Опытно-промышленные работы по безвзрывной технологии выемки доломитов комбайнами Wirtgen 2200 SM на карьере «Митино»

М. Пихлер, президент фирмы Wirtgen International GmbH (Германия)

А.А. Тополев, Генеральный директор ОАО «Горняк»

Р.Б. Моргачев, главный инженер ООО «Техавтотранс»

Ю.Б. Панкевич, эксперт фирмы Wirtgen International GmbH по технологии Wirgen Surface Mining

М.Ю. Панкевич, консультант-технолог фирмы Wirtgen International GmbH

Опытно-промышленные работы по безвзрывной технологии выемки доломитов с использованием комбайна Wirtgen Surface Miner модели 2200 SM были проведены в декабре 2010 г. на участке карьера «Митино» Митинского месторождения доломитов. Это месторождение служит сырьевой базой ОАО «Горняк», входящего в Объединение «НПП Известняки и Доломиты».

Вопросы технологии применения комбайнов Wirtgen Surface Miner на месторождении доломитов во Владимирской области начали обсуждаться с руководством Объединения в III квартале 2010 года. В результате, было принято решение об аренде комбайна для проведения опытно-промышленных работ, основными целями которых стали:

- сравнение существующей технологии добычи доломитов с безвзрывной, тонкослоевой выемкой карьерным комбайном типа Wirtgen Surface Miner;

- установление принципиальной возможности качественной выемки доломитов, отвечающих кондициям на сырьё для стекольной промышленности;

- установление эксплуатационных параметров комбайнов Wirtgen Surface Miner, определяющих их техническую и эксплуатационную производительность;

- определение технологической возможности управления фракционным составом добытого доломита.

За критерии оптимизации были приняты – максимальная производительность комбайна при максимальном выходе кондиционной фракции доломита 0–50 мм.

В настоящее время отработка карьера ведётся двумя уступами. Подготовка доломитов к выемке осуществляется с помощью буровзрывных работ. В связи с удалённостью карьера от промышленных электросетей (около 15 км), производство горных работ осуществляется комплексом мобильного оборудования, включающего гидравлические экскаваторы, колесный одноковшовый погрузчик, мобильную дробилку и грохот.

Выемка взорванного доломита производится гидравлическим экскаватором с погрузкой в автосамосвалы. Из забоев доломит транспортируется на расстояние около 200 м в штабель, формируемый около мобильной дробилки. Из штабеля загрузку доломита в мобильную дробилку осуществляет гидравлический экскаватор типа обратная лопата. После дробления, доломит поступает на систему грохотов, где производится его рассев и деление на фракции. Доломиты фракции 10–40 мм грузятся колёсным одноковшовым погрузчиком в автосамосвалы, которые доставляют его на завод.

В соответствии с договором об аренде, комбайн Wirtgen 2200 SM прибыл на карьер «Митино» в начале декабря 2010 г. В течение двух дней были выполнены разгрузочные и монтажные работы (установка кабины оператора, монтаж скрепляющей верхней конструкции и разгрузочного конвейера), по завершению которых 6 декабря 2010 г. комбайн был направлен в забой карьера. Площадка, на которой, согласно Договору о проведении опытно-промышленных работ, должен работать комбайн, находилась в верхней части полезной толщи. В отступление от Договора, руководство ОАО «Горняк» обратилось с просьбой перенести работы на нижнюю площадку, на которой ранее был запланирован лишь краткий тест на предмет изучения возможностей машины, так как доломиты нижнего горизонта отличались более плотной структурой и повышенной крепостью по сравнению с верхним горизонтом. Просьба обосновывалась ещё и тем, что химический состав доломитов нижнего горизонта в большей степени отвечал требованием кондиций.

Вид рабочего откоса уступа после отработки 4–5 слоёв и понижения забояплощадки на 1–1.2 м

Учитывая, более высокую прочность нижней пачки доломитов, фрезерный барабан комбайна был переоснащён резцами типа W47 K19 с диаметром твёрдосплавной вставки 19 мм и длиной вылета 77 мм, обычно применяемыми при разработке пород средней и выше – средней крепости. Новая площадка, размерами 140b50 м, представляла кровлю нижнего уступа. Конфигурация площадки была осложнена довольно крутым и единственным съездом шириной около15 м. Оставшаяся часть площадки со стороны съезда по ширине представляла собой тупиковый забой, а с противоположной стороны площадка ограничивалась также тупиковым забоем.

В связи с небольшим сроком аренды комбайна и учитывая пожелания руководства карьера о максимально производительной его работе, пришлось отказаться от проведения вспомогательных врубовых выработок на коротких сторонах площадки. В этих условиях была выбрана технологическая схема челноковой работы комбайна: с фрезерованием в одном направлении и обратным холостым проходом при развитии работ от тупикового забоя к съезду.

В силу переднего расположения разгрузочного конвейера, автосамосвал в процессе погрузки в конце рабочего прохода упирался в тупиковый забой, в связи с чем, доработка торца забоя производилась с отсыпкой добытого материала на откос вышележащего уступа и в боковой штабель. На это расходовалось дополнительно 1.5–2.5 мин. По вышеперечисленным причинам суммарное время, затрачиваемое на доработку забоя и манёвры (обратный холостой ход), составляло порядка 8–10 мин. в каждом проходе комбайна. Необходимо заметить, что во второй половине опытно-промышленных работ началось ожидаемое сокращение длины фронта работ (на 10–15 м). Такое существенное сокращение длины фронтального прохода обусловлено замкнутой, тупиковой конфигурацией площадки, не имеющей врубовых выработок.

Представительные результаты рассева проб Митинского месторождения доломитов

При отработке каждого слоя комбайн проходил по 10–15 заходок в течение смены. В результате понижения поверхности площадки забоя формировались характерные ступенчатые откосы.

На перевозке добытого комбайном материала были задействованы два автосамосвала БЕЛАЗ грузоподъёмностью 30 тонн. Так как расстояние транспортирования до мобильного грохота не превышало 100 м, двух автосамосвалов было достаточно для бесперебойной работы комбайна.

После серии взвешиваний гружёных автосамосвалов была принята расчётная масса перевозимого доломита в кузове автосамосвала БЕЛАЗ, равная 26 т, при насыпной удельной массе 1.8 т/м3.

В процессе работы комбайна изучались его эксплуатационные параметры: определялась в динамике его производительность; затраты времени на выполнение различных операций производственного цикла. На основе хронометражных наблюдений регистрировались продолжительность фрезерования массива, затраты времени на манёвры комбайна и на обмен автосамосвалов, время простоев по разным причинам, а также затраты времени на ежесменное обслуживание, включающее заправку дизельным топливом и ремонтные работы (табл. 1).

Табл. 1 Результаты хронометражных наблюдений и расчётов эксплуатационных параметров работы комбайна Wirtgen 2200 SM

При этом учитывалось, что в начале каждой рабочей смены комбайна на прогрев его систем и подготовку к работе затрачивалось около 60 мин. В конце каждой смены работы по осмотру и смазке узлов комбайна, агрегатов гидравлической системы и рабочего органа занимали также около 60 мин. Таким образом, в зимнее время при односменной работе комбайна около 120 мин. занимали вспомогательные работы. При непрерывной круглосуточной работе комбайна это время может быть значительно снижено.

В табл. 1 использованы следующие расчётные показатели:

- эксплуатационное время (Тэ = Тф + Тз), включающее время Тф на фрезерование массива с погрузкой автосамосвалов и время Тз обратного холостого хода (то есть время на манёвры);

- эксплуатационная производительность – производительность в т/час за эксплуатационное время Тэ;

- техническая производительность – производительность в т/час за время фрезерования Тф.

Анализ данных ежедневных хронометражных наблюдений (см. табл.1) позволил проследить эксплуатационные параметры работы комбайнов в динамике. Работа 7 и 8 декабря 2010 г. проходила в условиях подготовки комбайна микрорельефа площадки к последующей производительной его работе.

При этом, толщина разрабатываемого слоя изменялась от 10 до 26 см, среднее время погрузки автосамосвала – от 5.2 до 5.4 мин. На третий день условия улучшились, что сразу сказалось на производительности комбайна. Так техническая производительность 7 и 8 декабря 2010 г. составила 298 и 245 т/час, а 9 декабря 2010 г. возросла до 390 т/час. Соответственно эксплуатационная производительность составляла 190 и 193 т/час, а затем выросла до 293 т/час. Одновременно среднее время погрузки одного самосвала уменьшилось до 4.0 мин. Хронометраж рабочих проходов комбайна подтвердил также различную прочность доломита по площади опытного участка. На отдельных участках в пределах длины проходов комбайна время погрузки автосамосвала изменялось от 3 до 10–11 минут при среднем значении 4–4.5 мин. Большие значения времени погрузки свидетельствовали о работе комбайна по очень крепким доломитам.

Данные результатов обработки хронометража, полученные в процессе изучения эксплуатационных параметров работы комбайна, также приведены в табл.1 Динамика использования эксплуатационного времени комбайна по составляющим рабочего цикла, а также времени смены представлена графиками на рис. 1–3.

Рис. 1 Динамика использования эксплуатационного часа по составляющим рабочего цикла комбайна

Рис. 1 Динамика использования эксплуатационного часа по составляющим рабочего цикла комбайна

Рис. 1 Динамика использования эксплуатационного часа по составляющим рабочего цикла комбайна

Как следует из рис.1, доля процесса «фрезерование и погрузка» в эксплуатационном времени была невысокой и изменялась от 64% до 73%. Это связано с большими затратами времени на манёвры и доработку торцов, которые составляли 15–30% времени эксплуатационного часа.

Как показывает рис. 1, резервом повышения эксплуатационной производительности можно считать переход на более рациональную схему работы комплекса «комбайн - автосамосвал» при устройстве двух выездов из забоя-площадки и врубовых выработок, что позволило бы отказаться от доработки углов, сократив время на манёвры комбайна.

Одновременно анализ данных рис. 2 показывает, что в течение смены также были велики затраты времени на обслуживание комбайна (достигшие 35–40%), что свойственно в данном случае зимнему времени года.

При разработке слоёв доломита, имеющих повышенное содержание глинистых и пылевидных фракций, время от времени наблюдалась остановка (стопорение) разгрузочного конвейера комбайна. Причина этого в том, что разогретая при добыче шламовидная масса набивалась в узлы конвейера, т.е. происходила его заштыбовка и последующее стопорение.

Простои комбайна на очистку конвейера достигали 15–20 мин. и более. Чтобы минимизировать потери от таких простоев, сервисными инженерами фирмы Wirtgen было принято решение очищать узлы конвейера механическим путём – по завершению каждого рабочего прохода. Это позволило существенно сократить простои комбайна по причине заштыбовки конвейера. В результате принятых мер, время очистки в последующем снизилось в среднем до 2–4 мин.

Следует отметить, что проблема заштыбовки конвейера может возникать, в основном, только в зимний период работы комбайна. Отметим, что горный комбайн Wirtgen 2200 SM оснащён водяным баком ёмкостью 5.0 т для пылеподавления и мойкой высокого давления (до 120 Бар), что позволяет оперативно решать подобные проблемы при плюсовых температурах окружающего воздуха.

При эксплуатации комбайна в зимний сезон также обязательно проводить прогрев его агрегатов и очистку рабочей камеры фрезерного барабана от застрявшей мелочи. Таким образом, при положительных температурах окружающего воздуха следует ожидать значительного роста производительности комбайна.

Графики рис.3 наиболее ярко иллюстрируют сложности работы комбайна в климатических и организационных условиях зимы 2010 года. Основной процесс «фрезерование и погрузка», занимал в среднем всего около 44% времени смены, изменяясь по дням работы от 41% до 56%. Причём, только за пять из 16 дней, доля этого процесса превышала 50% ресурса сменного рабочего времени комбайна. Это значит, что производительное использование времени смены комбайна составило менее 50%.

Работа комбайна в одну смену в зимнее время отняла из основного рабочего времени, как минимум, 15–16 часов за весь период наблюдений, т.е. суммарно равное продолжительности двух смен. То же количество времени потеряно из-за нерациональной организации работ, когда велико время манёвров комбайна в тупиковых забоях, не имеющих предварительно пройденных врубовых проходов.

Несмотря на перечисленные сложности, сменная производительность горного комбайна Wirtgen 2200 SM составляла от 1250 до 1850 т, а общий объём добытого доломита свыше 23.0 тыс. т за период опытно-промышленных работ с 7 по 24 декабря 2010 г.

Рабочая скорость комбайна составляла 8–10 м/мин, глубина фрезерования – 24–25 см. Техническая и эксплуатационная производительности достигали соответственно 276–389 т/час и 169–261 т/час.

Второй задачей опытно-промышленной работы комбайна было определение его оптимальных эксплуатационных параметров и их влияния на выход различных фракций доломита.

С этой целью 13 и 16 декабря 2010 г. были выполнены соответствующие рассевы отобранных проб доломита. Комбайн в процессе рабочего прохода, меняя скорость и глубину фрезерования, добывал доломит и отсыпал его в штабель на площадке. По длине штабеля размечались участки, отсыпанные при определённых и отличающихся эксплуатационных параметрах (рабочей скорости и глубине фрезерования). Принятая глубина фрезерования составляла 24 и 28 см, рабочая скорость изменялась в пределах 3–5–7–10–15 м/мин. На каждом из этих участков отбирались пробы и рассевались на фракции. Проба отбиралась в середине каждого характерного участка штабеля.

При этом, в пробу попадали все слои поперечного сечения (от вершины до основания треугольника) штабеля. Доломитовые пробы пропускались через сита с ячейками 70b70 мм; 40b40 мм и 10b10 мм. Затем каждая из фракций (>70 мм; –70... +40 мм; –40... +10 мм и <10 мм) взвешивалась, а получаемые данные заносились в соответствующие таблицы.

В табл. 2 и 3 приведены результаты рассевов проб, которые хорошо иллюстрируют влияние глубины фрезерования и рабочих скоростей комбайна на выход различных классов прочности. Установлено (см. табл. 2), что при возрастании скорости фрезерования от 3 до 15 м/мин, увеличивается выход крупных фракций (>70 мм) с 4% до 22%, выход классов 40–70 мм также растет с 8% до 18%, а фракций 10–40 мм – от 37 до 49%, при этом выход мелких фракций (<10 мм) уменьшается с 39% до 19.2%. Наилучшие результаты по максимальному выходу кондиционного доломита класса 10–40 мм (около 49%) и минимальному выходу фракций <10 мм (около 19%) получены при глубине фрезерования 0.24 м и рабочей скорости комбайна V=10 м/мин.

Табл. 2 Зависимость выхода фракций доломита от рабочей скорости движения комбайна (при глубине резания 24 см)

После анализа данных табл. 2 и определения оптимальных параметров работы комбайна, были проведены рассевы проб, полученных при глубине фрезерования 28 см и рабочих скоростях комбайна 10 и 15 м/мин (табл. 3).

Табл. 3 Зависимость выхода различных фракций доломита от рабочей скорости движения комбайна (при глубине резания 28 см)

В результате установлено, что при скорости фрезерования 10 м/мин с увеличением глубины фрезерования с 24 до 28 см, растет выход крупных фракций (>70 мм) с 15.7 до 30.8%, выход классов 40–70 мм также растет с 16.4% до 18.2%. Вместе с тем выход фракций 10–40 мм сокращается от 48.7 до 34.2%, при этом доля выхода мелких фракций (<10 мм) уменьшается от 19.2% до 16.6%. При дальнейшем увеличении скорости происходит ухудшение рассмотренных выше показателей.

За период проведения опытно-промышленных работ (с 7 по 24 декабря 2010 г.) в топливный бак комбайна было заправлено 9080 л дизельного топлива, и наработано 158 моточасов со дня первой заправки. Таким образом, средний расход топлива составил 54.5 л/час. За этот же период комбайном добыто свыше 23.8 тыс. т доломита, удельный расход дизельного топлива составил около 0.38 л на каждую тонну добытого доломита.

В процессе опытно-промышленных работ было заменено 115 резцов, что позволяет оценить расход резцов – 4.83 шт. на 1000 тонн добытого доломита.

Характерный износ резцов при фрезеровании доломитового массива

Анализ результатов выполненных опытно-промышленных работ позволяет сделать следующие выводы:

- Горные работы проходили в сложных климатических и организационных условиях. Основной процесс «фрезерование и погрузка», занимал в течение времени смены в среднем всего около 44%, изменяясь по дням работ от 41% до 56%. Причём только в 5 из 16 дней, этот показатель превышал 50%. Следовательно, производительно комбайн работал менее 50% времени смены. Работа в одну смену в зимнее время отнимала из ресурса рабочего времени, как минимум 15–16 часов (суммарно за весь период наблюдений), т.е. практически равные продолжительности двух смен. Столько же времени потеряно из-за нерациональной организации работ, обусловленной отсутствием врубовых выработок в тупиковых забоях, в которых пришлось работать комбайну. - Несмотря на перечисленные сложности, свидетельствующие о существовании определённых резервов роста производительности комбайна, сменная производительность горного комбайна Wirtgen 2200 SM в период работ изменялась от 1250 до 1850 тонн, что позволило добыть в общей сложности свыше 23.0 тыс. тонн товарного доломита. Техническая и эксплуатационная производительности достигали соответственно 276–389 т/час и 169–261 т/час. Применение более рациональной организации горных работ (круглосуточный режим), увеличение фронта работ и обеспечение рабочей площади двумя выездами для автосамосвалов, позволит существенно повысить производительность комбайна.

- Необходимо отметить, что при разработке плотных и крепких слоёв доломита, добытый комбайном материал отправлялся из забоя напрямую на завод для дальнейшей переработки, минуя стадию дробления и грохочения, что представляет собой дополнительный резерв для снижения материальных затрат на добычу доломитов.

В результате проведённых работ установлено, что наилучшие результаты по максимальному выходу кондиционных фракций класса 10–40 мм (около 49%) и минимальному выходу фракций <10 мм (около 19%) достигаются при глубине фрезерования 0.24 см и рабочей скорости движения комбайна V=10 м/мин.

Журнал "Горная Промышленность" №1 (95) 2011, стр.26