Опытно-промышленные работы по безвзрывной технологии с помощью комбайна Wirtgen 2200 SM на Проломовском месторождении пильных известняков (Украина)

М. Пихлер, президент фирмы Wirtgen International GmbH

П.В. Чумак, Председатель Правления ОАО «Белогорский завод строительных материалов»

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

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

Проломовское месторождение пильных нумулитовых известняков расположе но в Белогорском районе Автономной Республики Крым (Украина) в 8–9 км к северовостоку от г. Белогорска на малопродуктивных, каменистых землях Ва сильевского и Мичуринского сельских советов. В непосредственной близости находятся населенные пункты с. Пролом и с. Васильевка.

Месторождение эксплуатируется ОАО «Белогорский завод строительных ма териалов» (ОАО «БЗСМ»), которое поставляет пильный камень и строительные блоки предприятиям и частным покупателям Крыма и Юга Украины.

Фото 1 Отсыпка известняка в штабель при выполнении комбайном 2200 SM третьего прохода

Фото 1 Отсыпка известняка в штабель при выполнении комбайном 2200 SM третьего прохода

Полезная толща известняков восточного участка представлена двумя пласта ми, разделёнными более крепким слоем перекристаллизованных известняков. Мощность верхнего пласта известняков – до 10.6 м, он перекрывается толщей плотных глин. Мощность промежуточного слоя – от 2.7 до 5.4 м. Мощность ниж ней пачки известняков колеблется от 6.0 до 13.3 м.

Предел прочности известняков на сжатие – от 4.2 до 35.6 МПа, объёмная масса 1687–2402 кг/м3. До настоящего времени полезная толща отрабатывалась камнерезными машинами с получением стенового камня и строительных блоков.

Возможность и целесообразность применения комбайнов Wirtgen Surface Miner на месторождениях пильных известняков Крыма стала обсуждаться в конце 2008 года в связи с обозначившимся дефицитом флюсового сырья для металлургических заводов Украины. В тот же период потребность в блоках строительного камня резко снизилась. Эти два обстоятельства привели к изменению ситуаций на рынках флюсового сырья и строительных материалов, и к неизбежной диверсификации продуктового ряда карьеров карбонатного сырья.

Для удовлетворения возрастающей потребности металлургической промышленности Украины в высококачественном флюсовом сырье было принято решение о перепрофилироваии Проломовского карьера на производство карбонатного металлургического щебня. В связи с этим для оперативного изучения возможности производства флюсовых известняков на мощностях и сырьевой базе ОАО «БЗСМ» были проведены испытания комбайна Wirtgen SM.

Фото 1 Работа комбайна Wirtgen 2200 SM по схеме «windrows» с укладкой добытого известняка в «валки», располагаемые в межгусеничном пространстве

Фото 2 Работа комбайна Wirtgen 2200 SM по схеме «windrows» с укладкой добытого известняка в «валки», располагаемые в межгусеничном пространстве

Основные цели опытно-промышленных работ: установление принципиальной возможности качественной выемки известняков, отвечающих кондициям на флюсы металлургической промышленности, определение рациональных параметров работы комбайна Wirtgen модели 2200 SM, определяющих его техническую и эксплуатационную производительность, действенную возможность управления фракционным составом, а также чистоту и полноту выемки известняков из недр. В процессе опытных работ намечалось определить оптимальные эксплуатационные параметры работы комбайна. Критериями оптимальности служили с одной стороны уровень максимальной производительности комбайна и с другой стороны максимальный уровень выхода известняков (кондиционных для металлургии) фракции +20...80 мм (и более). При этом был учтён положительный опыт разработки массивов некрепких пород комбайном Wirtgen 2200 SM, оснащённым рабочим барабаном для разработки некрепких пород с применением рабочего органа с расширенным расстоянием между резцами (так называемым «угольным» барабаном).

Прогнозировалось, что в условиях невысокой крепости (до 35 МПа) и монолитной структуры массива известняка Проломовского месторождения достижимыми параметрами станут: техническая производительность комбайна в пределах 350–400 т/час; выход кондиционных металлургических фракций +20–80 мм и более в объёмах не менее 70% от общего объёма. Учитывая разнопрочностной характер массива известняка, разброс приведенных значений в отдельные периоды может составить 5–7%.

Табл. 1 Усредненные эксплуатационные показатели работы комбайна Wirtgen 2200 SM на Проломовском карьере

Комбайн Wirtgen 2200 SM (№08.21...0431) 11.09.2010 г. был доставлен на карьер, где в течение двух дней был смонтирован и подготовлен к работе в забое. После окончания монтажных работ, 13.09.2010 г. комбайн переехал в карьер на рабочую площадку, которая располагалась в верхней части полезной толщи.

Залегающие на этом участке карьера известняки отличались повышенной крепостью, что затрудняло отработку их с применением камнерезных машин. Исходя из этого, руководство предприятия заинтересовал вопрос принципиальной возможности их разработки на щебень фрезерными машинами. Несколько ранее на этой площадке испытывался в работе комбайн Vermeer Т 1255 (б/у).

По свидетельству специалистов карьера за полтора часа работы машины Vermeer Т 1255 показала производительность примерно 80–120 т/час, а по визуальной оценке фракционный состав добытого известняка на 70–80% составлял крупность до 20 мм, которая не соответствовала контрактным обязательствам. Поэтому комбайн был отправлен на другое месторождение.

Размеры опытной рабочей площадки для комбайна Wirtgen 2200 SM по длинной стороне составляли 25–30 м при ширине, равной 3–5 проходам комбайна. В начале работы поверхность площадки выровнена с помощью комбайна 2200 SM, что предопределялось тем, что поверхность ее была осложнена забоями-проходами машины Vermeer Т 1255. Рабочая скорость комбайна при фрезеровании, несмотря на сравнительно малые размеры площадки, составила 12–15 м/мин, глубина фрезерования изменялась от 5 до 25 см. Техническая производительность комбайна достигала 350–400 т/час. Таким образом, в условиях Проломовского месторождения комбайн Wirtgen 2200 SM в очередной раз продемонстрировал преимущества тонкослоевой выемки карбонатных пород.

Табл. 2 Выход фракций в зависимости от рабочей скорости движения комбайна (V) при фрезеровании с постоянной глубиной (барабан оснащен резцами типа W48 K15 с вылетом 100 мм и вставкой 15 мм, число оборотов барабана 93 мин&1)

Табл. 3 Выход фракций известняка в зависимости от глубины фрезерования при постоянной скорости движения (V) комбайна (тип оснащения и число оборотов барабана & те же, что и в табл. 2)

Табл. 4 Выход фракций известняка в зависимости от способа укладки материала в штабель

Следующий участок для разработки комбайном, представленный косогором с поперечным уклоном 7–8%, характеризовался высокой крепостью известняка, не подающегося механическому рыхлению с помощью мощного бульдозерно-рыхлительного агрегата.

Здесь длина рабочих проходов комбайна изменялась от 67 до 80 м, глубина фрезерования – от 16.3 до 18 см (средняя 17.4 см). Техническая и эксплуатационная производительности соответственно достигали 475.7 и 266.3 т/час. Время фрезерования и время манёвров в процессе выполнения четырех полных циклов (проходов комбайна) соответственно составили 56% и 44%. Время манёвров занимало большую часть рабочего времени из-за ограниченных размеров площадки, а также из-за неудобных условий разворотов комбайна, осуществляемых на косогоре. В процессе работ на первой и второй площадках специалисты ОАО «БЗСМ» убедились в высокой производительности комбайна Wirtgen 2200 SM и технологичности разработки месторождения с его помощью.

Во время экспериментов на третьей площадке, наряду с решением задачи по обеспечению заявленной производительности комбайна, предстояло определить эксплуатационно-технологические параметры его работы для достижения максимального выхода известняков кондиционных фракции +20...80 мм и более.

Размеры третьей площадки были переменными: на трети площадки по ширине её длина составляла 190–230 м, на двух третях – 70–100 м; общая ширина площадки – около 40 м. Из-за недостатка порожних автосамосвалов во время опытно-промышленных работ комбайн вёл прямую отсыпку известняка в штабели, используя консольный конвейер, и работал по схеме «windrows» с выпуском материала через открытые дверцы рабочей камеры – укладкой добытого известняка в «валки», формируемые в межгусеничном пространстве комбайна сзади по ходу его движения.

Фото 3 Рассев пробы известняка, добытого комбайном Wirtgen 2200SM на Белогорском карьере

Как всегда, для создания условий производительной работы комбайна сначала приступили к выравниванию микрорельефа площадки. С этой целью вдоль границы площадки комбайн выполнил три параллельных прохода (длиной около 210 м) по технологической схеме без холостых проходов – с разворотом в конце каждого рабочего прохода и фрезерованием в противоположном направлении. При этом добытый известняк отсыпался через конвейер комбайна за пределы добычной зоны (фото 1). Известняк с последующих полос-проходов отсыпался в штабели, также через конвейер, из которых затем отгружался одноковшовым колёсным погрузчиком на автомобильный транспорт и доставлялся на дробильно-сортировочный завод.

Начиная с 9-й т до 18-й полосы, комбайн работал по схеме «windrows»с отсыпкой известняка в «валки», выпуская его из открытых дверок рабочей камеры фрезерного барабана (фото 2).

В процессе ведения горных работ, начиная со второй опытной площадки, проводилось изучение эксплуатационных параметров комбайна, определяющих в динамике его производительность, а также затраты времени на выполнение различных операций производственного цикла. На основе хронометражных наблюдений регистрировались затраты времени отдельно по операциям фрезерования и на манёвры. Кроме того, проводился учёт времени простоев по разным причинам, а также затраты времени на ежесменное обслуживание, включающее заправку дизельным топливом и различные ремонтные работы.

Работы по ежесменному техническому обслуживанию, включающему осмотр и смазку узлов комбайна, агрегатов гидравлической системы и рабочего органа, занимающему около 30–40 мин. – не хронометрировались. В результате обработки данных ежедневных хронометражных наблюдений получены усредненные эксплуатационные параметры комбайна (табл. 1).

Анализ данных ежедневных хронометражных наблюдений позволил отследить динамику изменения эксплуатационных параметров работы комбайна. Так работа 15.09.2010 г. проходила в условиях достаточно сложного микрорельефа площадки и переменной ее длины. В результате толщина срезаемого фрезой слоя была переменной, от 15 до 22 см.

Велико было количество манёвров и среднее время, затрачиваемое на заезд комбайна, на новый забой при развороте или холостом обратном ходу. Однако уже на второй день условия для работы комбайна были улучшенными, что сразу отразилось на технической производительности и которая возросла с 680 т/час 16.09.2010 г., до 790 т/час на 16.09.2010 г. Соответственно возросла и эксплуатационная производительность – от 440 до 490 т/час. Второй задачей, подлежащей решению при работе комбайна на третьей площадке, было установление оптимальных параметров комбайновой технологии и степень их влияния на выход кондиционного флюсового известняка.

С этой целью в ходе экспериментов 16.09.2010 г. на барабане изменялся тип резцов, и выполнялись контрольные рассевы отобранных проб известняка. Первоначально фрезерный барабан был оснащен резцами типа W48 K15 с твёрдосплавной вставкой 15 мм и вылетом 100 мм. Комбайн при рабочем проходе отсыпал добытый известняк в штабель. Пробы отбирались с пересечением всего сечения штабеля перпендикулярно к его оси.

По длине штабеля размечались участки, отсыпанные при различных эксплуатационных параметрах (рабочей скорости и глубине фрезерования, различном типе резцов). Пробы известняка, отобранные в каждом из этих участков, рассеивались отдельно.

Известняк каждой пробы пропускался через сита с ячейками 85p85; 40p40 и 25p25 мм. Каждая из полученных фракций (>85 мм; –85...+40 мм; –40...+25 мм и <25 мм) взвешивалась, а массовые данные регистрировались в соответствующих таблицах. Массовая доля известняков фракции <25 мм рассевалась в лаборатории ОАО «БЗСМ».

В табл. 2 и 3 приведены результаты рассевов отобранных проб при исследовании влияния рабочих скоростей комбайна и глубины фрезерования на выход различных фракций известняка.

Результаты рассева одной из характерных проб добытого комбайном известняка иллюстрирует фото (фото 3).

Первые два рассева (см. табл. 2) особенно рельефно показывают, что увеличение рабочей скорости движения комбайна с 15 до 20 м/мин приводило к снижению на 3% выхода некондиционного известняка фракций <25 мм. Результаты рассева, приведенные в табл, 3, свидетельствуют, что уменьшение глубины фрезерования с 20 до 12 см, напротив, – приводило к увеличению выхода этой фракции на 7.4%.

Табл. 5 Выход фракций при работе комбайна на участке, представленном перекристализованными известняками, в зависимости от способа укладки добытого в штабель

Табл. 6 Выход фракций при работе комбайна на участке, представленном перекристализованными известняками, в зависимости от числа оборотов фрезерного барабана

Дальнейшие испытания комбайнового способа добычи флюсового известняка проводились после полного переоснащения рабочего барабана резцами типа W47 K12, с таким же вылетом (100 мм), но с меньшей твёрдосплавной вставкой – 12 мм. При этих работах рабочий барабан комбайна вращался с числом оборотов – 93 мин–1. Результаты рассевов проб, отобранных из штабелей, в которые укладывался известняк во время исследований, выполненных для оценки влияния способа укладки материала в штабель, представлены в табл. 4.

Результаты исследований (см. табл. 4) показывают, что за счёт работы комбайна с укладкой известняка в «валки» (схема «windrows») выход некондиционных металлургических фракции <25 мм может быть уменьшен до 54%, т.е. на 3.3% уменьшен, чем при прямой отсыпке в штабель.

Рассевы мелких некондиционных фракций были выполнены в лаборатории ОАО «БЗСМ». При этом было установлено, что фракция 20 мм в общем объёме проб составляет около 10%. В целом рассевы проб показали, что геологические особенности и физико-механические свойства полезной толщи месторождения (монолитность структуры и невысокая прочность известняков), на 45–50% предопределяют выход кондиционных фракций (+20...85 мм) флюсового известняка.

На третьей площадке за 2 дня экспериментов было добыто около 4 тыс. т известняка.

После выполнения, указанных выше исследований промышленное испытание комбайновой технологии было продолжено на четвертом опытном участке, представленном перекристализованным известняком (работы, по камнепилению которых были остановлены из-за повышения прочности известняков). Поверхность участка представляла собой ступенчатую форму, из нескольких подуступов высотой 40 см (иногда – 80 см) и шириной площадок от 4–5 до 10–15 м, которые последовательно погашались по мере отстройки временного борта (фото 4).

По мере понижения отметки забоя-площадки длина проходов комбайна возрастала в среднем с 87 м (на 21.09.2010) до 156 м (на 25.09.2010). При этом увеличивалось общая протяженность пути фрезерования комбайном. За период 20–25 сентября 2010 г. комбайном было добыто 11120 тыс. т известняка. При этом были изношены 46 резцов типа W47 K12, что позволяет определить их удельный расход – 4.1 шт. на 1000 т добытого известняка.

В дальнейшем по стандартной методике были отобраны пробы и выполнены рассевы известняка для исследования влияния способа укладки материала на выход различных фракций (табл. 5). Позже было также изучено влияние изменения числа оборотов фрезерного барабана на выход различных фракций (табл. 6). При этом для снижения число оборотов фрезерного барабана до 73 мин–1 были переустановлены шкивы ременной передачи. Из серии выполненных рассевов отобранных проб видно, что лучший фракционный состав получен при работе комбайна при уменьшенном числе оборотов фрезерного барабана по схеме укладки в «валки» (см. табл. 5 и 6). Учитывая почти 10%-ую долю фракций +20...25 мм, в дальнейшем можно ожидать, что выход некондиционных фракций в добытом комбайном известняке может быть снижен до 40%.

Данные, представленные в табл. 5, получены при числе оборотов рабочего барабана 93 мин–1 и его оснащении резцами типа W47 K12 с вылетом 100 мм и вставкой 12 мм. Данные, представленные в табл. 6 получены при использовании барабана, оснащенного резцами типа W48 K15 с вылетом 100 мм и вставкой 15 мм.

В период с 13 по 26 сентября 2010 г. в топливный бак комбайна было залито 4680 л дизельного топлива, и комбайн работал со дня первой заправки 74 моточас. Таким образом, среднечасовой удельный расход топлива составил 63.2 л/час, и, учитывая объём добытого за этот период известняка (17 тыс. т), удельный расход дизельного топлива составил около 0.275 л на каждую тонну добытого известняка.

Анализ современного состояния горных работ и горнотехнических условий разработки Проломовского месторождения известняков, с учётом полученных результатов опытно-промышленных испытаний комбайновой технологии, позволяют сделать ряд выводов:

В связи с общим ростом цен на оборудование, материалы и услуги, приведшим к резкому повышению затрат, задачи снижения издержек приобрели особо важное практическое значение, одновременно обуславливающие изыскание новых низкозатратных технологий горных работ. Одновременно с общим ростом цен повысились требования к охране окружающей среды, что также требует дополнительных затрат.

Одно из перспективных направлений совершенствования технологии горных работ, получивших всё большее распространение на карьерах мира, предусматривает использование комбинированных машин, способных производительно и безопасно разрабатывать массивы горных пород, совмещая основные операции горного производства: подготовку горных пород к выемке, выемку, погрузку в транспорт. Разработка месторождений с использованием таких комбайнов обеспечивает получение сырья крупностью, не требующей в дальнейшем крупного и большей части среднего дробления.

Особенно это актуально для карьеров, диверсифицирующих ряд продукции и изыскивающих новые рынки её сбыта. Невысокая прочность известняка Проломовского месторождения открывает хорошую возможность для эффективного перехода на безвзрывную тонкослоевую технологию с применением комбайнов Wirtgen Surface Miner, оснащенных угольным рабочим органом. При этом ожидаемая техническая и эксплуатационная производительность комбайна Wirtgen 2200 SM будут на уровне соответственно 580 и 360 т/час.

Фото 4 Отработка комбайном заходки с отсыпкой известняка в штабель, устраиваемый на вышележащем горизонте

Фото 4 Отработка комбайном заходки с отсыпкой известняка в штабель, устраиваемый на вышележащем горизонте

Проведенными в промышленных условиях исследования по оптимизации эксплуатационных параметров комбайновой технологии подтверждено, что геологические и структурные особенности, а также прочностные характеристики пластов известняка Проломовского месторождения не позволят снизить выход мелких фракций (<20 мм), являющиеся некондиционными для использования в качестве флюсового металлургического сырья до уровня менее 40–50%. Результаты рассева всех проб известняка, добытого комбайном, показали, что наибольший выход известняка кондиционных металлургических фракций может быть получен при работе комбайна с уменьшенным числом оборотов фрезерного барабана, а также при применении технологии «windrows», предусматривающей складирование известняка в «валки».

Журнал "Горная Промышленность" №5 (93) 2010, стр.52