Повышение эффективности экскавации массивов горных пород на разрезах АО «Красноярскуголь»

Н.В.Гончаров, Генеральный директор ОАО «Разрез «Бородинский»

При эксплуатации мощных угольных разрезов АО «Красноярскуголь» примерно 95% объемов добычных работ обеспечивается роторной экскавационной техникой с производительностью до 5250 т/час. Сформированный к середине 80-х годов парк этой техники к настоящему времени морально устарел, и физический износ его в среднем составляет 75%.

В современных условиях обновление имеющегося парка роторных экскаваторов представляется проблематичным, учитывая, что темпы формирования амортизационных накоплений почти в 4 раза ниже по сравнению с ростом цен на функциональные аналоги планово выбывающей из эксплуатации мощной горной техники.

Вместе с тем, в соответствии с основными положениями энергетической стратегии развития отечественного ТЭКа, в перспективе предусматривается увеличение нагрузки на угольные разрезы не менее чем в 2,5 раза по сравнению с уровнем, достигнутым в 1999–2000 гг.

В складывающейся ситуации одним из приоритетных направлений по обеспечению опережающих темпов развития открытой угледобычи и существенному уменьшению сопутствующих эксплуатационных издержек является повышение степени использования мощности имеющегося парка роторной экскавационной техники, в том числе, за счет улучшения показателей рабочего процесса. При этом необходимо снизить энергопотребление, улучшить динамику рабочего процесса и, тем самым, увеличить наработку на отказ узлов и механизмов роторных машин. Эта задача становится особенно актуальной в связи с имеющим место ухудшением горнотехнических условий разработки месторождений и, в частности, в условиях необходимости вовлечения в отработку массивов горных пород с более высокими прочностными характеристиками.

Одним из возможных путей решения этой задачи является применение экологически чистых ресурсосберегающих технологий, основанных на понижении прочностных характеристик массивов горных пород, подлежащих последующей экскавации, за счет безвзрывного их разупрочнения с использованием водных растворов поверхностно-активных веществ.

Расчеты, подтвержденные практикой горного производства, показывают, что при этом достигается почти двукратное уменьшение предела прочности на сжатие экскавируемого материала (рис. 1), что позволяет заметно улучшить динамические показатели рабочего процесса мощных роторных экскаваторов (рис. 2).

Существо способов опережающего разупрочнения экскавируемых массивов заключается в следующем. Эксплуатационный блок горных пород разбуривается скважинами сеткой около 9(9 м и глубиной – до трети высоты блока. Затем в скважины безнапорно подается водный раствор поверхностно-активных веществ (до 8 л на 1 м3 горной массы), концентрация которого определяется из расчета 3–5 г разупрочняющего материала (в сухом веществе) на 1 м3 горной массы. За счет адсорбционных процессов, происходящих на контакте материала с водным раствором поверхностно-активных веществ, время которых, как правило, не превышает 3–4 суток (рис. 3), осуществляется физико-химическое разупрочнение горного массива (рис. 4). Вновь формирующаяся сеть микротрещин после завершения активной фазы протекания адсорбционных процессов в последующем сохраняется на неопределенно долгое время. Наличие в горном массиве нетоксичных поверхностно-активных веществ практически не отражается на интенсивности экологической нагрузки на окружающую среду.

Структурно ослабленный горный массив при его экскавации требует существенно более низких энергозатрат (рис. 2), что улучшает динамические характеристики этого процесса и, в конечном итоге, обеспечивает повышение надежности экскавационной техники и снижение издержек, связанных с ее эксплуатацией. Эти обстоятельства становятся особенно значимыми, если при создании отдельных видов мощной экскавационной роторной техники были допущены конструктивные недочеты. Так, например, машины типа ЭРП-5250, созданные к середине 80-х годов и являющиеся до настоящего времени наиболее мощной роторной техникой в практике горного машиностроения б.СССР, имеют расчетную годовую нагрузку до 15 млн. м3 при эксплуатации со средствами конвейерного транспорта. В то же время, в практике открытой угледобычи на разрезе «Березовский», где в наиболее благоприятных горно-технических условиях были внедрены в производство три комплекса непрерывного действия на основе экскаваторов типа ЭРП-5250, фактическая средняя эксплуатационная их производительность за весь период не превысила 2.1 млн. м3 в год (1370 м3/час) при лучшем достигнутом результате в 3.9 млн. м3 в год (2150 м3/час).

При этом зарегистрировано значительное количество поломок элементов конструкции рабочего органа, воспринимающих реактивные нагрузки в процессе экскавации. Наиболее характерными являются нарушения целостности валов и разрушения опорных подшипников. Проведенными инструментальными и аналитическими исследованиями, моделирующими процесс взаимодействия рабочего органа ЭРП-5250 с экскавируемым горным массивов, установлено*, что количество ковшей, схема расстановки режущего инструмента и углы установки зубьев на режущей кромке ковшей отличны от рациональных значений. Следствием этого обстоятельства явилась неудовлетворительная динамика рабочего процесса и соответствующее резкое снижение фактических средних значений коэффициента технической готовности (за период 1991–2000 гг. – не более 0.73 ед.) по отношению к расчетным его значениям 0.92.

В ситуации, когда, ввиду отсутствия требуемых источников финансирования, коренная модернизация (замена) находящихся в эксплуатации рабочих органов мощных роторных экскаваторов типа ЭРП-5250 практически не представляется возможной, очевидно, что опережающее разупрочнение отрабатываемых массивов позволит привести в адекватное состояние энергосиловой ресурс выемочно-погрузочной техники и прочностные характеристики экскавируемых литотипов.

Применение физико-химических способов разупрочнения массивов горных пород представляется перспективным и при использовании иных видов экскавационной техники, поскольку при этом, как минимум, обеспечиваются энергосбережение и улучшение динамических характеристик протекающих рабочих процессов.

Помимо этого при отработке карьерными одноковшовыми экскаваторами предварительно разупрочненных угольных массивов, как показывают результаты аналитических исследований, существенно улучшается фракционный состав добываемого твердого топлива: практически исключается выход крупнокускового материала (свыше 300 мм) и более чем в 3.5 раза сокращается количество переизмельченного угля (менее 5–8 мм).

Известно, что при отработке вскрышного массива в рабочей зоне глубиной более 50 м, как правило, необходима буровзрывная подготовка массивов к экскавации. Это обуславливается недостаточностью энергосилового ресурса традиционных для отечественной горной практики механических лопат типа ЭКГ с ковшами емкостью до 15 м3, применяемых при безвзрывной отработке вскрышных массивов, характеризуемых пределом прочности литотипов на сжатие в 40 МПа и более.

Помимо того, что рыхление буровзрывным способом сопряжено с необходимостью использования дорогостоящих взрывчатых веществ и содержанием дополнительного парка соответствующей горной техники, включение в производственный цикл открытых горных разработок дополнительных технологических процессов влечет за собой усложнение организации горных работ и создает предпосылки для достаточно продолжительных технологических и непредвиденных простоев.

Так, например, технология эксплуатации крупнейшего в России угольного разреза «Бородинский» предусматривает возможность безвзрывной переработки до 93% суммарных объемов по горной массе. Но наличие в продуктивной угольной толще достаточно крепкого породного прослоя обуславливает необходимость применения технологии буровзрывной подготовки к экскавации литотипов со средневзвешенной прочностью на сжатие около 45 МПа.

Результаты расчетов позволяют полагать, что при применении физико-химического способа разупрочнения относительно крепких вскрышных пород себестоимость их разработки имеющимся на разрезе «Бородинский» парком одноковшовых карьерных экскаваторов может быть снижена примерно на 12%.

Применение водных растворов поверхностно-активных веществ в технологиях управления состоянием горных массивов оправдано также в том случае, когда последние представлены существенно более крепкими литотипами с пределом прочности на сжатие 80 МПа и более. При этом целесообразно комбинировать буровзрывной и физико-химический способы управления прочностными характеристиками подготавливаемых к экскавации вскрышных массивов. В этом случае массив горных пород предварительно обрабатывается водным раствором ПАВ по вышеописанной технологии (сетка заливочных скважин примерно 10(10 м). Затем этот массив обуривается взрывными скважинами по сетке, расширенной по отношению к штатным значениям примерно на 17%, что позволяет примерно на 40% уменьшить удельный расход взрывчатых веществ.

В структурно ослабленном горном массиве эффективность взрывного рыхления возрастает не менее чем на 30% по сравнению с показателями, регистрируемыми при традиционной буровзрывной технологии. Это обеспечивается тем, что в ближней зоне заряда взрывчатого вещества практически исключается переизмельчение горной массы и одновременно повышается качество рыхления в пространстве максимально удаленном от осей сближенных взрывных скважин.

Такая технология подготовки горной массы к экскавации, например, эффективна в условиях Громадского щебеночного карьера ОАО «Разрез «Бородинский». Это подтверждается результатами опытно-промышленной проверки эффективности комбинированного способа рыхления горного массива в сопоставимых условиях на карьере АО «Павловскгранит». При отработке сильнотрещиноватого массива гранитов с пределом прочности на сжатие в образцах до 180 МПа при традиционной буровзрывной подготовке к экскавации выход негабаритных фракций составляет в среднем до 14%. При комбинированном же способе подготовки массива, обеспечивающем уменьшение удельного расхода взрывчатых веществ, выход негабарита сокращается примерно в 6 раз. Эффективность комбинированных способов подготовки массивов крепких пород к экскавации подтверждена также в весьма сложных горнотехнических условиях угольного разреза «Ольжерасский» в Кузбассе (рис. 5).

Результаты расчетов показывают, что за счет применения комбинированных способов подготовки к экскавации массивов крепких горных пород сфера применения выемочно-погрузочной техники в условиях улучшенных динамических показателей рабочего процесса расширяется примерно на 25% при одновременном сокращении почти на 40% удельного расхода взрывчатых веществ. При этом необходимость заложения дополнительного количества заливочных скважин глубиной примерно на треть меньше взрывных скважин практически не отражается на увеличении суммарного метража пробуриваемых скважин.

Имеющийся опыт и накопленный научно-технический потенциал по совершенствованию способов и средств подготовки породно-угольных массивов к экскавации показывает, что применение ресурсосберегающих экологически чистых способов физико-химического управления их состоянием позволяет повысить эффективность использования имеющейся на карьерах экскавационной техники и продлить сроки ее надежной эксплуатации, одновременно сокращая эксплуатационные издержки в процессах горного производства.

Журнал "Горная Промышленность" №3 2002