Об эффективности применения карьерных гидравлических экскаваторов

Р.Висбек, дипл.инж., «Boler Ladatechnik», Германия
В.А.Казаков, к.т.н., ФПК «ИнвестТЭК»
Т.Е.Удачина, к.ф-м.н.,  ФПК «ИнвестТЭК»
П.Р.Хаспеков, горн.инж., «Росуглесбыт»

В  мировой практике открытых горных разработок одноковшовые карьерные экскаваторы с гидрофицированным рабочим оборудованием уверенно замещают традиционные механические лопаты, известные на отечественном рынке под общей маркой ЭКГ.

Это обусловлено расширенным диапазоном технологических возможностей карьерных гидравлических экскаваторов, обеспеченных их повышенным энергосиловым ресурсом.

Кинематика карьерных гидравлических экскаваторов позволяет реализовывать совмещенное копание (преимущественно горизонтальное внедрение ковша с последующим его поворотом в вертикальной плоскости) практически по всей высоте подъема рабочего оборудования (рис. 1). Это открывает перспективы для управляемого обрушения предварительно разрыхленных экскавируемых пород и предопределяет качественно новый подход к расчету допустимой высоты Нзаб  отрабатываемого забоя. Параметром, влияющим на Нзаб, является расчетная эффективная высота копания Нкоп(эф) карьерного гидравлического экскаватора, при которой горизонтальным внедрением ковша в забой на глубину Sкоп(эф) обеспечивается его наполнение с коэффициентом Кн=1.0. Образующийся в результате такой операции свод подработки определяет величину объема обрушаемой горной массы, которая должна быть размещена на подошве уступа на безопасном для эксплуатации экскаватора расстоянии Lо.

Обобщенные экспериментальные данные позволяют с достаточной для инженерных расчетов точностью установить зависимости для определения упомянутых выше технологических параметров забоев, отрабатываемых выемочно-погрузочной техникой с гидрофицированным рабочим оборудованием:

где

     –расчетный коэффициент;

  

a и b — соответственно углы устойчивого расположения пород в забое и в обрушенном состоянии, град.

В том случае, если пионерное копание на высоте Нкоп(эф) осуществляется не горизонтальным внедрением ковша, а под некоторым углом врезки r, то теоретически высота забоя может быть увеличена в Кr раз:

 

Конечно, такое увеличение высоты забоя (в некоторых абстрактных условиях Кr может составить 2.5 ед.) достигается только при условии качественной его подготовки к выемке, когда обеспечивается управляемое обрушение горной массы равномерным течением и исключено образование навесей.

В том случае, если фактическая высота забоя Нзаб(факт) больше расчетной Нзаб , то его отработку необходимо осуществлять, начиная с врезки, на высоте:

Если же при этом не представляется возможным обеспечить управляемое обрушение пород в забое, то допустимая высота отрабатываемого забоя будет равна Нкоп(эф).

Рациональные значения ширины экскаваторной заходки в забое высотой Нзаб   определяются решением системы уравнений:


   

где tц    — расчетная продолжительность единичного цикла при угле               поворота на разгрузку 90 град., сек;

Крк — коэффициент разрыхления горной массы в ковше экскаватора;

Rкоп.у и Rкоп(max) — радиусы копания на горизонте установки и максимальный соответственно, м.

Систематизация данных об опыте создания карьерных одноковшовых экскаваторов позволяет установить корреляционные взаимосвязи между их основными конструктивными параметрами:

где индексы 1; 2 и 3 — соответствуют: конструктивно-компоновочным схемам экскаваторов с гидрофицированным приводом рабочего оборудования; мехлопатам типа ЭКГ с канатной и реечной системами      напорных механизмов.

Предельные расчетные линейные параметры забоев, отрабатываемых экскаваторами традиционного типа ЭКГ, определяются известными зависимостями:

Однако при этом, как показывает практика, высота забоев, как правило, не превышает 15-20% кинематически возможной высоты копания применяемых мехлопат даже в том случае, когда эти забои весьма качественно подготавливаются к экскавации предварительными буровзрывными работами.

В том случае, если экскавируемый массив не подвергается предварительному разрыхлению, то допустимая высота забоев, отрабатываемых мехлопатами типа ЭКГ, не может превышать величины, равной 0.95 Нкоп(max).

Не принимая к сведению гипотетическую возможность увеличения высоты подготовленного буровзрывными работами условного забоя карьерного гидравлического экскаватора в Кr–раз, равно, как и считая, что высота такого забоя, отрабатываемого мехлопатой, не превышает 1.15 Нкоп(max), с учетом приведенных выше взаимосвязей конструктивных параметров для альтернативных видов выемочно-погрузочных машин, несложно установить следующее. Интенсивность отработки предварительно разрыхленного некоторого объема горной массы при использовании карьерных гидравлических экскаваторов в среднем на 25% выше (рис. 2) по сравнению с вариантом, когда этот же объем горной массы экскавируется мехлопатой с соизмеримой рабочей массой. В том случае, если сопоставительный анализ проводится для горных массивов, отрабатываемых без предварительного рыхления, то разница в интенсивности его экскавации возрастет еще больше. Это обуславливается повышенной степенью энергообеспечения рабочего процесса гидрофицированных выемочно-погрузочных машин: максимальные расчетные усилия копания мехлопат с ковшами емкостью до 15ё18 м3 примерно в 1.7 раза меньше, по сравнению с аналогичным показателем для карьерных гидравлических экскаваторов.

По сравнению с традиционными мехлопатами, высокие энергосиловые возможности карьерных гидравлических экскаваторов обеспечивают расширение сферы их применения в сложной горно-геологической обстановке.

Это обеспечивается не только конструктивно-компоновочными особенностями сопоставляемых видов выемочно-погрузочных машин и кинематикой их рабочего оборудования, но и механизмом взаимодействия исполнительных органов с массивом горных пород.

Как известно, деформирование и разрушение режущим инструментом трещиноватого горного массива происходит в следующей последовательности: сжатие небольшого объема породы; расширение некоторого объема породы в перпендикулярном направлении оси поступательного движения режущей кромки ковша; сдвиг (в упругой стадии) и отрыв блоков, ослабленных возникающими растягивающими напряжениями при одновременном повороте более прочных отдельностей горного массива, оконтуренных формируемой сетью микротрещин.

Таким образом, энергетический поток, подводимый к разрушаемому горному массиву, распределяется на две составляющие, обеспечивающие сжатие некоторого объема породы и непосредственно отрыв экскавируемого материала.

Энергетический баланс процесса механического разрушения горного массива описывается уравнением:

где W — суммарные энергозатраты при механическом разрушении  горных пород, кВт·час;

DV — относительное расширение рабочего тела, м3;

Pкоп — внешняя нагрузка на рабочее тело, Н;

Vo — первоначальный объем рабочего тела, м3;

Е — модуль Юнга для разрушаемой породы, МПа.

Таким образом, эффективность механического разрушения тем выше, чем меньше энергопотребление на этапе формирования упругого ядра напряжений. При сопровождающих этот процесс деформациях экскавируемого материала происходит аккумулирование некоторой потенциальной энергии, которая затем одномоментно расходуется на преодоление энергии связи в горном массиве.

Разгрузка ранее деформированного объема влечет за собой нарушение ковалентных связей. При этом аккумулированная энергия отрыва рассеивается в окружающей среде в виде тепла.

Проведенными экспериментальными исследованиями установлена зависимость энергосиловых характеристик рабочего процесса, реализуемого ковшом карьерного экскаватора, от угла r внедрения его режущей кромки в забой, характеризуемый углом a устойчивого расположения пород.

Минимальный уровень энергозатрат регистрируется при этом в том случае, когда rрац=17.3–0.08a, град.

Величина развиваемого усилия копания определяется в зависимости от формируемой поверхности разрушения:

где

                

— так называемый, отрицательный угол установки зубьев ковша экскаватора; в оценочных расчетах величины энергопотребления принимается равным нулю.

Если предположить, что толщина режущей кромки ковша несоизмеримо мала в сравнении с его шириной, то свободная поверхностная энергия отрыва Wот  определяется как:

При отработке предварительного разрыхленного материала величина Ркоп определяется уравнением:

где g — объемная масса экскавируемого материала, т/м3;

dср — диаметр среднего условного куска экскавируемых пород, м;

Kр — коэффициент разрыхления материала;

 

Для формирования забоя взорванных горных пород со средним условным куском экскавируемого материала dср, очевидно, необходимы энергозатраты:

 

где sсж; sраст — пределы прочности пород на сжатие и растяжение, МПа;

nскв; Sскв; Lскв — количество, площадь поперечного сечения и глубина взрывных скважин, шт.; м2; м;

dотд — размер естественных отдельностей в подготавливаемом к экскавации горном массиве, м.

Проведенными натурными исследованиями установлена взаимосвязь энергопотребления в рабочем процессе карьерных одноковшовых экскаваторов различных концепций с прочностными характеристиками отрабатываемых горных массивов.

Как следует из графиков зависимостей, приведенных на рис. 3, при использовании карьерных гидравлических экскаваторов представляется возможной безвзрывная отработка литотипов с пределом прочности на сжатие до 40 МПа, что практически вдвое расширяет область безвзрывных технологий по сравнению с возможной сферой применения традиционных мехлопат.

Характерно, что и при отработке предварительно разупрочненных массивов более крепких пород величина энергопотребления при эксплуатации карьерных гидравлических экскаваторов примерно на 30% меньше, чем при работе мехлопат типа ЭКГ.

При проведении натурных исследований и обобщении ранее имевшихся эмпирических данных, помимо сведений и информации о гидрофицированных выемочно-погрузочных машинах известных машиностроительных фирм DEMAG, ORIENSTEIN&KOPPEL, HITACHI, KOMATSU, CATERPILLAR, были проанализированы энергосиловые возможности и конструктивно-компоновочные особенности гидравлических экскаваторов типа LB производства фирмы BЦLER LADETECHNIK.

Этот тип оборудования выгодно отличается от функциональных аналогов (условно обобщаются маркой ЭГ) сочетанием энергосиловых, массогабаритных и линейных параметров, что обеспечивается оригинальной конструктивно-компоновочной схемой рабочего оборудования (рис. 4).

Корреляционные зависимости, связывающие основные конструктивные параметры выемочно-погрузочных машин сопоставляемых типов, имеют вид:

для ЭГ:

 

для LB:

 

Для анализируемых конструктивно-компоновочных решений карьерных гидравлических экскаваторов в диапазоне изменения рабочей массы от 50 до 200 т приведенные зависимости имеют линейный характер. Дальнейшее повышение рабочей массы для машин типа ЭГ сопровождается замедлением темпов роста расчетных значений q и Rкоп.у, в то время как для машин типа LB линейный характер функций q; Rкоп.у= ¦(G) сохраняется.

При этом градиент упомянутых зависимостей для машин типа LB в среднем на 18% меньше, чем для ЭГ; для LB прирост рабочей массы на 10% условно позволяет  увеличить емкость ковша  на 10.7%, а Rкоп.у — на 2%, в то время как для экскаваторов типа ЭГ соответствующие значения составляют только 8.5% и 1.3%.

Изложенное достаточно убедительно иллюстрирует прогрессивность концепции LB, поскольку очевидно, что уменьшение рабочей массы, не сопровождаемое ухудшением энергосиловых характеристик и расчетной производительности экскаваторов, позитивно отражается на их стоимостных показателях и планируемых эксплуатационных издержках, связанных с техническим обслуживанием и заменой изнашивающихся узлов экскаваторов. Эти обстоятельства подтверждаются как опытом эксплуатации выемочно-погрузочных машин сравниваемых типов в сопоставимых горнотехнических условиях (табл. 1), так и анализом коммерческих предложений на закупку различных модификаций карьерных гидравлических экскаваторов (табл. 2).

На угольных разрезах Красноярского края и в Дальневосточном регионе России в настоящее время эксплуатируется 10 выемочно-погрузочных машин типа LB-500. Имевшиеся в начальной стадии организационно-финансовые сложности в целом не отразились на инженерных аспектах успешного применения этой техники. С использованием простых и надежных в эксплуатации машин LB-500 в широком диапазоне горно-геологических условий эффективно осуществляются как добычные, так и вскрышные работы, в том числе, безвзрывная отработка забоев, представленных крепкими суглинками, переслаиванием аргиллитов и алевролитов, а также породно-угольных забоев с пропластками крепких вмещающих пород (до 60 МПа) мощностью до 0.6 м.

Вместе с тем, необходимо отметить, что концепция LB предопределяет возможность создания только прямых гидравлических лопат.

В этой связи для горнодобывающей промышленности России остается актуальной проблема широкого освоения в производстве карьерных гидравлических экскаваторов традиционной конструкции.

По самым оптимистичным прогнозам только в открытой угледобыче в планируемой перспективе ежегодно предстоит заменять до 80 изношенных и морально устаревших мехлопат типа ЭКГ на экскаваторы с гидрофицированным рабочим оборудованием, оснащенные ковшами емкостью от 6-8 до 15-18 м3. С их применением представляется возможным реализовать на практике ресурсосберегающие технологии горного производства, максимально освобожденные от необходимости задалживания больших объемов дорогостоящих взрывчатых веществ, обеспечивающие возможность оперативного управления параметрами систем разработки в изменяющейся горнотехнической обстановке, позволяющие осуществлять полноту и качество  выемки полезного ископаемого при отработке маломощных и нарушенных угольных пластов. 

Журнал "Горная Промышленность" №5 1998