Ввод в эксплуатацию карьерного комбайна Wirtgen 2500 SM в карьере Черногорского месторождения ГУП «Чеченцемент»

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

С-А.А. Габаев, начальник горного цеха ГУП «Чеченцемент»

Ю.Б. Панкевич, руководитель направления продаж комбайнов Wirgen Surface Miner, ООО «Виртген-Интернациональ-Сервис»

М.Ю. Панкевич, менеджер по продажам горных комбайнов, ООО «Виртген-Интернациональ-Сервис»

Государственное Унитарное Предприятие (ГУП) «Чеченцемент» расположено на территории Чеченской республики в г. Чири-Юрт Шалинского района. В 20ти км от города в Шатойском районе расположена сырьевая база завода – Черногорское месторождение карбонатных пород, которое разрабатывается по традиционной технологии с буровзрывной подготовкой пород к выемке. Работы по переходу на безвзрывную технологию выемки карбонатных пород с использованием комбайна Wirtgen Surface Miner модели 2500 SM были проведены в ноябре-декабре 2012 г. на участке – гора Мамышасты Черногорского месторождения, служащем сырьевой базой ГУП «Чеченцемент». Этому предшествовали специальные исследования прочностных свойств пород месторождения, результаты которых подтвердили техническую возможность и рациональность применения безвзрывной технологии добычи сырья с использованием комбайнов Wirtgen Surface Miner. Геологическая характеристика месторождения

Участок Черногорского месторождения – гора Мамышасты, был охвачен эксплуатационной разведкой в 1984–1985 гг. и в 1993 году, в процессе которых изучены качественные характеристики запасов цементного сырья.

Продуктивная толща месторождения представлена карбонатными породами Верхнего мела Датского и Маастрихтского ярусов. По данным химанализов отложения Датского яруса (табл. 1) можно отнести к категории высоко известковистых пород, от Маастрихта к «натуралам».

Первые отложения представлены светло-серыми пелитоморфными известняковистыми мергелями в виде пластов мощностью 0.4–0.6 м, разделенных прослойками тонкослоистых серых или зеленовато-серых мергелей толщиной от долей см до 0.2–0.3 м.

Как видно из табл. 1, из-за неравномерного распределения мергелей отложения Датского яруса характеризуются весьма изменчивым составом.

Контакт пород этого яруса и нижележащей толщи Маастрихта в пределах месторождения находится по резкой смене светло-серых известковистых мергелей с содержанием СО2 48–49% и серыми мергелями с содержанием СО2 менее 45%.

Отложения Маастрихтского яруса преобладают в разрезе полезной толщи месторождения. В составе яруса по литологии выделяются две разновидности: верхняя, сложенная мергелями, и нижняя, сложенная мергелистыми известняками.

Верхняя часть сложена тонкопереслаивающимися серыми, реже светло-серыми известняковыми мергелями и мергелями более темной окраски, примерно в равных объемах. Мощность прослоев изменяется от 0,1 до 0,4 м.

Вещественный состав пород: карбонаты, представленные кальцитом (75–80%) и доломитом (3–7%); глинистый материал (9–22%), равномерно распределенный в общей массе; органические остатки составляют 15–20% карбонатов; отмечены редкие зёрна кварца, глауконита, мусковита. Химический состав пород приведён в табл. 2.

Мергелистые известняки нижней части Маастрихтского яруса представлены однообразными, массивными и толстоплитчатыми крепкими пелитоморфными мергелистыми известняками светло-серой, почти белой окраски. Мощность отдельных пластов, разделенных стилолитовыми швами, колеблется от 0.1 до 0.2 м.

В целом, породы Датского яруса, в пределах изученных эксплуатационной разведкой горизонтов, – высокоизвестовистые и могут использоваться для производства цемента лишь в смеси с глинами Дуба-Юртовского месторождения. Породы верхней толщи Маастрихтского яруса удовлетворяют требованиям на цементное сырье и могут использоваться в качестве самостоятельного компонента (без глин) для производства портландцементного клинкера.

В карбонатных породах Черногорского месторождения трещиноватость развита повсеместно. Это и трещины выветривания, и тектонические трещины, образовавшиеся в период формирования Варандийской антиклинали. Большинство трещин в зонах – прямолинейные, тонкие, зияющие, реже выполненные крупнокристаллическим кальцитом. Протяженность их варьируется в широких пределах от десятков сантиметров до нескольких метров. Модуль трещиноватости достигает 10–20 трещин на 1 м (фото 1).

Фото 1 Общий вид уступа 740 м, отрабатываемого экскаватором с буровзрывной подготовкой пород к выемке

Поверхностное карстопроявление в районе месторождения практически отсутствует. Распространение глубинного карста наиболее часто встречается в мергелистых известняках нижней части Маастрихтского яруса. В породах верхней части этого яруса карстопроявления редки, а в породах Датского яруса они практически отсутствуют. Карстовые полости в основном не заполнены. В целом по месторождению проявления карста ограничены и не представляют серьезных проблем для производства горных работ.

Исследования прочностных свойств пород месторождения

Прочностные свойства карбонатных пород Черногорского месторождения были впервые изучены при проведении геологоразведочных работ в 1980–81 гг. и характеризовались следующими показателями:

- плотность известняка и мергеля – 2,49 г/см3;

- предел прочности при сжатии – 31–141 МПа;

- предел прочности при растяжении – 10–22,8 МПа.

Определенные ранее значения предела прочности на сжатие продемонстрировали значительный разброс значений (4,5 раза), поэтому спустя 20 с лишним лет было решено провести повторные испытания. За это время были освоены производством современные горные машины, в конструкции которых совмещено выполнение основных операций горного производства: подготовка горной массы к выемке и выемочно-погрузочные работы.

Целью испытаний стало изучение свойств горных пород, определяющих возможность и эффективность тонкослоевой разработки массива с помощью карьерных комбайнов Wirtgen Surface Miner.

Образцы пород были отобраны в карьере участка Черногорского месторождения – гора Мамышосты, на горизонте 725 м (фото 2) и представляли собой куски известкового мергеля (мергелистый известняк) светло-серой окраски, плотной мелкозернистой структуры, не имеющей явно выраженной слоистости. Размеры образцов: №1 – 170ˆ100ˆ85 мм; №2 – 115ˆ102ˆ90 мм; №3 – 120ˆ80ˆ55 мм.

Фото 2 Вид на уступ 740 м, первоочередная отработка которого запланирована комбайном (подошва уступа – площадка гор. 725 м)

Испытания физико-механических свойств трех отобранных образцов Черногорского месторождения позволили получить следующие характеристики:

- образец №1 – прочность на сжатие 68,20 МПа (средние значения), с колебаниями от 40 до 92 МПа. Отношение прочности на сжатие к прочности на растяжение 9,8;

- образец №2 – прочность 69,9 МПа (средние значения), с колебаниями от 38,8 до 122,6 МПа. Отношение прочности на сжатие к прочности на растяжение 7,08;

- образец №3 – прочность на сжатие 78,40 МПа (средние значения), с колебаниями от 30,4 до 136 МПа. Отношение прочности на сжатие к прочности на растяжение 7,4.

Результаты испытаний показали, что в образцах (также как и в массиве), с одной стороны, существует значительный разброс прочностных данных, а с другой – средние значения полученных показателей по каждому образцу отличаются весьма незначительно.

Полученные значения предела прочности на сжатие по образцам свидетельствуют о достаточно сложных условиях безвзрывной разработки этих слоёв и необходимости применения для этих целей комбайна Wirtgen типоразмера не ниже 2500 SM.

Современное состояние горных работ

В соответствии с решениями горной части проекта ООО «Институт Южгипроцемент» разрабатывается месторождение нагорного типа (гора Мамышасты). Превышение отметок от долины до верхнего вскрышного уступа составляет около 400 м. Месторождение вскрыто автосъездом с руководящим уклоном около 80‰. При наличии трех серпантинов, оно имеет общую длину около 3,5 км.

В настоящее время добыча полезного ископаемого осуществляется на двух уступах высотой по 15 м (гор. 725 м и 740 м). Отработка покрывающих пород (рыхлая вскрыша и некондиционное полезное ископаемое) ведется двумя уступами, расположенными выше гор. 740 м в северо-восточной части карьера.

Выемочно-погрузочные операции после буровзрывного рыхления массива, производятся механической лопатой ЭКГ-5, транспортирование – автосамосвалами БЕЛАЗ грузоподъемностью 30 т. Добытый известняк в автосамосвалах доставляется к рудоскату, приемное устройство которого расположено на отметке 725 м (фото 3).

Фото 3 Приемное устройство рудоската на гор. 725 м

Далее по рудоскату, выполненному в виде металлических труб (фото 4), известняк под собственным весом перемещается на гор. 470 м, где организован склад сырья, и откуда оно экскаватором отгружается в автотранспорт, доставляющий на цементный завод. Дальность транспортирования сырья от склада до цементного завода составляет около 20 км.

Буровые работы осуществляются двумя станками: один – пневмоударного типа на гусеничном ходу, второй – на колесном ходу со шнековым рабочим органом.

Методика проведения испытаний комбайновой технологии

Фото 4 Общий вид рудоската

Комбайн Wirtgen 2500 SM (№6.26.068) был доставлен на карьер цементного завода 23 октября 2012 г. где сразу же, под руководством и с участием сервис-механиков фирмы «Виртген-Интернациональ-Сервис», начался его монтаж. В период до 30 ноября были установлены противовес и разгрузочный конвейер, произведено соединение запиточных магистралей.

После окончания монтажа комбайн был направлен на площадку, отведенную в карьере для его работы, которая располагалась в верхней части полезной толщи с отметками поверхности 740 м (см. фото 1–2).

По форме площадка представляла собой трапецию, расположенную в юго-восточной части карьера вдоль откоса 725–740 м, с размерами длинной стороны – 150 м, короткой стороны – 90 м (вдоль въездной дороги) до 140 м и на юге до 30 м. С северной, восточной и южной сторон площадка ограничивалась косогорами рельефа.

Фото 5 Комбайн Wirtgen 2500 SM работал в комплекте с карьерным автосамосвалом БЕЛАЗ грузоподъемностью 30 т

Поверхность площадки была представлена неровным микрорельефом с буграми и впадинами размерами 0,5–1 м, которые было необходимо выровнить. Комбайн работал в комплекте с карьерным автосамосвалом БЕЛАЗ грузоподъемностью 30 т.

Следует отметить, что с первых часов работы управление комбайном осуществлялось операторами, которые одновременно проходили обучение практическим навыкам работы на новой горной технике под руководством сервис-механиков и технологов ООО «Виртген-Интернациональ-Сервис».

После соответствующего инструктажа операторов 31 октября комбайн выполнил первые несколько проходов вдоль верхней бровки на гор. 740 м (фото 6). При этом добытый известняк конвейером укладывался на гор. 725 м, образуя внутрикарьерный склад сырья.

Фото 6 Начало отработки площадки: первые комбайновые проходы вдоль выработанного пространства со складированием добытого сырья на гор. 725 м

Так как значительная часть границы площадки проходила вдоль откоса пятнадцатиметрового уступа, важным было обеспечить условия безопасной эксплуатации комбайна при его работе в зоне откоса.

Решение этой задачи осложнялось тем, что практически по всей границе северной части площадки откос был неровный с заколами и выступами. Тем не менее, для успешного перехода от старой технологии добычи на новую – комбайновую, необходимо было найти правильное решение.

Необходимость организации работы комбайна вне призмы возможного обрушения откоса, как это предусмотрено ЕПБ, потребовало специальной организации работ, т.к. после нескольких параллельных проходов комбайна и фрезерования нескольких слоев толщиной около 50–55 см, вдоль верхней бровки откоса уступа формируется целик (условно в форме трапеции). Отработка этого целика может осуществляться с помощью специальной техники, например, бульдозерно-рыхлительного агрегата или гидравлической обратной лопаты.

К одному из методов обеспечения безопасных условий для работы комбайна относится оставление в приоткосной части уступа неподобранной полосы из взорванных горных пород, которая служит «пригрузкой» откоса (см. рис.). В этом случае комбайн уверенно разрабатывает массив вдоль откоса и по мере опускания отметки площадки взорванный материал «пригрузки» перемещается под откос уступа бульдозером.

Такая схема апробирована на Джегутинском карьере известняка ЗАО «Кавказцемент» при отработке гор. 720 м, у подножья которого формировался склад сырья, обеспечивающий – в периоды простоев комбайнов по различным причинам – должную ритмичность подачи сырья на завод. В условиях Черногорского карьера для отработки прибортовой зоны намечено использовать гидравлический экскаватор, который будет срабатывать верхнюю бровку откоса уступа и выполаживать этот откос, разрушая целик, оставшийся после прохода комбайна вдоль бровки. Одновременно по мере отработки горизонта 725–740 м, добытые карбонаты из автотранспорта будут отсыпаться под откос, формируя «пригрузку» откоса. Одновременно будет создаваться внутрикарьерный склад из перемещенного ранее на нижележащий горизонт материала.

Кроме выравнивания поверхности площадки для улучшения условий работы автосамосвалов, комбайном была также выполнена профилировка и выравнивание поверхности въезда на уступ, где располагалась опытная площадка.

В ходе ведения горных работ по новой технологии изучались достигнутые комбайном эксплуатационные параметры, определяющие в динамике его производительность, а также регистрировались затраты времени на выполнениями различных операций производственного цикла (табл. 3). Хронометражными наблюдениями фиксировалось время работы комбайна при фрезеровании, затраты времени на маневры и на обмен автосамосвалов под погрузку. Регистрировалось время простоев комбайна по разным причинам, в том числе из-за отсутствия порожних транспортных средств, а также затраты времени на его ежесменное техническое обслуживание (ТО), включающие: прогрев двигателя; очистку гусениц, конвейера и рабочей камеры фрезерного барабана от налипающих пород; заправку дизельным топливом и водой, а также осмотр узлов комбайна, смазка, проверка гидросистемы и рабочего барабана. Время выполнения каждого ТО (не включая заправку дизельным топливом и водой) не хронометрировалось, а принималось по 30 минут в смену.

В расчетных показателях принята следующая терминология: - эксплуатационное время (Тэ = Тф + Тр + Тз) – как сумма времени на операции фрезерования с погрузкой (Тф), на развороты в конце рабочего хода для работы в обратном направлении (Тр) или на обратные холостые ходы (то есть время на маневры) и на обмен автосамосвалов под погрузкой (Тз);

- эксплуатационная производительность – в тоннах за час эксплуатационного времени;

- техническая производительность: в тоннах за час чистого фрезерования и погрузки (Тф).

Анализ результатов по этапам работы комбайна

Анализ данных ежедневных хронометражных наблюдений позволил проследить динамику производительности и других эксплуатационных параметров работы комбайна. В период с 23 по 26 ноября, когда комбайн выполнял выравнивание микрорельефа площадки и одновременно осуществлял добычные работы, его техническая производительность изменялась от 396 до 450 т/час. Глубина фрезерования была также резко переменной – от 5–30 до 45 см.

Среднее время полной загрузки 30-ти тонного автосамосвала в эти дни изменялось от 3,57 до 4,1 минуты. Велико было время, затрачиваемое на маневры (от 32 до 44% эксплуатационного времени), что было связано с ограниченными размерами площадки и с большой долей коротких проходов комбайна. Так как, в период с 23 по 26 ноября значительную часть времени смены комбайн работал в комплекте с одним автосамосвалом, то время на обмен автосамосвалов было практически равно времени простоя комбайна в ожидании транспорта и составляло, например, 23 ноября 1,5 часа. В дальнейшем, в отдельные периоды к работе с комбайном подключался второй автосамосвал, что резко снизило время простоя комбайна. При этом эксплуатационная производительность комбайна изменялась от 218 до 230 т/час.

К 28 ноября площадку комбайн в основном выровнил и вдоль северной ее границы приступил к нарезке врубовых выработок-проходов.

Фото 7 Работа комбайна, оснащенного лазерным нивелиром: датчики – на комбайне, а нивелир на треноге – на специальном столбе

Следующая неделя характеризуется более высокими показателями добычи, т.к. улучшилась поверхность площадки, что позволило комбайну работать с большей глубиной резания (в среднем 50–55 см).

В период с 8 по 12 декабря хронометражные наблюдения были продолжены. Как и ожидалось, время загрузки автосамосвала снизилось до 2,76–2,25 мин. Эксплуатационная производительность выросла от 316 до 370 т/ч, а техническая – до 700 т/час. Двенадцатого декабря за 6 учетных часов комбайном было погружено 1485 т карбонатного сырья.

В начале декабря на комбайне были установлены датчики лазерной системы нивелирования (фото 7), одновременно на площадке на специальном столбе был установлен лазерный двухуровневый нивелир модели EAGLE-350, позволивший кроме топографической съемки поверхности площадки, выполнять ее планомерную отработку.

Датчики нивелира позволяют в автоматическом режиме управлять рабочим барабаном комбайна и процессом фрезерования массива, выполняя отработку площадки с проектными уклонами. Для обеспечения поверхностного водоотвода и условий для производительной работы комбайна площадке были приданы следующие уклоны: по длине – 2,5%, в поперечном направлении – в сторону выработанного пространства – 1%.

Одновременно был проведен анализ эффективности использования комбайном эксплуатационного часа (табл. 4). Полученные результаты показали, что в период с 23 по 26 ноября доля времени фрезерования и погрузки изменялось от 48,7 до 59,1%, маневры заняли от 32,3 до 44,4%, а время на обмен автосамосвалов под погрузкой – от 6,9 до 8,7%.

В этот период эксплуатационная производительность комбайна составляла 218–230 т/ч.

Анализ работы комбайна с 08 по 12 декабря, в очередной раз подтвердил, что ограниченные размеры площадки приводят к большому числу маневров, обусловленных короткими ходами комбайна. Тем не менее, доля времени на маневры снизилась до 22–37%, а время чистого фрезерования с погрузкой в автосамосвалы увеличилось до 51,5–68,5%. Одновременно, эксплуатационная производительность возросла до 316–370 т/час.

В табл. 5 и 6 приведены результаты анализа использования комбайном времени смены. Доля эксплуатационного времени комбайна к концу рассматриваемого периода возросла до 65,4–83,4%; доля времени на техническое обслуживание составила 10–15%; простои в ожидании транспорта изменялось от 6 до 25,6%. Это значит, что в отдельные смены суммарно комбайн простаивал в ожидании порожних автосамосвалов от 20 до 70–77 мин. Особенно это наблюдалось в начальный период – 23– 24 ноября 2012 года.

Сокращение доли времени на маневры комбайна при поворотах или обратном холостом ходе, а также полное обеспечение комбайна автомобильным транспортом позволят на 7–10% повысить эксплуатационную и сменную производительность комбайна.

Наработка опыта слаженной работы водителей автосамосвалов и операторов комбайна также приведет к улучшению производственных показателей карьера.

С целью оценки степени влияния эксплуатационных параметров работы комбайна на выход различных фракций добытого мергеля, были выполнены рассевы нескольких проб. Для этого комбайн фрезеровал массив мергеля при различных рабочих скоростях движения, а добытый материал через конвейер укладывал в непрерывный по ходу движения штабель. Пробы отбирались в середине штабеля, отсыпанного при определенной рабочей скорости движения комбайна, по всему поперечному сечению штабеля.

Всего были отобраны и рассеяны по фракциям пробы продуктов, полученных при фрезеровании с рабочими скоростями комбайна 4 м/мин, 7 м/мин, 9 м/мин и 10,6 м/мин.

Пробы рассеивались на ситах с ячейками 100ˆ100 и 50ˆ50 мм, полученные фракции (>100 мм; –100...+50 мм; <50 мм) взвешивались, массовые данные регистрировались в таблицах (фото 8).

Данные табл. 7, показывают, что увеличение рабочей скорости от 4 до 10,6 м/мин снижает долю мелких (<50 мм) фракций – с 62,6 до 39,15%, и, одновременно, приводит к увеличению выхода фракций размером >100 мм – с 10,3 до 36,79%.

Фото 8 Результаты рассева одной из проб мергелистого известняка

За период эксплуатации с 26 октября по 8 декабря в топливный бак комбайна было залито 7301 л дизельного топлива. При этом комбайн отработал со дня первой заправки 151 машиночас. С учетом этого, средний удельный расход топлива в этот период составил 48,35 л/час.

Выводы

Анализ существующего положения горных работ и горнотехнических условий разработки Черногорского месторождения, в сочетании с полученными результатами опытной эксплуатации комбайна Wirtgen 2500 SM, позволяет сделать следующие выводы:

- Неуклонный рост цен на оборудование, материалы и услуги, приводит к повышению производственных затрат. В связи с этим задачи снижения издержек производства становятся особенно актуальными и обусловливают изыскание новых низкозатратных технологий горных работ.

Одновременно в стране значительно повышается внимание к охране окружающей среды.

- Одно из направлений совершенствования технологии горных работ состоит в увеличении масштабов использования в карьерах современных машин, способных высокопроизводительно и безопасно разрабатывать массивы горных пород и совмещающих в комбинированном процессе основные операции горного производства – рыхление массива, погрузку и дробление отбитой горной массы. Глобальная и отечественная практика убедительно показывают, что горные комбайны Wirtgen Surface Miner надежно сочетают эти операции при выемке скальных пород прочностью до 120 МПа, обеспечивая при этом получение уже в забоях карьера кусок крупностью, не требующей не только первичного (крупного), но и в значительной части среднего дробления.

- Средне прочностные характеристики известняка и мергеля Черногорского месторождения с учетом достигнутого уровня технической и эксплуатационной производительностей комбайна (соответственно 720 и 370 т/час), дают основания рассчитывать на эффективный переход к безвзрывной (тонкослоевой) их выемке с применением комбайнов Wirtgen Surface Miner.

- На основе анализа рассевов отобранных проб, установлено, что достигнутые уровни выхода крупных (>100 мм) фракций в пределах 10–20%, как и мелких (<50 мм) фракций в пределах 30–60% в добытой комбайном массе сырья напрямую зависят от рабочей скорости движения комбайна. Эту закономерность нужно помнить и постоянно учитывать в технологии отработки Черногорского месторождения комбайнами, так как при перепуске добытого сырья по трубам большого диаметра, повышенная сверх меры доля мелких фракций может стать причиной образования в них зависей и даже пробок.

Журнал "Горная Промышленность" №1 2013, с 60