейер перемещается по фронту, но без изменения месторасположения по высоте рабочей зоны (из опыта эксплуатации карьерных конвейерных систем известно, что исключение переукладки забойных конвейеров по высоте рабочей зоны существенно продлевает их срок службы).

Расчетная производительность забойных конвейеров как верхнего (отметка до – 40 м), так и нижнего (до – 80 м) комплексов соответствует производительности каждой из машин КСМ-2000Р.

В торце заходок длиной до 1800 м горная масса из грузопотоков, формируемых каждой из экскавационных машин, аккумулируется в единый грузопоток с расчетной производительностью 4000 м3/час, передаваемой на конвейерно-отвальный комплекс в составе наклонного, магистрального, отвального конвейеров и отвалообразователя.

Известные методики определения эксплуатационной производительности комплекса поточной технологии позволяют прогнозировать годовую нагрузку в 15 млн.м3 горной массы в год. Численность обслуживающего персонала при этом не превысит 23 чел. Это означает, что планируемая производительность труда в 900 тонн на 1 чел. в месяц более чем в 4 раза превысит лучший достигнутый уровень на разрезе «Талдинский» при работе по традиционным цикличным технологиям, обеспеченным экскаваторо-автомобильной структурой механизации.

Ключевое преимущество предлагаемого технологического решения заключается в том, что единый комплекс оборудования позволяет производить не только вскрышные работы, но и осуществлять добычу угля (рис. 2). Это не только упрощает организацию работ, но и способствует улучшению результирующих технико-экономических показателей, поскольку нет необходимости в отчуждении оборотных средств на поздний период компенсации. Неритмичность добычи на участке нивелируется накопительным складом, откуда происходит отгрузка угля внешним потребителям.

Доставка экскавируемого угля из забоя на накопительный склад предполагается с использованием той же системы конвейеров, которая задействована при перемещении вскрышных пород на этапе «забой-магистральный конвейер». Путем устройства «перемещаемой вставки», грузопоток угля передается на конвейер, доставляющий полезное ископаемое на склад (рис. 1).

Эффективность работы комплекса при попеременном производстве вскрышных и добычных работ обеспечивается технологическими возможностями машин типа КСМ в схемах тонкослоевой выемки.

Фронтальное расположение рабочего органа определяет возможные способы отработки породно-угольного контакта поперечными или продольными заходками (рис. 3; 4 и 5).

На выбор того или иного способа селективной отработки горного массива, в первую очередь влияют принятое в технологической схеме подвигание фронта работ, ценность добываемого полезного ископаемого, наконец, – гипсометрия и геометрия залегания угольных пластов.

При работе машины типа КСМ продольными проходками, в том случае, если угол падения угольного пласта не превышает конструктивно допустимого уклона работы выемочно-погрузочной машины (для КСМ-2000Р эта величина составляет 5-6 град.), то при подвигании забоя по простиранию отрабатываемого массива реализуются наиболее благоприятные условия селективной выемки. Теоретически при этом потери полезного ископаемого исключены.

При углах падения угольного пласта, превышающих допустимые рабочие поперечный или продольный уклоны, соответственно, для условий поперечных или продольных проходов КСМ, неизбежно увеличение присечки породных «треугольников» (рис. 3) или соответствующей величины потерь угля. Причем, эти потери будут тем меньше, чем меньше высота отрабатываемого слоя.

Результаты графоаналитического анализа показывают, что в целях сокращения потерь угля при работе продольными проходами, когда угол падения пласта менее 45 град., возможны следующие варианты:

  • последовательное формирование и отработка пологого съезда (в пределах допустимого для КСМ продольного рабочего уклона). Тем самым, при соответствующей высоте единичного слоя, потери угля теоретически исключаются (рис. 4);
  • пологий съезд не формируется; производится отработка контакта поступательным движением КСМ с уменьшением высоты отрабатываемого единичного слоя. В этом случае неизбежны некоторые потери угля (или разубоживание полезного ископаемого), но зато существенно возрастает забойная производительность экскавационной машины за счет сокращения потерь времени на маневры оборудования в забое (рис. 5).

При углах падения угольного пласта от 45 до 85 град. потери полезного ископаемого на контакте «порода-уголь» практически исключены при соответствующем сокращении высоты единичного слоя, отрабатываемого машиной типа КСМ.

Принимая во внимание, что отработка вмещающих пород с пределом прочности на сжатие до 80-100 МПа (и, тем более, угольной залежи) производится без предварительной буровзрывной подготовки, добываемое твердое топливо практически не разубоживается.

Как показывают расчеты и результаты демонстрационных экспериментов по проверке возможности реализации в натурных условиях изложенного выше технологического регламента ведения селективной добычи, потери полезного ископаемого при углах падения пластов до 45 град. не превышают 3% для пластов продуктивной мощностью не менее 2.0 м; при углах падения пластов более 45 град. величина потерь сокращается до 1.5-2.0%.

Забойная производительность КСМ-2000Р в условиях демонстрационного эксперимента снижалась на 10-12%, что, конечно, компенсируется увеличением объема товарной продукции.

В условиях, когда по каким-либо причинам применение машин типа КСМ в комплекте с конвейерным транспортом не представляется возможным, эффективность использования по производительности выемочно-погрузочного  оборудования нового типа при сопряженной работе с автосамосвалами можно повысить за счет включения в технологическую цепочку самоходного перегрузочного бункера.

Рабочая масса такого, достаточно хорошо известного для мировой практики, устройства оценивается примерно в 1100 т.

В результате комплектации структуры механизации бункером-перегрузчиком забойная производительность КСМ-2000Р, как показывают расчеты, становится соизмеримой с аналогичным показателем для условий эксплуатации экскаваторо-конвейерного комплекса.

В таблице приведены результаты укрупненного сопоставительного анализа этих альтернативных вариантов. Как видно, с позиций минимизации рабочей массы сопряженно работающего с КСМ-2000Р оборудования, предпочтение следует, тем не менее, отдать варианту поточной схемы производства горных работ. Аналогичный вывод о предпочтительности этого варианта подтверждается и с точки зрения условного высвобождения численности обслуживающего персонала.

Резюмируя изложенное, есть основания полагать, что рассмотренные аспекты подтверждают правомерность концепции ориентации на применение машин типа КСМ нового поколения в схемах поточного горного производства.

Список литературы:

1. В.Рудолф, Х.Вилнауэр, Р.М.Штейнцайг, С.К.Коваленко. Успешное испытание комбайна KSM 2000R фирмы KRUPP на разрезе «Талдинский». «Горная промышленность», 1996, №4.

2. А.И.Шендеров, Р.М.Штейнцайг, А.Р.Литвинов. К вопросу освоения новых ресурсосберегающих технологий производства открытых горных работ. «Горный вестник», 1993, №1.

3. Б.Г.Алешин, С.К.Коваленко, К.Е.Винницкий и др. Конструктивно-технологические особенности и перспективы применения машин типа КСМ на разрезах России. «Горный вестник», 1996, №4.

Журнал "Горная Промышленность" №3 1997