«Интегрированные» технологии отработки сложноструктурных залежей открытым способом

Качество полезного ископаемого и динамика его колебаний зависят от двух основных показателей: геологического строения месторождения и технологии производства добычных работ.

Стандартное выемочное оборудование для производства открытых горных работ не обеспечивает эффективную селективную разработку сложноструктурных залежей минерального сырья, что приводит к его потерям и разубоживанию в процессе выемки, увеличению масштабов производства работ и, как следствие, увеличению площадей нарушенных земель.

Для уменьшения влияния технологии производства горных работ на качественные показатели минерального сырья целый ряд фирм ведут интенсивные работы по созданию нового высокопроизводительного оборудования непрерывного действия для открытых разработок.

В соответствии с перспективными идеями создан целый класс машин нового типа «Континиус Сэфис Майнер» (СSМ — Continuous Surface Miner) для отработки тонких прослойков полезного ископаемого и вскрышных пород.

Наиболее известны следующие типы подобных машин:

  • фирма WIRTGEN - карьерные комбайны серии SМ («Сёрфейс Майнер» - Surface Miner);

  • Воронежский экскаваторный завод - комбайны ЗФМ-ЗООО и ЗФМ-2;

  • фирма HURON Manufacturing - карьерный комбайн Easi-Miner;

  • фирма KRUPP - экскавационная машина КSМ;

  • фирма Alpine Westfalia - карьерные комбайны серии VASM;

  • фирма «МГГУ-Геофрез» - комбайн КГФ-80;

  • фирма Eickhoff - комбайн ЕТ-450-Q;

  • фирма RAHCO - комбайн СМЕ;

  • фирма McNally -  комбайн WL-50;

  • фирма СМI - комбайны серии ТR и РR.;

  • фирма Unit Rig - комбайн Unimatic.

Технология производства открытых горных работ с использованием машин нового  технического уровня в наибольшей мере удовлетворяет требованиям ресурсосбережения, обеспечивает минимизацию экологических нарушений, полноту и высокое качество извлечения минерального сырья, прирост запасов минерального сырья в зонах, где запрещено производство взрывных работ (охранные зоны железных и автомобильных дорог и т.д.).

Одним из важнейших преимуществ машин класса СSМ является их возможность отрабатывать породы в широком диапазоне крепости от 50 до 100 МПа, что позволяет при разработке угля, гипса, кимберлитов и карбонатных пород отказаться от использования буровзрывных работ. Экономическая эффективность использования этих машин прямо зависит от общей производительности комплекса.

Среди положительных качеств машин класса CSM следует выделить: маневренность, универсальность, возможность селективной выемки, удобство обслуживания и ухода, измельчение вынимаемого материала до крупности, позволяющей транспортировать его ленточным конвейером, что дает возможность обойтись без установки дробилки в забое, и т.п.

Областью применения машин с фрезерным исполнительным органом следует считать карьеры, где разрабатываются неабразивные горные породы средней крепости (то есть крепостью большей, чем у полускальных, и меньшей, чем у скальных пород).

Использование машин CSM позволяет формировать на карьерах гибкие (интегрированные) технологии, предполагающие отработку относительно мощных (компактных) зон полезного ископаемого с применением традиционной технологии, а сложноструктурные зоны — с помощью машин для слоевой выемки. При этом на разрабатываемых машинами CSM залежах с последовательной селекцией пропластков предполагается извлечение не только основного полезного ископаемого, но и материала из пород «внутренней вскрыши», имеющих хозяйственное значение (например, нерудное сырье).

Ожидаемая эффективность от применения гибких технологий на карьерах будет заключаться в следующем: резком уменьшении засоренности полезного ископаемого и, как следствие, снижении объемов обогащения (в 1,5-3 раза), исключении буровзрывных работ, отсутствия необходимости дробления полезного ископаемого,  повышения эффекта  от  более качественного сырья у потребителя, снижения затрат на транспортирование и добычу, обеспечении возможностей извлечения попутных ископаемых из пород внутренней вскрыши, повышении качества формирования бортов карьеров на предельном контуре.

При использовании гибких технологий машины СSМ по возможности должны быть интегрированы  в  существующие технологические комплексы.  В зависимости от конструкции и способа работы все машины СSМ можно разделить на следующие основные типы:

  • машины с рабочим органом в виде роторных колес (машины ЗФМ Воронежского завода и КSМ фирмы KRUPP);
  • шнеково-фрезерные машины (машины SM фирмы WIRTGEN);
  • машины со стреловидным рабочим органом (машины VASM фирмы ALPINE WESTFALIA, комбайн КГФ-80 фирмы «МГГУ-Геофрез», комбайн ЕТ-450Q фирмы Eickhoff);
  • врубово-погрузочные машины (машины СМЕ фирмы RAHCO).

Шнеково-фрезерные машины производятся фирмами WIRTGEN, HURON,  CATERPILLAR, INGERSOLL-RAND. Машины с роторными колесами выпускаются фирмой KRUPP (модель КSМ-4000) и фирмой McNally (модель SE-3000).

Применение машин этих двух типов предполагает послойную выемку природного массива с использованием забоев-площадок. При фрезеровании машины перемещаются по фронту со значительной скоростью (от 5 до 15 м/мин). Технология открытых горных работ, основанная на их применении, имеет следующие недостатки:

  •  необходимость использования дизельных энергетических установок и гидропривода для обеспечения автономности перемещения машин, что снижает ресурс последних и вызывает высокие эксплуатационные расходы;

  • необходимость создания фронта горных работ значительной (1,5-2 км) протяженности для уменьшения потерь времени на врезку машин в торцах вынимаемых полос;           

  • необходимость применения автомобильного транспорта в технологических схемах выемки;

  • необходимость синхронного следования автосамосвала за машиной в процессе выемки, что усложняет работу водителей, ухудшает условия безопасности производства работ, обусловливает просыпи, потери полезного ископаемого и засорение пылью систем воздухоподачи автомобилей.

В связи с перечисленными недостатками машин послойного фрезерования и машин с роторными колесами некоторые фирмы (ALPINE WESTFALIA, DOSCO, EICKHOFF) пошли по пути создания стреловых комбайнов, обеспечивающих сохранение традиционной (уступной) технологии ведения открытых горных работ при одновременном обеспечении безвзрывной селективной выемки. Машины данного типа обеспечивают возможность стабильной работы с конвейерным, автомобильным и другими видами транспорта. Однако зарубежные аналоги таких машин имеют высокую стоимость, что делает проблематичным их приобретение российскими предприятиями.

Считая последнее направление наиболее технологичным, специалисты Московского государственного горного университета, ОАО «Афанасьевский карьер цементного сырья» и СКБ заводов-изготовителей разработали техническое задание и конструкторскую документацию на стреловой фрезерный комбайн КГФ-80 производительностью 80 м3/ч.

При подготовке технического задания на проектирование комбайна специалистами МГГУ и ИГД им. А.А.Скочинского были проведены стендовые испытания блоков известняка и доломита Афанасьевского месторождения на резание. Испытания проведены по методике Лесли Гэтча (Колорадская горная школа). В результате стендовых испытаний установлена энергоемкость процесса резания. Для известняков она составила 2,07-2,2 (кВт.ч)/(м3ч), для доломитов — 2,54-3,3 (кВт.ч)/(м3ч).

В основу комплектации машины КГФ-80 положены отработанные элементы и узлы тяжелых проходческих комбайнов. Машина изготовлена и пущена в опытно-промышленную эксплуатацию в 1994 г. В 1995 г. комиссией в составе специалистов Центрального промышленного округа Госгортехнадзора России, ОАО «Афанасьевский карьер цементного сырья», СКБ заводов-изготовителей и МГГУ машина принята в промышленную эксплуатацию. Внешний вид комбайна и рабочего забоя представлен на рис. 1 и 2. Ниже приведены технические характеристики комбайна КГФ-80:

  • Прочность разрабатываемых пород, МПа    до 95

  • Коэффициент крепости по Протодьяконову, ед.    9

  • Техническая производительность за 8-часовую смену при 6-часовой загрузке, т    850-1000

  • Высота разрабатываемого уступа, м    4.5

  • Ширина заходки, м    5.7

  • Мощность электродвигателя раб. органа, кВт    150

  • Суммарная мощность электродвигателей, кВт     225

  • Габаритные размеры, м:

  • высота    4.8

  • длина с разгрузочной стрелой    24.1

  • Высота разгрузки, м    5.0

  • Рабочая масса, т    65

  • Размеры стандартной фрезы, мм    685х1050

  • Число резцов на фрезе    36

  • Экипаж машины, чел.    2

Сопоставительные данные комбайна КГФ-80 с лучшими зарубежными аналогами приведены в табл. 1 и 2.

Комбайн эксплуатируется при отработке трех крепких слоев известняков и прослойка доломита Мячковского горизонта Афанасьевского месторождения. Основные физико-механические характеристики данных пород приведены в табл. 3.

Отработка выемочных слоев возможна в нескольких режимах. Первый режим предусматривает использование горизонтальных выемочных слоев, отбиваемых фрезой комбайна от открытой поверхности в контур массива.  Второй режим предполагает отбойку пород из контура массива к открытой поверхности. Согласно третьему режиму разрушение массива осуществляется вертикальными выемочными слоями.

В процессе опытной эксплуатации испытаны все вышеперечисленные режимы работы машины. Предпочтение отдано варианту разрушения забоя горизонтальными выемочными слоями с отбойкой материала от открытой поверхности внутрь массива. Данный режим обеспечивает минимальный выход кусков фракции 125-200 мм и наименьший уровень вибрации комбайна в процессе выемки. В течение начального периода эксплуатации установлены параметры выемочного слоя, обеспечивающие максимальную производительность машины при сохранении стабильных характеристик гранулометрического состава отбитых пород.

Для параметров выемочного слоя, представленных на рис. 3, специалистами института ЦНИИподземмаш, МГГУ, ОАО «Афанасьевский карьер» выполнены замеры потребляемой мощности двигателя исполнительного органа. Замеры выполнялись измерительным комплектом К50 киевского завода «Точэлектроприбор». Подключение комплекта К50 осуществлялось к коробке выводов магнитного искателя ПВИ-250-БТ, предназначенного для управления электродвигателем исполнительного органа. Показания ваттметра Д-539-К записывались на осциллограф. Дублирование результатов выполнялось визуально с фиксацией показаний приборов через 5 с.

Результаты замеров потребляемой мощности позволили установить энергоемкость процесса разрушения известняков и доломитов фрезой комбайна, оснащенной резцами РG-01-D-16 фирмы PIGMA. Величина энергоемкости разрушения для крепких известняков 3-го выемочного слоя составила 1,75-2,02 (кВт ч)/(м3ч), для доломитов — 2.1-2.3 (кВт ч)/(м3ч). Результаты полевых испытаний энергоемкости процесса разрушения показали хорошую сходимость данных стендовых и полевых испытаний образцов известняков и доломитов Афанасьевского месторождения.

Высота уступа, обеспечивающего работу комбайна с максимальным уровнем производительности, составляет 3.4 м. Уступ отрабатывается пятью выемочными слоями по схеме, изображенной на рис. 4. Предельные возможности комбайна при селективной выемке составляют 0.25-0.3 м.

Комбайн работает по двум основным технологическим схемам:

1. Первая схема предусматривает непосредственную погрузку отбиваемого материала в средства транспорта грузоподъемностью 30-42 т.

2. Вторая схема предполагает укладку отбиваемого материала в штабель с последующей его погрузкой либо самим комбайном, либо колесным погрузчиком (рис.5).

При отгрузке отбиваемого материала из штабеля рабочий орган комбайна не используется (режим погрузочного механизма). Производительность комбайна по отгрузке составляет 100-120 м3/ч.

Опыт эксплуатации комбайна КГФ-80 свидетельствует о том, что карбонатные породы крепостью до 70 МПа эффективно разрушаются резцовым инструментом. На протяжении трех лет специалистами карьера осуществлялась оптимизация режущего инструмента. Испытаниям подвергались резцы РКС-2 (Копейский машиностроительный завод), РG-501-D-16 (фирма PIGMA) и два типа резцов (одно- и двухповоротные) фирмы МОСВИРТ. Стойкость резцов РКС-2 для пород Афанасьевского месторождения составляет 40-55 м3  на резец, а резцов РG-501-D-16 около 140-210 м3 на резец. Наилучшими характеристиками обладают резцы фирмы МОСВИРТ. Их стойкость составляет 270-300 м3 пород на резец. Материал, отбитый комбайном, имеет существенно лучшие потребительские качества в сравнении с традиционной технологией (взрывание и погрузка одноковшовым экскаватором). Данные по гранулометрическому составу материала, отбитого комбайном и полученного по традиционной технологии, приведены в табл. 4.

Весьма  перспективным для машин СSМ, отрабатывающих  сложноструктурные угольные пласты, является ввод в их конструкцию встроенных грохотильных узлов или их сопряжение с передвижными   грохотильными   установками, что позволяет получать сортированное минеральное сырье непосредственно в карьере. Теоретические и конструктивные проработки по встраиванию грохотильного узла в конструкцию машины СSМ марки МВП-1000 выполнена институтом «Укрниипроект» (рис. 6).

Расчетная   производительность машины МВП-100 должна составлять 780 м3/ч, при высоте отрабатываемого уступа 4.5 м и ширине заходки 5 м. Практически сопряжение машин класса СSМ с передвижной грохотильной установкой выполнено в 1997 г. на машине КГФ-80, что обеспечило получение карбонатного минерального сырья трех фракций 0-5 мм; 5-20 мм и 20-140 мм (рис. 7). 

Журнал "Горная Промышленность" №1 1998