Основные аспекты применения аэротехнологии

Развитие авиастроения и освоение космоса предопределили создание и разработку особых аэротехнологических приемов ведения работ, основанных на использовании летательных аппаратов.

Из современных летательных средств, обладающих достаточно высокой грузоподъемностью и надежностью управления, наиболее дешевыми являются привязные аэростатические аппараты (АСА). Их грузоподъемность может достигать нескольких сотен тонн, их эксплуатация возможна при температурах от +60º до –60º и ветровых нагрузках до 8–15 м/с. Аэростатные оболочки, выполненные на основе синтетических материалов, характеризуются высокой прочностью, низкой удельной массой (0,05–0,10 кг/м²) и грузоподъемностью не более 0,1 л/м²·сут [33].

Целесообразность использования на карьерах аэростатических аппаратов (АСА) обусловлена возрастанием экологических требований и невозможностью удовлетворительного решения экономико-технологических проблем разработки при эксплуатации традиционных транспортных средств. Аэростатические аппараты (гелиевые, водородные или водородно-гелиевые) могут направленно перемещать супертяжёлые грузы (более 1000 т) без опоры на грунт. Они пригодны для краново-монтажных операций, экологичны, имеют высокий коэффициент весовой отдачи, малый расход энергии на единицу транспортной работы, легко изменяют направление тяги (от вертикальной к наклонной). По сравнению с дирижаблями (при одинаковой полезной грузоподъемности) аэростатические аппараты имеют в 1,5 раза меньшие размеры.

Создание и использование аэростатических аппаратов грузоподъемностью 5–130 т освоено давно. В Японии наиболее перспективными признаны воздухоплавательные аппараты грузоподъемностью 1000 т. Французские проекты аппаратов-кранов рассчитаны на перемещение и монтаж грузов (например, блоков АЭС) массой 900 и 3100 т. На карьерах масса перемещаемых горных пород в единичных емкостях (кузовах самосвалов, думпкарах, ковшах экскаваторов и др.) составляет от 25–70 до 120–300 т.

Привязные аэростаты на карьерах в основном применимы как транспорт, особенно на нагорных карьерах. В настоящее время накоплен опыт успешного использования привязных аэростатов в военном деле, в лесной, строительной и других отраслях промышленности. В США аэростатно-канатная дорога успешно применялась для разгрузки с кораблей на высокий берег 30-тонных грузов на расстояние 1 км со скоростью перемещения груза свыше 10 м/с. Установка успешно работала при скорости ветра 15 м/с и порывах ветра до 45 м/с на стоянке. Ю.С.Бойко предложил использовать подобную систему с одинарным несуще-тяговым канатом (рис. 5.16) для подъема горной массы из карьера.

Однако, при отмеченных достоинствах таким системам присущи и существенные недостатки, из-за которых они становятся не рациональными. Так, для них характерны сравнительно большие удельные затраты на транспортирование, поскольку значительная часть подъемной силы аэростата всегда тратится на удержание и натяжение всей несуще-тяговой канатной системы. К недостаткам можно отнести и сложность управления установкой и низкую безопасность её работы при сильном ветре, так как аэростат не имеет надежной опорной направляющей связи.

В основу разработанных в Красноярском институте цветных металлов и золота быстровозводимых аэростатно-канатных транспортных систем (АКТС) заложены новые принципы и технические решения.

Во-первых, конструктивно-технологическую схему АКТС (рис. 5.17) характеризует скольжение транспортной емкости (или грейфера), соединенной с аэростатом, по опорной направляющей магистрали, которая состоит из одного или нескольких канатов, натянутых с помощью контргрузов между двумя опорами (передвижными, полустационарными или стационарными), расположенными на верхнем и нижнем горизонтах. Движение аэростатического транспортного средства по магистрали, натяжение которой должно иметь определенную величину и зависеть от подъемной силы аэростата, обеспечивает меньшие (по сравнению с американской системой) потери энергии при транспортировании, высокую надежность работы при сильных ветрах любого направления, возможность высоких скоростей перемещения грузов.

Во-вторых, в АКТС приняты научно обоснованные рациональные соотношения между свободной грузоподъемностью аэростата F_o и массой транспортируемого груза Е в зависимости от направления наклонного грузопотока. Так, при работе АКТС в качестве аэростатно-канатного подъемника (АКП) устанавливается равенство F_o = Е, при котором имеют место минимальные удельные энергозатраты на подъем горной массы. При работе АКТС в качестве аэростатно-канатного спуска (АКС) грузов соблюдается условие F_о < Е, при котором спуск груженой емкости осуществляется под действием силы Е – F_o, возврат порожней емкости на верхний горизонт – под действием силы F_o.

В-третьих, в любом варианте применения (АКП или АКС) АКТС монтируют из одинаковых простых составных элементов: опорно-направляющих канатов с контргрузами, двух опор с блоками, грузовой каретки, аэростата и емкости (или грейфера). В варианте АКП систему дополняют тяговым канатом с лебедкой.

В кимберлитовом карьере глубиной 500 м в Якутии расстояние автоперевозок по спиральной тaccе может достигать 15 км. При АКП длина транспортной магистрали от дна карьера до поверхности не превышает 0,6 км, высвобождаются до 30 автосамосвалов грузоподъемностью 40т и несколько десятков рабочих. Одновременно достигается главное – экологизация технологического процесса, устранение длительных остановок карьера из-за тотальной загазованности, которые достигают 2400 ч в год и приносят громадные убытки.

Схема АКС состоит (рис. 5.17, а)из тех же элементов, что и АКП, но благодаря соотношению F_o < Е функционирует при нисходящих грузопотоках в определенных условиях автоматически и без подвода энергии от внешних источников. При соотношении F_o/E = 0,5 в процессе работы АКС можно получать энергию с одинаковыми параметрами, как при спуске грузовой каретки, так и при ее подъеме.

Аэростат выполняет в АКС три функции: движителя, элемента, уравновешивающего груз, и компенсатора динамических сил в периоды торможений и разгонов транспортного средства на крутонаклонных магистралях. Высокая парусность аэростата выступает здесь как положительное уникальное свойство АКС, обеспечивающее плавные характеристики движения груза по канатной магистрали в широком диапазоне изменения угла наклона хорды пролета от 6,5º до 60–70°. Тем самым охватывается интервал спуска при склонах до 35°, где не могут работать рудоскаты, и интервал спуска при склонах 30–70°, где не применимы маятниковые канатные дороги из-за трудностей торможения больших масс.

Для ускоренного освоения нагорных месторождений полезных ископаемых очевидна необходимость высокоэффективных, надежных и быстровозводимых воздушных мостов – АКС и АКП, не имеющих промежуточных опор. АКС успешно решают не только проблему перемещения полезного ископаемого к перерабатывающему комплексу у подножья гор, но и проблему создания площадей (искусственных оснований), очень дефицитных в гористой местности. При этом АКТС позволяют сохранить первозданность гор, снизить техногенную нагрузку на окружающую среду.

В настоящее время многим странам мира предстоит решать проблему засыпки выработанного пространства карьеров глубиной 300–600 м и более в природоохранных и технологических целях. Аэростатные технологии на основе АКС и их модификаций, благодаря большим радиусам разгрузки, высоким траекториям перемещения горных пород над земной поверхностью, эффективному использованию гравитационных и аэростатических сил и другим особенностям, способны обеспечить интенсивную засыпку карьера на полную глубину на большом фронте, создать условия для выбора способа укладки породы в отвал и другие технологические возможности, недостижимые при традиционном отвалообразовании. Таким образом, открываются новые подходы к проектированию горных работ, размещению временных отвалов, формированию аэроландшафтов, решению вопросов рационального землепользования.

АКТС могут стать основой надежных комплексов проветривания глубоких горизонтов карьеров с ограниченным технологическим пространством при использовании газовмещающих крупных оболочек для принудительного цикличного выноса загрязненных воздушных масс из критической нижней зоны карьера на земную поверхность (сквозь инверсионную «пробку») и одновременной доставке этими же оболочками чистого воздуха с поверхности на нижние горизонты. Перспективны также аэростатические системы удаления пылегазовых выбросов из карьера с помощью гибких воздухопроводов, которые легче воздуха благодаря гелиевым или водородным оболочкам. Затраты энергии на проветривание карьеров предложенными аэростатическими комплексами во много раз меньше, чем каскадной вентиляторной системой.

Использование принципов построения АКТС в сочетании с разнообразными аэростатическими и комбинированными опорами превращает грузовые подвесные канатные дороги (ГПКД) и кабельные краны в системы принципиально нового уровня. В последние годы во многих странах мира внимание к ГПКД усилилось, но работы ряда фирм («ПХБ» в Германии, «Бреко» в Англии и др.) над улучшением ГПКД при традиционных подходах не привели к существенным сдвигам.

Включение привязных аэростатов в конструкцию однопролетных ГПКД в качестве дополнительных движителей, аэроопор и аэростатических компенсаторов веса канатов и перемещаемых грузов благоприятно изменяет соотношение сил, действующих в транспортной системе. В результате появляется возможность, во-первых, преодолевать существующие для традиционных ГПКД барьеры скорости движения, грузоподъемности, углов наклона трассы и долговечности канатов; во-вторых, увеличивать ширину безопасных пролетов и коренным образом изменять конструкции опорных станций – башен, которые в настоящее время имеют весьма значительные размеры и массу для предотвращения больших провисаний несущих канатов; в-третьих, уменьшать стоимость ГПКД. сроки их строительства и удельные энергозатраты на транспортировании грузов.

Таким образом, новые АКТС имеют многоцелевое назначение. Они позволяют создавать экологически чистые и энергосберегающие технологии в горной и других отраслях промышленности.

Развитию этих работ благоприятствует обнаружение в недрах России (Красноярский край, Якутия и др.) природного гелия. Появление новых систем водородной безопасности (нейтрализаторов), безопасных водородно-гелиевых смесей позволяет рассчитывать на использование для АСА дешевых подъемных газов.

В качестве возможного решения проблемы транспортирования горной массы из глубоких карьеров АО «Аэростатические аппараты Урала» – «Урал Аэро» была предложена технологическая схема с применением подъемно-транспортных аэростатических систем (ПТАС) и автотранспорта как собирающего. Для внедрения этой схемы был выбран Карагайский карьер ОАО «Комбинат Магнезит».

Карагайский карьер имеет глубину 297 м (при проектной 357 м). Ограниченные размеры этого карьера в плане, расположение по периметру его бортов внешних отвалов высотой до 100 м и использование в качестве карьерного транспорта автомобилей привело, как для многих глубоких карьеров, к трудностям проветривания карьерного пространства. С учетом того, что доля затрат на транспортирование уже достигла 70 % в затратах на добычу сырого магнезита, повышение эффективности транспортирования горной массы из карьера являлось наиболее актуальной проблемой.

АО «Урал Аэро» были выполнены проектно-конструкторские проработки и дана экономическая оценка эффективности применения в условиях Карагайского карьера ПТАС с годовой производительностью 4 млн. т при круглогодичной эксплуатации в интервале температур от +40 до –40 °С и при скорости ветра до 10 м/с . В рассматриваемом варианте ПТАС представляет собой наклонный двухканатный подъемник, состоящий из аэростатной транспортной линии, системы управления и наземного обслуживающего комплекса.

Транспортная линия (рис. 5.18) включает в себя приводную станцию, тяговый канат 2, блоки 3 и 4, станции загрузки 5 и разгрузки 6, грузовые сосуды (бадьи) 7 и 8, аэростат 9, несущие тросы 10 и 11, растяжки 12-15, устройства выбора слабины растяжек 16-19.

В качестве привода предусмотрено использование шахтной машины с разрезным барабаном ЦР-5×3,2/0,55, к которому крепятся концы тягового каната. Сформированные таким образом с помощью блоков два наклонных канатных подъемника несут на себе грузовые сосуды (в крайних точках: один – на станции разгрузки, другой – на станции загрузки). Для компенсации их весовых нагрузок на тяговый канат применен прикрепленный к бадьям аэростат, который в свою очередь фиксируется на борту карьера растяжками через устройство выбора их слабины.

Установка загрузочной и разгрузочной станций предусмотрена на сварных рамах коробчатой формы с заполнением их объема вскрышными породами карьера. При работе транспортной линии одна ветвь тягового каната с гружёной бадьей двигается вверх, а другая – с пустой бадьей – вниз к станции загрузки. При этом аэростат движется, описывая кривую второго порядка. Для фиксации аэростата в плане используются устройства выбора слабины его растяжек, места крепления которых выбраны таким образом, чтобы их проекции на поверхность борта карьера были равны.

На разгрузочной станции вскрышные породы перегружаются в традиционные виды транспорта и транспортируются к месту их складирования.

Аэростат выполняется из специальной ткани, температурный предел хрупкости которой составляет ±50 ºС. Подъемный газ – гелий. Суммарная массовая нагрузка системы, включая груз (20 т), грузовые сосуды, аэростат, тросы и прочий такелаж, составляет 898 кН. При максимальной температуре и минимальном давлении окружающей среды необходимый для компенсации данной нагрузки объем газа в аэростате – 98500 м³.

Исходя из того, что объем оболочки аэростата должен быть не менее максимального объема подъемного газа с превышением избыточного давления в оболочке над давлением окружающей среды во всем диапазоне изменений параметров окружающей среды, и с учетом требований эксплуатации по минимизации размеров обезвзвешивающего систему аэростата его форма выбрана в виде сферы диаметром 58 м.

В транспортную линию входят также система управления, работающая как в ручном, так и в автоматическом режимах. Рабочим режимом является автоматический.

В качестве наземного обслуживающего комплекса ПТАС предусмотрены площадка развертывания аэростата и его осмотра с дозаправкой, площадка монтажа такелажа и устройства защиты наземных коммуникаций, находящихся в проекции действия ПТАС.

Технико-экономическое обоснование применения ПТАС показало снижение затрат на транспортирование горной массы в условиях Карагайского карьера по сравнению с существующей технологией в 4,3 раза с окупаемостью расходов на ее внедрение за три года.

Использование ПТАС удовлетворяет основному для карьерного транспорта требованию по перемещению горной массы по кратчайшему расстоянию, а также сберегает энергоносители, снижает загрязнение внутрикарьерного пространства и близлежащих жилых зон, уровни опасности транспорта и его шумов. ПТАС позволяет (с использованием грузовых сосудов с донной разгрузкой) кардинально снизить объем бульдозерных работ (до уровня технической рекультивации поверхности) при размещении вскрышных пород в выработанном пространстве карьеров, что повышает экономическую эффективность и область применения такого рода работ при их несомненной экологической целесообразности.

Внедрение ПТАС при доработке карьера обеспечивает снижение объема вскрышных работ (за счет уменьшения ширины транспортных берм) или увеличение промышленных запасов (за счет возможности превышения проектной глубины отработки карьера), что, например, для условий Карагайского карьера составляет, соответственно, 7 % и 12,7 млн. т. Кроме того, ПТАС позволяет осуществлять с минимальными затратами перемещение вспомогательных карьерных грузов: крупногабаритных запасных частей горного оборудования и крупнотоннажных материалов. При этом экономическая эффективность применения ПТАС с увеличением глубины карьера возрастает.

Несоответствие грузоподъемности сосудов ПТАС и средств собирающего автотранспорта (увеличение грузоподъемности системы ведет к росту размеров сферы аэростата в геометрической прогрессии) требует разработки специализированных перегрузочных пунктов.

Специфичность условий эксплуатации требует разработки новых нормативных документов по безопасности. К примеру, размеры системы делают затруднительным ее вывод из зоны взрывных работ, как того требуют правила. Вместе с тем конструкция аэростата обеспечивает при пробое оболочки размером до 1 м² нахождение его в воздухе более двух часов. Необходимо также проведение работы и по определению ингибитора водорода, использование которого (по сравнению с гелием) существенно повысит эффективность ПТАС.

Контрольные вопросы и задания

Перечислите особенности карьерного транспорта.

Назовите виды карьерного транспорта и охарактеризуйте область их применения.

Дайте сравнительную оценку автомобильного и железнодорожного транспорта.

Укажите достоинства и недостатки конвейерного транспорта.

Опишите конструкцию железнодорожного пути.

Дайте характеристику подвижного состава карьерного железнодорожного транспорта.

Поясните назначение и устройство раздельных пунктов.

Приведите схемы развития путей на уступах. Поясните принципы расчета времени обмена и коэффициента обеспеченности забоя порожняком.

Напишите основное уравнение движения. Дайте понятие о сцепной тяге и силах сопротивления движению.

Охарактеризуйте пропускную и провозную способность железнодорожных путей.

Перечислите мероприятия, позволяющие увеличить пропускную и провозную способность.

Назовите способы и средства передвижки железнодорожных путей.

Укажите способы и средства переукладки железнодорожных путей.

Дайте характеристику подвижного состава карьерного автомобильного транспорта, конструктивных особенностей автосамосвалов и дизель-троллейвозов.

Поясните принципы расчета пропускной и провозной способности карьерных автодорог.

Приведите схемы обмена автосамосвалов в забоях и на отвалах.

Охарактеризуйте способы организации движения колесного транспорта.

Назовите преимущества и недостатки открытого и замкнутого (закрытого) циклов.

Поясните, как найти продолжительность транспортного цикла (времени оборота) подвижного состава.

Укажите, как определить производительность и парк транспортных средств.

Данте классификацию карьерных конвейеров по виду тягового органа и назначению.

Перечислите конструктивные особенности карьерных ленточных конвейеров.

Назовите технологические, параметры и дайте принцип расчета производительности ленточных конвейеров.

Охарактеризуйте способы перемещения конвейерных линий.

Укажите назначение, достоинства и недостатки комбинированного карьерного транспорта.

Назовите типы перегрузочных пунктов при использовании комбинированного транспорта.

Перечислите мероприятия по снижению выбросов в атмосферу пыли и вредных газов, образующихся при эксплуатации транспортных средств.

Приведите основные требования правил безопасности на железнодорожном транспорте.

Сформулируйте основные правила безопасности при эксплуатации автосамосвалов.

Перечислите мероприятия, обеспечивающие безопасную эксплуатацию конвейеров.

6. Отвалообразование вскрышных пород

Общие положения

Характерная особенность открытого способа разработки месторождений – необходимость удаления значительных объемов пустых пород. Вскрышные породы складируют на специально выделенных площадках в виде насыпей – отвалов. Совокупность операций по приему и размещению вскрыши называют отвалообразованием, или отвальными работами. Они включают: разгрузку, укладку пород в отвале, планировку отвальных уступов и перемещение транспортных коммуникаций. В зависимости от места расположения различают: внутренние (в выработанном пространстве карьера), внешние (за контуром карьера) и комбинированные отвалы. Для образования внешних отвалов используют склоны возвышенностей, овраги, рвы, выработанное пространство других карьеров. Возведение отвала на косогоре начинают с создания горизонтальной площадки для размещения транспортных коммуникаций. Заполнение отвала производят под откос косогора.

При возведении отвала на равнине сооружают первоначальную насыпь, высота которой зависит от способа ее возведения, а ширина поверху равна 5–10 м для нормального размещения транспортных коммуникаций. Ее отсыпают из привозного грунта или из пород выемки, проводимой параллельно оси насыпи. Для этой цели используют бульдозеры, колесные скреперы, одноковшовые экскаваторы.

Отсыпку отвалов ведут в один или несколько уступов – ярусов. Высота уступа зависит от горно-технических свойств складируемых пород и несущей способности грунтов основания, а также от способа механизации отвальных работ. При устойчивых грунтах основания отвала наибольшая высота уступа на равнине составляет: при отсыпке скальной вскрыши – 30–60 м, рыхлых песчаных пород – 15–30 м, рыхлых глинистых грунтов – 10–20 м. На косогоре высота может составлять 150–270 м [25]. Увеличение высоты уступа способствует снижению себестоимости отвалообразования за счет повышения производительности отвального оборудования и уменьшения объема работ по перемещению транспортных коммуникаций. Углы откоса отвальных уступов практически равны углу естественного откоса размещаемых в отвале пород [25].

Различают три способа перемещения фронта, отвальных работ: параллельно, по вееру и криволинейный (рис. 6.1). Криволинейная схема развития сопровождается увеличением длины фронта работ после каждого перемещения транспортных коммуникаций. Для рассредоточения основных и подготовительных работ отвальный фронт делят на отдельные тупики (участки). Длина тупика (участка) зависит, в основном, от принятого способа механизации отвальных работ.

Выбор средств механизации производят с учетом принятого вида транспорта и свойств пород. При перемещении вскрыши железнодорожным транспортом на отвалах используют: отвальные плуги, одноковшовые и многоковшовые экскаваторы, бульдозеры, скреперы, средства гидромеханизации; в случае применения автотранспорта – бульдозеры, реже одноковшовые экскаваторы. Отсыпку отвалов из пород, доставляемых конвейерами, ведут консольными отвалообразователями, изредка – специальными отвальными многоковшовыми экскаваторами.

Параметры отвальных уступов и рабочие размеры используемого оборудования предопределяют приемную способность и приемную емкость отвалов. Под приемной способностью понимают количество породы, размещаемое на отвале в единицу времени (час, смену, сутки), а под приемной емкостью – количество породы, укладываемой в отвал между двумя передвижками транспортных коммуникаций.