ТЕХНИКО–ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПРЕИМУЩЕСТВА ПРИМЕНЕНИЯ КРАНЛАЙНОВ ДЛЯ ТЕХНИЧЕСКОГО ПЕРЕВООРУЖЕНИЯ КАРЬЕРОВ

А.Н.Домбровский, к.т.н., И.А.Сидоренко, к.т.н., ИПКОН РАН,
Н.П. Сеинов, к.т.н., ННЦ ГП – ИГД им. А.А.Скочинского,
М. Н. Котровский, горный инженер, НПК «Гемос Лимитед»

В последнее десятилетие развитие открытого способа разработки месторождений полезных ископаемых происходило на фоне усложняющейся горно-технологической обстановки на карьерах, характеризующейся увеличением грузопотоков горной массы при опережающих темпах углубения карьеров, и сопровождалось старением парка горного и транспортного оборудования при отсутствии у горных предприятий достаточных средств на его обновление. В современных условиях задача снижения себестоимости добычи полезных ископаемых приобретает первостепенное значение для поддержания конкурентоспособности товарной продукции карьеров на внутреннем и мировом рынках сырья.

Доля транспортной системы разработки месторождений полезных ископаемых на карьерах превысила 85% и с ростом глубины открытых разработок сохраняет тенденцию к дальнейшему ее увеличению. Вместе с тем технический уровень применяемого выемочно-погрузочного оборудования (мехлопат) по-прежнему предопределяет параметры технологии разработки с невысокими (как правило, до 12–15 м) уступами. Это приводит к вынужденному содержанию большого количества рабочих уступов и транспортных коммуникаций большой протяженности, что не позволяет существенно улучшить технико – экономические показатели горных предприятий.

В качестве альтернативы мехлопатам, используемым на карьерах, предлагается разработанный ИПКОН РАН и ННЦ ГП — ИГД им. А.А. Скочинского новый тип экскаватора — кранлайн (драглайн шагающий погрузочный ДШП), сочетающий в себе преимущества традиционных шагающих драглайнов (отработка высоких уступов нижним черпанием при малом удельном давлении на грунт ходового оборудования) и одноковшовых карьерных экскаваторов (точная, безударная погрузка экскавируемой горной массы в транспортные средства).

Кранлайны могут применяться для производства как вскрышных, так и добычных работ при транспортной системе разработки. Особенности конструкции кранлайна рассмотрены в статье, опубликованной в журнале «Горная Промышленность» № 3’99, а конструктивная схема представлена на рис. 1.

Применение кранлайнов на открытых разработках вместо мехлопат вследствие значительного увеличения высоты отрабатываемых уступов позволит реализовать их технологические и технико-экономические преимущества. В результате чего:

  • увеличивается генеральный угол откоса рабочего борта карьера на 6–9 градусов и, как следствие, уменьшается размер территории, отторгаемой горными работами, а также уменьшаются объемы горно-капитальных работ;
  • сокращается количество уступов и транспортных горизонтов на карьере, вследствие чего уменьшается дальность транспортирования горной массы внутри карьера в режиме движения транспорта на подъем и снижаются объемы работ по созданию и поддержанию внутрикарьерных автодорог в связи с сокращением их протяженности;
  • повышается производительность экскаваторов-кранлайнов за счет снижения удельного веса рабочего времени, расходуемого на их передвижение в забое;
  • уменьшается объем буровзрывных работ и расход ВВ за счет сокращения суммарной величины перебуров и увеличения расстояния между скважинами;
  • повышается производительность буровых станков из-за снижения времени, затрачиваемого на переезды станка от скважины к скважине;
  • улучшается качество дробления и увеличивается выход горной массы с одного погонного метра наклонно пробуренных скважин, в целом затраты на буровые и взрывные работы могут быть уменьшены на 10–15%;
  • снижаются на 20–30% затраты на энергообеспечение горных работ в связи с сокращением в 1.3 раза количества приключательных пунктов и кабелей, а также в связи с повышением в 1.75 раза срока их службы.

При отработке кранлайном уступов высотой 30 м будет иметь место дополнительное снижение затрат за счет уменьшения количества буровых станков и автосамосвалов, обусловленное увеличением их производительности, уменьшением количества взрывов, сокращением протяженности кабельных линий.

Применение кранлайна модели ДШП 20.50 вместо мехлопат ЭКГ-20И будет сопровождаться двукратным увеличением высоты уступа и одновременным расширением рабочих площадок лишь на 37%, что позволит увеличить угол откоса рабочего борта карьера с 16 до 24 градусов.

Фрагмент рабочего борта карьера, отрабатываемого мехлопатами ЭКГ 20И и кранлайнами ДШП 20.50, представлен на рис. 2.

Увеличение угла рабочего борта карьера в период его реконструкции и технического перевооружения позволит значительно уменьшить объемы извлекаемой вскрыши без сокращения объемов добычи, при условии, что кранлайны вводятся в эксплуатацию поэтапно, начиная с нижних уступов. Схема распределения объемов вскрыши, удаляемой по годам реконструкции карьера на основе внедрения кранлайнов, приведена на рис 3. В соответствии с ней в первый год после ввода в действие на нижнем горизонте кранлайна ДШП 20.50 отрабатываются минимальные объемы вскрыши — двух нижних уступов одним сдвоенным (см. рис. 3, желтый цвет). На второй год кранлайнами отрабатываются объемы вскрыши трех нижних сдвоенных уступов (синий цвет). На третий год реконструкции кранлайнами выполняются вскрышные работы на пяти сдвоенных уступах, изображенных зеленым цветом. И, наконец, для рассматриваемого варианта реконструкции карьера с 18-ю уступами высотой по 15 м (для мехлопат) на четвертом году их замены на кранлайны объемы работ выполняются последними по всей высоте рабочей зоны, состоящей из восьми сдвоенных (30-метровых) уступов (см. розовый цвет). После такой перестройки рабочего борта карьера его угол наклона будет постоянным и более крутым по сравнению с исходным вариантом, основанным на применении мехлопат ЭКГ 20И, а число рабочих и транспортных горизонтов сократится с 18 до 9.

Предварительные исследования эффективности применения кранлайнов показали, что экономический эффект от их использования состоит из двух независимых частей — постоянной и временной.

Постоянная составляющая экономического эффекта распространяется на весь период эксплуатации кранлайнов и определяется сокращением эксплуатационных расходов на бурение, ВВ, строительство и содержание призабойных автодорог, значительным сокращением дальности транспортирования горной массы внутри карьера особенно в режиме подъема, что обусловливает меньшее количество транспортных средств и электрокабельного оборудования.

Временная часть возникает только в период перестройки рабочей зоны карьера с заменой мехлопат на кранлайны и благодаря увеличению в два раза высоты уступа, обеспечиваемой кранлайнами, или в период строительства карьера с кранлайнами в качестве выемочно-погрузочного оборудования, и определяется сокращением объемов извлекаемой вскрыши, связанным с более крутым углом рабочего борта при неизменном объеме добычи полезного ископаемого.

Установлено, что относительное уменьшение объемов вскрыши, которое имеет место только в начальный период — до завершения реконструкции карьера или до завершения его строительства на проектную глубину, а для карьеров с наклонными согласно падающими пластами полезного ископаемого — на весь срок их действия, постепенно увеличивается и, в зависимости от количества горизонтов с кранлайнами, составляет от 14 до 85% для любой длины фронта Lф (рис. 4).

В то же время абсолютное уменьшение объемов вскрыши, в значительной мере зависящее от длины фронта Lф (рис. 5), при определенных условиях в денежном эквиваленте превышает капитальные затраты на новое оборудование. Другими словами, в этом случае техническое перевооружение предприятия может быть осуществлено за счет собственных средств предприятия, полученных от снижения расходов на выемку меньших объемов вскрыши в течение периода реконструкции предприятия.

Анализ результатов расчетов, полученных на примере использования ДШП 20.50, показал, что протяженность внутрикарьерных призабойных дорог сокращается независимо от длины фронта работ на 50% (рис. 6). Это объясняется сокращением каждого второго транспортного горизонта по сравнению с базовым вариантом (при применении ЭКГ 20И), а абсолютное сокращение длины дорог при длине фронта на уступе 6 км колеблется от 10 км до 60 км в зависимости от глубины карьера.

Дальность транспортирования горной массы по горизонтальным участкам (по внутрикарьерным дорогам) практически не изменяется (рис. 6). Но в то же время дальность транспортирования по наклонным участкам дорог на подъем сокращается от 100% (для одного горизонта с кранлайном, т. к. при этом подъем по сравнению с базовым вариантом вообще отсутствует), до 19% для 10 горизонтов (рис. 6).

Абсолютное сокращение дальности транспортирования по выездным траншеям в грузовом направлении составляет для варианта с 10 горизонтами 6 км (рис. 7). Это приведет к значительному сокращению времени рейса транспортного средства и, как следствие, к уменьшению рабочего парка транспортного оборудования.

Для условий конкретного карьера реальный эффект от сокращения длины внутрикарьерных дорог будет увеличен за счет снижения количества единиц вспомогательного оборудования, предназначенного для строительства и поддержания дорог в эксплуатационной готовности.

Результаты предварительных расчетов рассмотренного примера использования кранлайнов для технического перевооружения карьера показали, что сокращение объемов буровых работ для рассматриваемых вариантов составит 35%, а в абсолютном выражении достигнет диапазона от 45 до 450 км скважин. Относительное снижение расхода ВВ при этом составит 12.5%, в абсолютном выражении будет равно 700–7000 т.

Помимо прямого уменьшения объемов буровых работ и сокращения расхода ВВ при применении кранлайнов будет иметь место и эффект от уменьшения удельных затрат на буровой расходуемый инструмент (долота, штанги), а также затрат на меньший парк буровых станков, зарядных и забоечных машин.

Этот эффект должен определяться отдельно для каждого конкретного карьера.

Как свидетельствуют результаты проведенных расчетов рассмотренного примера технического перевооружения карьера с 18 уступами высотой по 15 м, замена карьерных экскаваторов на кранлайны, работающие на уступах высотой 30 м, дает возможность окупить капитальные затраты на приобретение кранлайнов уже в первый год их эксплуатации. Это обстоятельство является большим преимуществом предлагаемых кранлайнов и делает их коммерчески привлекательным видом нового горного оборудования для внедрения его в первую очередь на карьерах, требующих обновления экскаваторного парка.

Наиболее перспективными потребителями кранлайнов являются угольные разрезы, характеризующиеся большим объемом вскрышных работ. Они могут успешно применяться для нарезки и отработки уступов повышенной высоты в надугольной толще вскрышных пород, а также при отработке мощных междупластий (30–40 м). Возможный объем применения новой техники и технологии составит 100–150 млн. м3 горной массы в год только по угольным разрезам России.

К объектам потенциального первоочередного использования кранлайнов по нашим оценкам относятся разрезы Южного и Центрального Кузбасса: «Междуреченский», «Сибиргинский», «Томусинский», «Талдинский», «Бачатский», «Краснобродский»; разрезы Восточной Сибири и Дальнего Востока: «Нерюнгринский», «Черногорский», «Лучегорский», «Холбольджинский» и др.

Кроме угольной промышленности экскаваторы такого типа, согласно сделанному нами анализу, имеют хорошие перспективы эффективного применения на железорудных карьерах России (например, на Ковдорском ГОКе), новых месторождениях золота и алмазов России (например, Сухой Лог и им. М.В. Ломоносова).

На карьерах и перспективных месторождениях ряда зарубежных стран также имеются благоприятные условия для применения кранлайнов. Прежде всего, к таким относятся Качарское железорудное месторождение в Казахстане и крупные камен-ноугольные месторождения Монголии. Кранлайны могут эффективно применяться на карьерах США, Канады, Австралии, Индии и государств Африки, отрабатывающих месторождения с аналогичными горно-геологическими условиями.

Журнал "Горная Промышленность" №2 2000