Технологические параметры и забои мобильного выемочно-погрузочного оборудования непрерывного действия

Одним из направлений научно-технического прогресса является применение оборудования и технологий, обеспечивающих возможность отработки массивов горных пород без их предварительного разрушения с использованием энергии взрыва.

Подобное мобильное оборудование непрерывного действия, снабженное дизельными и дизель-электрическими приводами, получило наименование комбайнов.

Они эффективно работают в породах с пределом прочности на одноосное сжатие до 180–200 мПа. При этом существенно (почти в 2 раза) снижают затраты на выемку и погрузку горной массы [2].

Изготовлением комбайнов заняты фирмы США («Хьюрон», «Рахко», «ЮнитРиг»), Великобритании («Доско»), Германии («Крупп», «Виртген», «Вестфалия Лунен», «Везерхютте», «Порат»), Австрии («Вест Альпине»).

Современные комбайны различаются принципом действия, конструкцией и расположением рабочего органа (табл. 4.11), (рис. 4.23).

Технология открытых горных работ с использованием комбайнов в наибольшей мере удовлетворяет требованиям ресурсосбережения, обеспечивает минимальные экологические нарушения, полноту и высокое качество извлечения минерального сырья, прирост запасов полезных ископаемых в зонах, где производство взрывных работ запрещено (охранные зоны железных и автомобильных дорог и пр.).

Таблица 4.11. Классификация современных комбайнов (по Ю.И.Анистратову)

Создан целый класс машин нового типа GSM для послойного фрезерования тонких прослойков полезного ископаемого и пород вскрыши. Среди положительных качеств машин этого типа маневренность, универсальность, возможность раздельной выемки, удобства обслуживания и ухода, широкий диапазон крупности добытого минерального сырья, исключающий установку дробилок в забое. По данным В.И. Супруна, областью применения машин с фрезерным исполнительным органом следует считать карьеры с неабразивными горными породами средней крепости, занимающих промежуточное положение между полускальными и скальными породами.

Для послойной выемки породного массива с забоями – площадками получили широкое распространение шнеко-фрезерные машины фирм «Хьюрон», «Виртген» и комбайны с роторными колесами фирм «Крупп» и «Маконелли Питсбург». Фирма «Виртген» рекламирует 6 моделей комбайнов (табл. 4.12).

Опыт применения комбайна SM-2100 на добыче флюсового сырья в ОАО «Доломит» позволил увеличить выход готовой продукции класса 4–16 мм до 45–47 % против 33 % при буровзрывной отбойке и наличии всех стадий дробления. Прочность доломитов составляет от 20 до 90 мПа. Производительность комбайнов при погрузке в 40-тонные автосамосвалы при мощности фрезируемого слоя 15,2–17,6 см составила 320–370 т/ч. С учетом времени на маневры и обмен автосамосвалов производительность снижалась до 280–320т/ч.

Комбайн ЕМ-1224 фирмы «Хьюрон» на выемке угля обеспечивает производительность до 2360 т/ч. (при толщине выемочного слоя 60 см).

Фрезерные комбайны с передним креплением рабочего органа (фирм «Везерхютте» и «Порат») позволяют отрабатывать породы уступами высотой 1,5–2,5 м. с полосами шириной захвата 7,0–7,6 м. при производительности 550–2100 т/ч. [2]

Таблица 4.12. Технические характеристики комбайнов Виртген (по В.И. Кузнецову)

Переднее расположение рабочего органа дает возможность вести отработку уступами, проходить траншеи, легко производить осмотр состояния рабочего органа и замену резцов. Комбайны, аналогичные по форме, но с передним расположением рабочего органа, в виде цилиндрического ротора с резцами на кромках ковшей выпускает фирма «Крупп». Она представляет семь типосерий машин от KSM-1250 до KSM-8000. Техническая характеристика некоторых моделей KSM дана в таблице 4.13.

Комбайн KSM-2000Р создан в России совместно с немецкой фирмой «Крупп». Двухлетний производственный опыт на разрезе «Талдинский» в Кузбассе доказал возможность использования подобных машин для отработки массивов с пределом прочности пород на одноосное сжатие до 100–120 мПа.

Таблица 4.13. Техническая характеристика комбайнов KSM (по В.И.Кузнецову)

Применительно к условиям разреза «Талдинский» гарантируемая при этом производительность труда составляет более 1000 т. на человека в месяц (в 4 раза выше достигнутого здесь уровня), а себестоимость сокращается не менее чем на 30 %.

Комбайны KSM-2000Р нашли применение и на отработке междупластий с коэффициентом крепости 4–5 по шкале М.М. Протодьяконова в условиях Джерой-Сардинского месторождения фосфоритов (Узбекистан). Максимально возможная годовая производительность комбайна – 6–7 млн.м³.

Эксплуатация выемочных машин непрерывного действия фрезерного типа на карьерах России показала необходимость замены автосамосвалов на конвейерные линии или скреперы с удлиненными ковшами. Дело в том, что во время обмена автосамосвалов комбайны простаивают, и производительность их снижается в среднем на 20 %.

Учеными Хабаровского технического университета предложена технологическая схема, при которой на уступах работают комбайны фрезерного типа. Они укладывают породу полосой вдоль рабочей площадки. Скреперы с удлиненными ковшами (длина ковша больше его ширины в 2,5–2.6 раза) при наличии интенсификаторов загрузки в виде подгребающих стенок зачерпывают разрыхленную породу и перемещают ее во внутренние или внешние отвалы. Эта технология исключает простои выемочной машины при обмене транспортных средств и простои транспорта под загрузкой, что позволяет повысить эффективность открытых горных работ в течение летнего и зимнего периодов года в 1,5–1,8 раза по сравнению с буровзрывным рыхлением и комплексом: мехлопата – автосамосвал.

Технические возможности комбайна KSM-2000Р и подобных ему машин расширяют возможности их применения для отработки мерзлых мелкозернистых пород и на мерзлых породах с 20 % содержанием каменистых включений размером до 15 см. При этом ожидается снижение себестоимости выемки и транспортирования на 20 %.

Несмотря на ряд преимуществ, технология, основанная на применении фрезерных машин, по мнению В.И. Супруна, имеет следующие недостатки: необходимость создания фронта открытых горных работ значительной (1,5–2,0 км) протяженности для уменьшения потерь времени на врезку машин в торцы вынимаемых полос; организация синхронного следования автосамосвала за комбайном в процессе выемки, что усложняет работу водителей, ухудшает условия безопасности работ, увеличивает потери полезного ископаемого и пылевыделение за счет просыпей; необходимость использования дизельных энергетических установок с повышенным расходом жидкого топлива; применение цикличного транспорта.

Этих недостатков лишены комбайны стрелового типа, обеспечивающие возможность стабильной работы с конвейерным, автомобильным и другими видами транспорта.

Первым отечественным образцом такой машины стал комбайн КГФ-80 в разработке конструкции которого участвовали специалисты МГГУ, ИГД им. А.А. Скочинского, СКБ заводов-изготовителей. В основу комплектации машины положены элементы и узлы тяжелых проходческих комбайнов.

КГФ-80 с 1955г. работает на Афанасьевском карьере цементного сырья. Комбайн позволяет разрабатывать породы с временным сопротивлением сжатию до 95 мПа с технической производительностью 850–1000 т при 6-часовой загрузке.

Высота уступа, обеспечивающего работу машины с максимальным уровнем производительности, составляет 3,4 м. Уступ отрабатывают в 5 выемочных слоев. При селективной выемке мощность отрабатываемого слоя может составлять 0,25–0,3 м.

Стреловые комбайны с фрезерным рабочим органом более универсальны и позволяют вести разработку массива забоями аналогично ковшовым экскаваторам, но, в отличие от последних, обеспечивают более высокую удельную мощность на 1м² площади резания при меньшей металлоемкости [2].

Весьма перспективным для комбайнов GSM, отрабатывающих сложно-структурные месторождения, является ввод в их конструкцию грохотильных узлов или их сопряжение с передвижными грохотильными установками, что обеспечит возможность получения сортированного минерального сырья непосредственно на карьере. Подобное сопряжение КГФ-80 с передвижной грохотильной установкой обеспечило отгрузку трех фракций карбонатного сырья: 0–5 мм, 5–20 мм, 20–140 мм.

Среди комбайнов особое место занимают разработчики тонких пластов (РТП). Они предназначены для извлечения угля из бортов карьеров, траншей и уступов без предварительного разноса бортов. Конструкция РТП включает: режущий рабочий орган; наращиваемую стрелу; подъемные опоры с ходовым механизмом; барабан с кабелем для подачи питания к рабочему органу; погрузочный конвейер с устройством приема извлеченного угля; кабину машиниста; силовой электрический модуль с дизельным приводом.

Режущий рабочий орган представляет собой барабан с закрепленными на нем зубьями, который, вращаясь, разрушает уголь. Отбитый уголь перемещается ленточным, цепным или шнековым конвейером, расположенным на стреле.

Стрела состоит из отдельных секций, с помощью которых ее удлиняют в процессе работы, добиваясь максимального внедрения в пласт.

Ходовая часть РТП представляет собой четыре подъемные опоры, закрепленные на основной раме с гусеничным или шагающим оборудованием, которые обеспечивают также и выравнивание машины на месте установки.

На основной раме находится и система гидроцилиндров, с помощью которых рабочий орган подают на забой, а также устройство для соединения вновь введенных в работу секций с приводом и работающими секциями.

Доставленный из забоя уголь при помощи погрузочного конвейера перемещают в средства транспорта.

Силовой электрический модуль обеспечивает питанием рабочую головку и стрелу.

В кабине машиниста расположена телевизионная система и навигационное оборудование, соединенное с датчиками, сидящими за кровлей и почвой пласта, а также за отклонением оси выработки от прямолинейного оборудования.

Во время работы основная часть РТП находится в карьере, перпендикулярно к оси будущей выработки. Механизм толкания вдавливает рабочую головку с базовой секцией стрелы в пласт у почвы на длину, равную примерно 0,75 от диаметра режущего барабана. После этого она с помощью подвижной рукояти поднимается до кровли пласта по дугообразной траектории, вырезая уголь. Высота резания колеблется от 0,8 до 6,1 м. (табл. 4.14).

Опусканием режущей головки в исходное положение завершается «малый» цикл. Таким образом происходит «отработка» забоя на глубину, равную длине одной секции («большой цикл»).

Далее последовательно наращивают стрелу и продолжают добычу угля до момента, когда стрела, удлиненная на все секции, достигает конечной глубины. После этого извлечением секций вытягивают стрелу. Для предотвращения обрушения подработанной толщи пород необходимо между выработками оставлять целики, ширина которых зависит от горнотехнических свойств пород и мощности пластов. Продолжение выемки угля осуществляют после передвижения РТП к новой заходке. Машину обслуживает бригада из 4–6 человек. В комплекте с РТП работают: бульдозер, конвейерный перегружатель и средства транспорта.

Таблица 4.14. Основные технические характеристики разработчиков тонких пластов