Технология и схемы ведения горных работ при использовании комбайнов 2100 и 2200 SM фирмы Wirtgen GmbH

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

В типоразмерном ряду горных комбайнов, разработанных и поставленных фирмой Wirtgen GmbH на предприятия мира для ведения открытых горных разработок, особое место занимают комбайны с передним расположением разгрузочного конвейера. На середину 2001 года из общего количества комбайнов около 100 шт., работающих на карьерах и разрезах мира, около 60 представлены моделями 2100 SM и 2200 SM. Эти комбайны отличаются высокой мобильностью и способностью работы в стесненных условиях.

Проведенная модернизация модели 2100 SM – оснащение более мощным двигателем, более производительным конвейером и увеличение веса, привела к значительному улучшению эксплуатационных параметров и, в зависимости от условий, к увеличению технической производительности комбайна на 20–30 %. Наряду с этим улучшены условия обслуживания и диагностики работоспособности отдельных узлов и агрегатов комбайна. В результате только в течение 2001 года передано потребителям 10 комбайнов модели 2200 SM.

Применение на карьерах комбайнов типа Surface Miner обеспечивает безвзрывную разработку горных пород, создавая этим благоприятные условия, как с точки зрения безопасности ведения работ, так и для повышения полноты и качества выемки полезного ископаемого из недр.

Основной технологической особенностью этого принципиально нового для открытой разработки оборудования, является то, что забоем служит не уступ (при традиционной технологии), а поверхность горизонтальной или слабонаклонной площадки, где осуществляется тонкослоевая выемка.

Исходя из технических и технологических особенностей карьерных комбайнов Wirtgen Surface Miner, можно выделить следующие возможные принципиальные технологические схемы отработки слоя (забоя):

поточные схемы с непрерывным фрезерованием;

цикличные схемы в составе:

•    челноковая с обратным холостым ходом;

•    с разворотом в конце рабочего хода и фрезерованием в обратном направлении.

Параметром, определяющим необходимость перехода с поточных схем на цикличные, является минимальный радиус, при котором производится фрезерование. По данным практики указанный радиус равняется примерно 6–8 значениям ширины рабочего органа или 13–17 м при применении модели 2200 SM.

Таким образом, при наличии площадок шириной до 50 м или уменьшении ширины рабочей площадки до указанных значений необходимо применение цикличных схем работы, при этом область применения каждой из них определяется длиной фронта горных работ.

При транспортной системе разработки с вывозкой вскрышных пород автотранспортом во внешние или внутренние отвалы с ведением горных работ крупными блоками (участками) или небольшими карьерами, применима схема работы карьерного комбайна по форме близкой к концентрическому эллипсу с развитием горных работ от флангов к центру.

На рис. 1 приводится схема развития горных работ при отработке горизонта с отметкой – 8 м с одновременной проходкой автотранспортного съезда.

Массив отрабатывается тонкими слоями, толщина или мощность которых зависит от возможной глубины фрезерования, определяемой прочностными свойствами горных пород и типоразмером комбайна. По окончании отработки слоя выбранной мощности по всей площади блока, участка или всего карьера, начинается разработка следующего слоя, расположенного ниже. Начало указанных работ в точке «0», с постепенным перемещением этой точки вниз по образуемому съезду. Таким образом, создание съезда на последующие горизонты предусмотрено осуществлять в ходе разработки. На рис. 2 приводится фрагмент отстройки съезда при работе комбайна слоями по 0.25 м. Съезд создается путем постепенного опускания рабочего органа на забой в данном случае на расстоянии 2.5 м. После этого в пределах всего карьерного поля или блока полностью отрабатывается вскрытый слой. Бермы и откосы уступов формируются автоматически в процессе работы комбайна при отработке каждого последующего слоя. Слой (горизонт) отрабатывается (см. рис. 1) концентрическими проходами (с 3 до 9) по поточной технологии с переходом на цикличные схемы работы (с 10 по 18).

В общем виде отработка слоя при цикличных схемах работы должна производиться из предварительно пройденных врубовых выработок, минимальная ширина которых определяется габаритами и рабочими параметрами комбайна. Например, при челноковой схеме эта величина измеряется расстоянием от передней кромки рабочего органа до конца задней гусеницы плюс 1.5–2 м.

Для комбайнов модели 2100 SM и 2200 SM ширина врубовой выработки должна быть увеличена на длину автосамосвала и может составлять около 15 метров.

Схема, характеризующаяся непрерывным движением по передвигающейся петле с витками постоянного размера и расстоянием между двумя смежными проходами равным двум радиусам поворота, приведена на рис.3.

В общем виде первые несколько проходов (на рисунке показано три прохода I–III) осуществляются по периметру блока по поточной схеме и процесс фрезерования по которой начинает прерываться только тогда, когда радиусы поворота при одновременном фрезеровании уменьшаются до минимально возможных значений (6–8 размеров ширины барабана). Минимальная ширина врубовой выработки должна равняться одному радиусу поворота и половине базы комбайна.

Затем по коротким сторонам блока выполняются по три прохода (IV–VI и VII–IX) с каждой стороны – по челноковой схеме. Параметром, определяющим минимальную ширину блока в данном случае, является расстояние кратное радиусу поворота комбайна. Исходя из этого на оставшейся после выполнения врубовой выработки, равной трем полосам (I–III), ширине блока должно размещаться 12 проходов, отрабатываемых комбайном за шесть циклов. При этом один рабочий цикл при отработке слоя включает:

•    заезд комбайна из врубовой выработки в центр блока на полосу 1;

•    фрезерование полосы;

•    поворот в противоположной врубовой выработке;

•    заезд на полосу 2 и ее фрезерование в обратном направлении;

•    разворот в исходной врубовой выработке и заезд на полосу 3, после чего циклы и последовательность отработки повторяются.

При коротком фронте работ (100–150 м) предпочтительнее челноковая схема работы (рис. 4) , так как время на поворот комбайна в конце рабочего хода больше, чем время обратного хода. В этом случае врубовые выработки в торцах блока сооружаются в процессе поточной отработки (минимально 3 прохода), затем, исходя из переднего расположения разгрузочного конвейера, рекомендуется следующая организация работ.

Исходная позиция комбайна принимается в одном из торцов горного участка (блока). В противоположном торце ширина врубовой выработки увеличивается примерно на ширину, равную длине комбайна и автосамосвала. На рисунке показано 14 проходов, осуществляемых по челноковой схеме. Остальные проходы (с 15 по 24) осуществляются также по челноковой схеме работы.

Рабочий цикл при отработке слоя включает:

•    заезд комбайна из врубовой выработки на полосу 15;

•    фрезерование этой полосы до въезда в противоположную врубовую выработку;

•    возвращение назад на транспортной скорости (40–50?м/мин) в исходное положение, после чего циклы повторяются.

При большем фронте горных работ целесообразна схема с разворотом и фрезерованием в обратном направлении (рис. 5). В этом случае ширина врубовых выработок должна обеспечивать безостановочный разворот комбайна при минимальном радиусе поворота. Для этих целей первые три прохода (минимально) осуществляются по поточной схеме. Затем приступают к проходке врубовых выработок, для чего перпендикулярно длинной оси блока выполняются проходы с IV по IX и с X по XV по челноковой схеме, после чего последовательно с 1 по 12 проход осуществляются по схеме с разворотом и развитием фронта горных работ от фланга к флангу. При этом рабочий цикл при отработке слоя включает:

•    заезд комбайна из врубовой выработки на полосу;

•    фрезерование полосы;

•    поворот в противоположной врубовой выработке (рис.?5 а);

•    заезд на следующую полосу (рис. 5 b) и ее фрезерование в обратном направлении, после чего циклы повторяются.

Следует отметить, что на приведенных схемах даны возможные варианты организации работ при применении комбайнов Surface Miner, которые целесообразно использовать при разработке конкретных технологических схем.

При вводе комбайна 2100 SM в эксплуатацию на месторождении бокситов в Гвинее использовались конкретные горнотехнические условия – наличие косогора и выработанного пространства по длинной стороне блока. Первоначально из-за короткого фронта применялась челноковая схема, затем по мере опускания дна карьера и увеличения фронта работ перешли на схему работы с разворотом в конце прохода и фрезерованием в обратном направлении. При этих схемах время на холостой обратный ход или разворот в конце прохода составляло на каждые 8–12 автосамосвалов до 3–5?мин. По мере расширения забоя применили схему приведенную на рис. 3. В этом случае время на выезд комбайна из забоя отработанной полосы и наезд на новый забой, т.е. перерыв во фрезеровании составлял всего около 1 мин.

При транспортных системах разработки при отработке горизонтальных и слабонаклонных (до 5–7°) залежей возможна организация одного или нескольких подуступов высотой, равной мощности слоя полезного ископаемого или прослойка пустых пород, которые последовательно отрабатываются. В зависимости от конкретных условий отработка может происходить в соответствии со схемами и организацией горных работ, приведенными на рис. 1, 3–5.

В условиях бестранспортной системы разработки ширина вскрышной и соответственно добычной заходки определяется линейными параметрами вскрышного экскаватора-драглайна и мощностью перемещаемых в выработанное пространство покрывающих пород и составляет, как правило, 30–50 м. Кроме этого, производительность вскрышной машины и интенсивность отработки добычного забоя должны соответствовать друг другу. Исходя из этих условий, представляется целесообразным деление добычной заходки по фронту на блоки длиной около 150 метров и, соответственно, применение челноковых схем работы комбайна. Указанный параметр должен уточнятся в каждом конкретном случае в зависимости от горнотехнических условий разработки. На рис. 6 приводится схема работы комбайна с автосамосвалом при разработке блока длиной около 150 м. При указанной организации работ не требуется создание врубовых выработок.

Работа комбайна на наклонных забоях-площадках по падению пластов позволяет разрабатывать каждый технологический слой (полезное ископаемое или пропласток) отдельно, практически без потерь и разубоживания. Учитывая, что комбайны Wirtgen Surface Miner способны без снижения производительности работать на продольных уклонах до 20°, применение типа автосамосвала или других механизмов в комплексе с комбайнами будет определятся возможностями этих средств преодолевать те или иные подъемы. Так границей применения обычных автосамосвалов являются подъемы до 10% (5–6°), полноприводных – до 40% (около 20°), колесных погрузчиков – до 20% (11–12°).

При отработке горизонтальных и слабонаклонных (до 5–6°) залежей возможна организация одного или нескольких подуступов высотой, равной мощности слоя полезного ископаемого или прослойков пород с другим качеством, которые последовательно отрабатываются. В этих условиях совместно с комбайнами применяются обычные автосамосвалы.

Как указывалось выше, основной технологической особенностью этого принципиально нового для открытой разработки оборудования, является то, что забоем служит не уступ (при традиционной технологии), а поверхность горизонтальной или слабонаклонной площадки, где осуществляется тонкослоевая выемка.

В этом случае на границе рабочей зоны (граница рабочего блока при блочной отработке или у конечного контура разреза) образуется откос, имеющий вид лестницы со «ступенями» (рис. 7), размеры которых определяются конструкцией и параметрами комбайна.

Так, для комбайнов типа 2200 SM, высота ступени (h), равная мощности фрезеруемого слоя, что в большей степени определяется конкретными физико-механическими свойствами разрабатываемых пород, может составлять 30–35 см, а ширина ступени (l), определяемая толщиной боковой плиты, 12–15 см. Таким образом, угол откоса уступа, образующийся при послойной разработке, может составлять 65–70°.

Опыт эксплуатации комбайна 2100 SM на карьере «Целестин» ПО Туркменминерал показал, что при разработке пород средней крепости, а также там, где фракционный состав горной массы не лимитируется, на границе блока или у борта разреза целесообразна работа при максимальной для данной конкретной машины толщине стружки – 27 см. Скорость фрезерования в последней, ближней к борту полосе должна быть понижена и составлять не более 1 м/мин.

Одновременно необходимо следить за тем, чтобы вертикальный откос и площадка предыдущей ступени были полностью свободны от просыпи, что обеспечивает свободное продвижение боковой плиты вплотную к этому откосу и способствует снижению ширины ступени. Это позволит также (при необходимости) увеличить угол образуемого откоса уступа.

Когда горнотехнические условия разрабатываемого месторождения позволяют погашать уступы при более крутых углах наклона, указанные выше работы могут выполняться при снятой боковой плите.

Следует отметить, что переход действующего горнодобывающего предприятия на новую послойную разработку сопряжен с определенными технологическими особенностями, заключающимися в следующем.

При традиционной технологии ведения горных работ с применением буровзрывной отбойки и экскаваторов-мехлопат, характеризующихся криволинейной траекторией черпания, из-за различных значений рабочего и устойчивого угла откоса уступа образуется, так называемая призма обрушения, в пределах которой в ЕПБ размещение оборудования лимитируется.

Ширина призмы обрушения уступа определяется по формуле:

B = H (ctg a – ctg b), м

    где: Н – высота уступа, м;

    a и b – соответственно устойчивый

и рабочий угол уступа, град.

Как следует из формулы, при равных значениях указанных выше углов ширина призмы обрушения равняется нулю.

На ряде карьеров и угольных разрезов рабочие углы откосов уступов составляют 70–80°, а устойчивые углы в погашении – 55–60°. Учитывая это, для безопасной работы комбайна у бровки нижележащего уступа потребуется предварительное выполаживание откосов с помощью дополнительных средств. После этого возможно минимальное приближение к бровке на расстояние около 1 м. Приближение комбайна к бровке откоса уступа определяется состоянием массива в этом районе, а также наличием заколов или неровностей. После соответствующего изучения намечается трасса движения комбайна. Ближний к краю площадки проход комбайна должен осуществляться на ручном управлении, на низкой рабочей скорости с постоянным контролем состояния бровки и местоположения комбайна. Последующие проходы осуществляются без каких-либо ограничений.

На рис. 8 приводится возможная организация горных работ при работе комбайна в прибортовой зоне. Отработка ведется слоями 20 см. После отработки трех-четырех слоев, на краю откоса уступа образуется целик, разрушение которого производится другими средствами. Горная масса, либо забирается комбайном при отработке следующей группы слоев после предварительной планировки бульдозером, либо сбрасывается вниз к подножию уступа для последующей отгрузки экскаватором или колесным погрузчиком.

Эти данные подтверждаются практикой работы комбайна 2100 SM на карьере «Целестин» ПО Туркменминерал, где северная сторона рабочего блока граничила с выработанным пространством действующего и эксплуатируемого по традиционной технологии карьера (добычные работы). В силу ряда причин бровка уступа была неровная, существовали заколы, что затрудняло движение комбайна близко от края рабочей площадки. В результате по мере отработки на краю уступа образовывался целик в виде трапеции, который разбуривался перфораторами и взрывался. Глубина шпуров составляла около 1 м.

В условиях, когда взрывные работы запрещены или ограничены, при приведении уступов в конечное положение для отработки образуемых целиков возможно применение гидромолотов.

Журнал "Горная Промышленность" №4 2001