Специализированные виды автотранспорта для горнодобывающих предприятий.

 В.Л. Яковлев, П.И. Тарасов, А.Г. Журавлев, В.О. Фурин, А.Г. Ворошилов, А.П. Тарасов, Е.В. Фефелов


Институт горного дела УрО РАН и специалисты в области открытых горных работ и транспорта ОАО Институт «Урал-гипроруда» ведут разработку новых транспортных технологий для карьеров. Сформирована научно-исследовательская группа молодых ученых - аспирантов под руководством член-корр. В.Л. Яковлева и к.т.н. П.И. Тарасова, в задачи которой входит разработка новых видов транспорта, способных повысить эффективность открытой разработки месторождений глубокими карьерами. В группу входят сотрудники Института горного дела УрО РАН, ОАО Институт «Уралгипроруда», Института «Якутнипроалмаз» АК «АЛРОСА» (ЗАО), «ОМЗ Горное оборудование и технологии», ООО «Уральский дизель-моторный завод», ГОУ ВПО УГТУ-УПИ и других организаций.

Горно-технические и дорожно-транспортные условия эксплуатации большегрузных автосамосвалов на открытых горных работах весьма разнообразны. Это обусловлено спецификой месторождений, неравномерностью выемки горной массы по горизонтам карьера, изменением величины средневзвешенного уклона трассы, расстояний и принятых схем транспортирования, а также среднего «возрастного состава» технологического парка автомобилей, уровня квалификации водителей и рядом других факторов.


Сегодня все острее проявляется проблема систематизации условий эксплуатации карьерного автотранспорта, так как многообразие параметров и характеристик карьеров не позволяет удовлетворить индивидуальные требования каждого из них в конструкции автосамосвалов. Отечественные производители карьерных автомобилей поднимают вопрос о целесообразности классифицировать действующие и проектируемые карьеры с учетом их перспективного развития на группы по принципу технолого-экономической значимости автотранспорта в общей системе эффективного функционирования карьера [1]. Такая систематизация необходима как автопроизводителям, так и технологам, и проектировщикам горных предприятий, она будет способствовать созданию карьерных автотранспортных средств, отвечающих современным горнотехническим условиям конкретных горнорудных предприятий.

На наш взгляд, целесообразно делить рабочее пространство карьера по характеру условий эксплуатации автомобильного транспорта на типовые группы или зоны, для чего необходимо установить степень эффективного использования автомобильного транспорта на рудных карьерах. Под типовыми условиями автомобильного транспорта следует понимать совокупность средних, наиболее вероятных, условий, которые определяют эксплуатационные и технико-экономические показатели работы автотранспортных средств.


В настоящее время вся совокупность возможных условий эксплуатации карьерного автотранспорта варьируется в значительных пределах. Максимальной глубиной ведения открытых горных работ на ближайшую перспективу можно считать 800-1000 м. Установлено, в частности, что технические возможности открытого способа, например, в Западной Якутии, позволяют освоить глубины до 800-850 м [2], а дальнейшее развитие карьера «Мурунтау» (Навоийский ГМК, Узбекистон), предполагается до глубины 1000 м [3].

В качестве определяющего признака классификации при установлении зон нами предлагается средневзвешенный продольный уклон автодорог, в значительной мере определяющий условия эксплуатации автотранспорта. Согласно предлагаемой систематизации (рис. 1) выделены:
-    нагорные карьеры - выше уровня земной поверхности;

-    неглубокие карьеры - карьеры глубиной до 200 м;

-    глубокие карьеры - карьеры глубиной до 400 м;

-    сверхглубокие карьеры - глубиной до 600 м;

-    суперглубокие карьеры - глубиной более 600 м. Безусловно, основным (превалирующим) транспортом в

ближайшем будущем останутся классические карьерные автосамосвалы с дизельным двигателем в сочетании либо с гидромеханической, либо с электромеханической трансмиссией колесной формулой 4x2. Удельная мощность дизельных двигателей всего параметрического ряда карьерных автосамосвалов должна отвечать условиям эксплуатации и наиболее вероятно будет иметь, как минимум, два диапазона: для средних условий: для тяжелых условий эксплуатации. При этом скорость движения на 80%о затяжных подъемах должна составлять не менее 18-20 км/ч. Наряду с классическими карьерными автосамосвалами все большее распространение будут находить специализированные и специальные автотранспортные средства.

Произошедший рост цены на нефть - «первый звонок» глобального энергетического кризиса, который обязательно начнется уже в обозримом будущем. Поэтому отсчет тех 15-20 лет, которые необходимы для разработки и внедрения новых карьерных транспортных средств, позволяющих использовать местные, нетрадиционные и возобновляемые источники энергии, следует начать уже сейчас.


Под специализацией понимается конструктивные изменения автотранспорта. Специализация требует изменения большого количества узлов и агрегатов, и особенно силовой установки, к которой в современных условиях предъявляются высокие требования по экологичности, экономичности, надежности при условии обеспечения высокой производительности автосамосвала, скорости его движения и крутизны преодолеваемого подъема. Разработка и применение новых типов энергосиловых установок на карьерном автотранспорте целесообразно в том случае, если они - при сохранении достигнутого уровня основных показателей эксплуатации - будут иметь ряд преимуществ.

Институт горного дела УрО РАН совместно с другими институтами и предприятиями, среди которых РУПП «БелАЗ», Институт «Уралгипроруда», ООО «ОМЗ - Горное оборудование и технологии», ООО «Уральский дизель-моторный завод», Конструкторское бюро транспортного машиностроения г. Омск, УКБТМ г. Нижний Тагил, ФГУП Уралтрансмаш, УГТУ-УПИ и другими разрабатывает перспективный ряд новых транспортных и погрузочных средств (табл.1).

Кроме рассмотренных в статье, принципиально возможны и другие транспортные средства на колесном ходу, например, электромобили, гиротроллейвозы и др. Но они, по различным причинам, пока не имеют реальных перспектив использования в качестве карьерного транспорта.
Использование рядом зарубежных фирм дизель-троллей-возного транспорта на горных предприятиях с открытым способом добычи, а также испытания отечественных образцов показали ряд преимуществ применения дизель-трол-лейвозного транспорта, таких как снижение расхода дизельного топлива на 30-80%, увеличение скорости движения при питании от троллеи на 20-50%, рост производительности на 10-20%, увеличение уклонов автодорог и вследствие этого уменьшение разноса бортов в конечном контуре карьера, уменьшение загазованности внутрикарьерного воздушного пространства и другие.

Вместе с отмеченными достоинствами у дизель-троллей-возного транспорта имеется ряд недостатков, которые можно условно разделить на две группы:

1.    Конструктивные - более сложная конструкция; необходимость строительства тяговых подстанций и троллейной системы; возрастание расходов на ремонт и необходимость обслуживания двух типов силовых установок; повышенный износ шин, пропорциональный росту производительности;

2.    Технологические - необходимость расширения автомобильных дорог и повышение затрат на их содержание; потребность в устройстве горизонтальных площадок для подключения к контактной сети; частичная утрата автономности, снижение маневренности дизель-троллейвозов; более сложная организация работы на пересечениях транспортных коммуникаций.

Перечисленные недостатки в целом снижают эффективность применения дизель-троллейвозов на открытых горных работах. Считаем, что без разработки специальной технологии ведения открытых горных работ и внедрения кардинальных изменений в конструкцию дизель-троллейвозов, перспективы их эффективного применения в карьерах остаются слабыми.


Вместе с тем, перспективность применения электрифицированных систем автотранспорта для работы в глубоких карьерах увеличивается в условиях непрерывно возрастающих цен на жидкое топливо и высокой вероятности отработки его разведанных запасов в течение ближайших 20-30 лет. Поэтому оснащение горных предприятий и расположенных рядом городов и поселков-потребителей тепловой и электрической энергии, мобильными энергоустановками, ориентированными на энергопотребление конкретного предприятия, должно осуществляться с использованием когенерационных технологий. Вблизи угольных карьеров или непосредственно на их борту устанавливаются мобильные (или строятся стационарные) теплоэлектрические станции, работающие на добытом топливе, обеспечивающие электроэнергией добывающее пред-
приятие и поставляющее тепло расположенным вблизи городам и поселкам.

В этих условиях целесообразным становится применение троллейвозного транспорта (с питанием только от троллейной сети). При использовании его в качестве магистрального транспорта отпадают многие недостатки (указанные выше) характерные для дизель-троллейвозов. Главная технологическая особенность предлагаемого троллейвозно-го транспорта - отпадает необходимость его эксплуатации на уступах и на отвалах, то есть на автономном дизельном двигателе. Такие условия имеются на ряде предприятий России (рис. 2). Соответственно, существенным конструктивным отличием от дизель-троллейвозов становится отказ от установки дорогостоящего и затратного в эксплуатации дизельного двигателя.


В практическом плане к вопросу создания транспорта с питанием только от троллейной сети для открытых горных работ отечественное машиностроение не возвращалось, и попытки его создать не предпринимались.

Таким образом, условия применения троллейвозного транспорта на открытых горных работах определяются:

-    при отсутствии возможности (по разным технико-экономическим или иным причинам) использования железнодорожного транспорта;

-    на угольных карьерах при отгрузке на внешний магистральный железнодорожный транспорт;

-    наличием вблизи гидроэлектростанций;

-    возможностью длительной эксплуатации троллейвозов
на постоянной трассе.

В перспективе, по нашему мнению, целесообразно применение троллейвозного транспорта в качестве магистрального на глубоких горизонтах карьеров. Мы считаем, что использование его в рабочей зоне карьера - нецелесообразно.

Доминирующим видом транспорта глубоких горизонтов карьеров в настоящее время, безусловно, является автомобильный. Однако с увеличением глубины карьеров значительно усложняются условия его работы, что приводит к существенному ухудшению технико-экономических показателей. Исследованиями ряда авторов установлено, что уменьшить отрицательное воздействие горнотехнических условий, осложняющихся по мере роста глубины карьера можно за счет применения комбинированных энергосиловых установок (КЭУ). Отличительная особенность и главное достоинство КЭУ состоит в использовании эффекта рекуперации энергии. Принцип работы автосамосвала с КЭУ, предложенный специалистами ИГД УрО РАН, представлен на рис. 3.


Главное достоинство КЭУ заключается в сокращении времени работы ГТД на частичных режимах и холостых оборотах. Система комбинированного питания с буферным источником энергии (АЭ) позволяет использовать достоинства ГТД и АЭ и в значительной мере избежать тех недостатков, которые проявляются при использовании каждого из них в отдельности. При этом объединенные в одной схеме двигатель и аккумулятор энергии работают каждый только на определенных этапах транспортного цикла, в оптимальных для этого условиях, что позволяет двигателю работать в стационарном режиме, а необходимая емкость аккумулятора энергии в несколько раз меньше, чем требуется для электромобилей.

Благодаря конструктивным особенностям автосамосвалов с КЭУ при их использовании на карьерах можно достичь следующих положительных результатов:

- увеличить моторесурс и повысить надежность силовой установки карьерного автосамосвала;
-    увеличить продольный уклон автодорог до 10-14%;

-    уменьшить объем горнокапитальных работ;

-    повысить производительность автосамосвалов на 15-20%;

-    значительно уменьшить загазованность рабочей зоны карьера.

Область применения автосамосвалов с КЭУ:

-    в качестве сборочного звена в сверхглубоких карьерах с комбинированным транспортом;

-    на карьерах с одним видом транспорта глубиной не менее 80-100 м и плечом откатки (по горизонтали) не более 0.5-1.0 км;

-    при доработке сверхглубоких карьеров с целью снижения потерь полезного ископаемого в донной части.

Для сверхглубоких и суперглубоких карьеров согласно предлагаемой систематизации (см. рис.1) предлагается использовать углубочный комплекс. Такое понятие в теории открытых горных работ ранее не применялось. Авторы понимают под этим термином технологический комплекс, состоящий из двух основных типов машин: гусеничный самосвал и специализированный экскаватор, способных работать на сверхкрутых (до 30-35%) уклонах (рис. 4).

Предлагаемый углубочный комплекс представляет собой погрузочно-транспортный комплекс для отработки глубинной части карьеров, приближающихся к своей проектной глубине. Возможность работы в условиях ограниченного пространства за счёт высокой маневренности и преодоления крутых уклонов (до 35%) позволяет значительно сократить подлежащие выемке объёмы вскрышных пород, повысить угол откоса бортов карьера, максимально приближая его к предельно-возможному по условиям устойчивости пород в бортах, уменьшить дальность транспортирования, а, следовательно, и парк транспортного оборудования. Большее, в сравнении с колёсной техникой, сцепление с дорожным покрытием гусеничного хода и низкое расположение центра его тяжести позволяют вести разработку труднодоступных участков месторождений полезных ископаемых, не предъявляя строгих требований к качеству дорог.


Применение углубочного комплекса упрощает проведение трудоёмких операций по вскрытию новых горизонтов траншеями и полутраншеями, сокращая в разы объёмы работ по их устройству, а также разборке временных съездов. Множество вспомогательных операций, производимых в обычных условиях с применением различных видов техники (планировка дорог, зачистка транспортных берм, аварийные работы, доставка ВВ в труднодоступные участки, ликвидация оползневых явлений и монтаж крепёжных конструкций, что особенно актуально на нижних горизонтах), углубочный комплекс с набором навесного оборудования способен успешно выполнять. Такой комплекс представляется прорывным технологическим разрешением проблем, связанных с неуклонным понижением горных работ на большинстве карьеров без разноса бортов по вышележащим уступам.

Актуальная задача современной геотехнологии - комбинированная разработка месторождений полезных ископаемых. В мире на сегодняшний
день порядка 2000 месторождений отрабатываются комбинированным способом. Из них существенную долю составляют предприятия, которые после отработки карьера переходят на подземную добычу. Нередко транспортирование горной массы осуществляется через карьерное пространство с ее перегрузкой из средств подземного транспорта на сложившуюся транспортную систему карьера. В этих условиях существенные затраты связаны с большим количеством перегрузок, что ухудшает технико-экономические показатели. В ИГД УрО РАН проводятся исследования по возможности использования единого транспортного средства, доставляющего без перегрузки горную массу из подземных выработок через карьер на обогатительную фабрику объединенного предприятия. Таким транспортным средством может быть троллей-автопоезд (рис. 5). В основе его концепции заложены идеи о подземном автопоезде, исследования по которому проводились в 1980-е годы, и об исключении двигателя внутреннего сгорания, который обуславливает высокие эксплуатационные затраты и неудовлетворительные экологические показатели (что особенно важно для подземного пространства).

Представленные специализированные и специальные горно-транспортные средства могут применяться самостоятельно, либо в комбинации с действующими видами транспорта с целью улучшения технико-экономических показателей. Но кроме этого, они представляют собой единый комплекс, задача которого - повышение углов откосов бортов карьера за счет увеличения продольных уклонов транспортных коммуникаций с целью снижения объемов вскрыши и увеличения глубины эффективной разработки месторождений открытым способом (рис. 6).

Поднимаемая нами проблема разработки и создания новых видов специализированной и специальной мобильной техники выдвигает ряд актуальных задач, которые могут быть решены совместными творческими усилиями специалистов разных отраслей промышленности:

-    специалисты в области открытых горных работ должны уточнить, как повлияет повышение (до 35%) крутизны уклонов автодорог на устойчивость бортов карьера и технологию горных работ;

-    необходима разработка, создание и применение специальных аккумуляторов энергии для карьерного автомобильного транспорта;

-    необходима доработка газотурбинных двигателей в транспортном варианте мощностью 1000-3000 кВт для карьерных автосамосвалов грузоподъемностью 80-130 т с повышенным до 42-45% КПД;

-    потребуется реконструкция всего вспомогательного транспорта, обеспечивающего работу автотранспорта на уклонах 10-12% и специализированных автотранспортных средств на гусеничном ходу для работы на уклонах до 35%. В любом случае, обсуждаемая концепция не может быть

реализована силами специалистов только одной организации: необходимо деятельное участие всех потенциально заинтересованных сторон.

ЛИТЕРАТУРЫ:

1.    А.Н. Егоров, В.Т. Войтов. Силовые агрегаты карьерных автосамосвалов // Горный журнал. - Специальный выпуск. - 2004.

2.    А.Н. Акишев, ВА. Бахтин, Е.В. Бондаренко, С.П. Бабаскин. Управление развитием рабочей зоны кимберлитовых карьеров // Горная промышленность. - 2004. - №1.

3.    Вклад ВНИПИПромтехнологии в становление и развитие карьера «Мурунтау» / Е.Н. Каменев, А.В. Селезнев, С.К. Рубцов, А.М. Иоффе // Горный журнал. - 2007. -№5. - С. 14-18.

Журнал "Горная Промышленность" №6 2007, стр.44