CC BY
151
____________________________________ © А.В. Глебов, А.Г. Журавлев,
2010
УДК 622.684
А.В. Глебов, А.Г. Журавлев
ФОРМИРОВАНИЕ ПАРКА КАРЬЕРНОГО АВТОТРАНСПОРТА ПРИ РАЗРАБОТКЕ ЭЛЬГИНСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ КАМЕННОГО УГЛЯ
Задача по обоснованию параметров транспортной системы для вновь проектируемого разреза Эльгинского месторождения каменного угля с одной стороны сложна, с другой стороны интересна. Суровые климатические условия, этапность развития, связанная как с развитием инфраструктуры, так и горных работ, необходимость начала добычи угля в кратчайшие сроки параллельно со строительством основных объектов инфраструктуры и дорожно-транспортной сети, внутреннее отвалообразование существенно повлияли на принятие решений.
Для обоснования выбора транспорта для разработки Эльгинского месторождения, проведен анализ возможности применения: карьерных автосамосвалов грузоподъемностью
40^327 т различных фирм-производителей; самосвалов с шарнирно-сочлененной рамой (далее ШСС) грузоподъемностью 30^45 т; перспективных транспортных средств (троллейвозы, дизель-троллейвозы, автосамосвалы с комбинированной энергосиловой установкой и т.п.).
При определении требований к техническим параметрам машин, исходя из условий эксплуатации, рассмотрены следующие основные факторы:
1. Технологические: продольный уклон транспортных берм 810% и 14%; расстояние транспортирования до 10 км; работа с грузом на спуск и подъем; близость к взрывным работам; погрузка экскаваторами с объемом ковша 11^13 м3 и 40 м3; отсутствие специального покрытия дорог.
2. Горно-геологические: плотность горных пород 2,2 т/м3;
плотность угля 1,45 т/м3; устойчивость и мощность горных пород; высокая обводненность рабочей зоны.
3. Климатические: выраженная сезонность климатических условий; значение температуры воздуха от + 40 °С до - 60 С; обледенение дорог; туман и загазованность.
4. Эксплуатационные: надежность; эксплуатационные затраты.
5. Экологические: запыленность рабочей зоны; накопление окиси углерода, альдегидов от работы ДВС.
6. Безопасности: вывалы, обрушения и падение камней; движение и разворот на уклоне; аварии на транспорте.
Предварительный анализ качества и конкурентоспособности по показателю технического уровня свидетельствует о незначительном разбросе (2-7 %) значений среди автосамосвалов разных фирм-производителей одного класса грузоподъемности. Поэтому выбор модели конкретного производителя будет зависеть от уровня сервисных услуг, пригодности к конкретным условиям эксплуатации, уровня производственной эффективности, и, в конечном счете, от уровня потребительских качеств [1], оценка которого должна быть произведена в проекте.
При выполнении регламента на разработку Эльгинского месторождения осуществлен предварительный выбор
грузоподъемности автотранспортной техники, необходимой для перевозки горной массы в заданных объемах по годам. Выбор грузоподъемности автосамосвалов осуществлен из условий:
соответствия динамике объемов перевозок и формирования парка выемочно-погрузочного оборудования; надежности конструкции и опыта эксплуатации в аналогичных условиях.
По нашему мнению транспортная система должна формироваться и видоизменяться поэтапно, в том числе, по видам и количеству транспортного оборудования, типам привода (автономный дизельный, электрифицированный). Это объясняется отсутствием (в начальный период) инфраструктуры (железнодорожного транспорта, электроэнергии в больших
количествах, обогатительной фабрики и т.д.), что требует в период строительства и освоения проектной мощности разреза использования автосамосвалов высокой проходимости, при этом достаточно будет грузоподъемности порядка 40 т. В дальнейшем при появлении инфраструктуры и наращивания производственной мощности необходим переход на применение высокопроизводительной выемочно-погрузочной и транспортной
техники. В этот период необходимо обновлять парк автосамосвалами грузоподъемностью 130-220 и 320 т.
На первом этапе (2-7 лет) разработки месторождения наиболее предпочтительно применение ШСС, поскольку требуется интенсификация добычи угля, нет достаточного времени для
строительства автодорог в целом и, тем более, автодорог,
отвечающих требованиям СНиП и ЕПБ для эксплуатации автосамосвалов особо большой грузоподъемности 130-220 т. В условиях вечномерзлых пород, в летний период и в межсезонье будет происходить оттаивание автодорог, и они будут быстро приходить в негодность, что затруднит эксплуатацию
«классических» автосамосвалов.
Использование ШСС как на строительстве, так и на технологических перевозках позволит в первое время унифицировать парк и облегчит организацию технического
обслуживания и ремонта техники.
ШСС способны преодолевать крутые уклоны до 68% в порожнем состоянии и до 36% - в груженом (по данным производителей), что способствует оптимизации горных работ при интенсификации разработки месторождения и «нарезке» рабочих уступов в условиях сложного рельефа.
Положительный мировой опыт эксплуатации автосамосвалов САТ-740 на карьере «Tarmac Pant Quarru» (Уэльс, Англия), Volvo A40D - на предприятиях «Marmi di Carrara Srl», (г.Каррара, Италия) и «WBB Minerals» по добыче пластичной глины (Англия) позволяют сделать вывод о надежности и качестве данных машин (рис. 1).
Альтернативой формирования парка в начальный период могут быть карьерные автосамосвалы грузоподъемностью 40-55 т и 130 т для перевозки вскрышных пород и угля. Однако этот вариант потребует строительства сети автодорог с улучшенным покрытием уже на первом этапе разработки разреза.
При разработке проекта Эльгинского месторождения были рассмотрены варианты применения автомобильных съездов с уклонами 8 %, рекомендуемыми СНиП 2.05.07 - 91*
«Промышленный транспорт», а также с повышенными уклонами, позволяющими сократить расстояние
транспортирования, оптимизировать параметры рабочей зоны
разреза, в ряде случаев отстроить автомобильные съезды непосредственно по склонам.
Рис. 1. Иллюстрация проходимости шарнирно-сочлененных автосамосвалов
Рациональный предельный уклон транспортных средств определяется несколькими аспектами: во-первых, техническими возможностями машин, во-вторых, экономическим эффектом от применения технологии ведения горных работ.
В общем случае можно использовать следующие значения предельных максимальных уклонов автодорог для карьерных автосамосвалов с колесной формулой 4х2:
- по условиям устойчивости не более 14% (движение груженого автосамосвала на подъем); для автосамосвалов с увеличенным объемом грузовой платформы (углевозов) предельный уклон автодорог на участках движения груженых автосамосвалов вверх должен быть уменьшен на 4% (2 град.);
- по условиям допустимых нагрузок на шины максимальный уклон при номинальной грузоподъемности составляет 8-9%, при необходимости эксплуатации на более высоких уклонах необходимо снижение массы перевозимого автосамосвалами груза;
- по тормозным возможностям (груженый на спуск) уклоны ограничиваются уклонами в 14-16% (большие уклоны соответствуют большему сопротивлению качению);
- по ■ условиям перегрева тяговых электродвигателей ограничивается протяженность подъема для груженого автосамосвала: уклон до 8% - без ограничения; 10% - не более 1 км, 12% - до 500 м, 14% - не более 300 м. Для порожнего автосамосвала ограничений протяженности подъема по перегреву для уклонов до 15% нет.
Таким образом, можно рекомендовать повышенные уклоны для карьерных автосамосвалов ■ колесной формулой 4^2 в рабочей зоне, где транспортирование горной массы осуществляется сверху вниз, а на отвалах и при транспортировании угля на перегрузочный пункт или фабрику уклоны автодорог 8-10%. Однако во всех случаях при уклонах более 8% необходимо выполнять особые мероприятия по содержанию дорожного покрытия, чтобы обеспечить отсутствие скольжения колес в распутицу и в зимнее время.
Анализ тяговых характеристик ШСС показал, что по максимальному тяговому усилию они способны при небольших скоростях движения автосамосвала (до 1^2 км/ч) преодолевать уклоны автодорог порядка 40^45%. При этом обеспечивается полное использование грузоподъемности автосамосвала с удовлетворительными эксплуатационными режимами работы узлов оборудования. Однако в реальных условиях уклон будет ограничиваться условиями сцепления колес с дорогой и устойчивостью автосамосвала. Учитывая мировой опыт
эксплуатации ШСС (рис. 1) в проекте могут закладываться уклоны автодорог до 35% при обеспечении соответствующих спецмероприятий по содержанию дорог и машин.
Таблица 1
Теоретическое значение коэффициента трения, необходимого для удержания автосамосвала от скатывания на уклоне
Уклон трассы, % 5 10 15 20 25 30 40 50 б0
Коэффициент трения 0,0б 0,11 0,1б 0,22 0,2б 0,32 0,45 0,58 0,75
В соответствии с требованиями СНиП [2] наибольший продольный уклон для дорог с твердым покрытием составляет 15^17%. На карьерных дорогах III-к категории со сроком действия до одного года допускается в направлении движения грузов в сторону подъема увеличивать уклон на 3% по сравнению с приведенным выше, то есть в этих условиях допустимый уклон составит 18^20%. На таких уклонах скорость движения груженого автосамосвала грузоподъемностью 37 тс учетом сопротивления качения составит 4,5^5,5 км/ч.
Существенное значение для безопасной эксплуатации ШСС на повышенных уклонах являются их тормозные свойства. Анализ действующих сил при остановленном на уклоне груженом автосамосвале позволил установить изменение необходимого коэффициента трения шин с дорожным покрытием в зависимости от угла наклона трассы. Коэффициент трения, обеспечивающий остановку автосамосвала на уклоне, определяется по выражению f > sin а cosa ’
где а - угол наклона автодороги, град.
Изменение теоретического значения коэффициента трения в зависимости от уклона трассы для автосамосвалов с колесной формулой 4^4, 6x6 приведено в табл. 1. Полученные расчетные коэффициенты трения шин с дорожным покрытием удовлетворяют практически идеальным условиям эксплуатации автосамосвалов. На практике по условиям безопасности эксплуатации этот коэффициент должен приниматься с определенным запасом.
Опыт экспериментальных и теоретических исследований ИГД УрО РАН показывает, что по условиям безопасности движения
автосамосвалов значение коэффициента сцепления должно быть не менее 0,4.
Таким образом, при соответствующем техническом обслуживании оборудования и поддержании в надлежащем состоянии дорожного полотна на транспортной берме ШСС, безусловно, могут транспортировать горную массу по съездам с уклоном 15^20 - в соответствии со СНиП [2], 25% и более процентов - при дополнительном обосновании.
Поперечный профиль автомобильных дорог определен с учетом требований СНиП [2,3], единых правил безопасности [4], а также рекомендаций ИГД УрО РАН для ШСС грузоподъемностью 36^40 т с габаритной шириной ~3,5 м. По данным исследований, при скоростях движения 5^15 км/ч для машин грузоподъемностью 40 т расчетная ширина проезжей части автодорог составит 9,6 м. Если учесть габаритную ширину автосамосвала по зеркалам, то ширина проезжей части автодороги будет около 11 м. Следует отметить, что ширина транспортной бермы в случае формирования удерживающего грунтового вала при минимальной ширине прочих элементов дорожного полотна достигает 19 м. На криволинейных участках трассы необходимо предусматривать уширение проезжей части автодорог ввиду того, что каждое колесо автосамосвала движется по самостоятельной траектории.
Учитывая отсутствие инфраструктуры в районе разработки Эльгинского месторождения, для строительства постоянных автодорог целесообразно применять дорожное покрытие из местных строительных материалов в виде щебеночных и гравийных смесей с обработкой вяжущими веществами методом пропитки. Для строительства временных автодорог целесообразно использовать местные строительные материалы необходимой прочности, в виде отсыпки разными фракциями в зависимости от прочности и обводненности несущих грунтов.
Для строительства и поддержания дорог, в соответствующем состоянии, а также формирования породного вала может быть использован бульдозер массой 20-25 т или колесный погрузчик с емкостью ковша не менее 10 м3.
При формировании транспортной системы, с учетом техники и технологии разработки месторождения рекомендовано поэтапное
внедрение автосамосвалов с повышением их грузоподъемности (рис. 2):
Годы разработки
Рис. 2. Динамика расчетного парка автосамосвалов разреза Эльгинский
- при строительстве и до достижения производственной мощности 1000 тыс. т по углю (2 год) используются полноприводные ШСС повышенной проходимости грузоподъемностью 35-40 т;
- с 3 года парк пополняется 130-тонными автосамосвалами со стандартной грузовой платформой на перевозке вскрыши, а с 4 года 130-тонными автосамосвалами-углевозами с увеличенной грузовой платформой и на перевозке угля, с последующим выводом из парка ШСС по мере их списания или передачи на вспомогательные и строительные работы;
- с 5-го года (с появлением на разрезе экскаваторов с емкостью ковша 40 м3) парк формируется автосамосвалами грузоподъемностью 320 т для транспортирования вскрыши с постепенным его увеличением по годам, при этом автосамосвалы грузоподъемностью 130 т будут работать на перевозке вскрыши до списания, после чего выводятся из парка;
- к выходу на проектную мощность парк сформирован из автосамосвалов-углевозов грузоподъемностью 130 т для перевозки угля и автосамосвалов грузоподъемностью 320 т для транспортирования вскрыши. При этом 130-тонные автосамосвалы работают с экскаваторами с ковшом емкостью 11-13 м3, а 320тонные автосамосвалы - с экскаваторами с емкостью ковша 40 м3.
Структура парка технологического автотранспорта имеет сложную динамику своих параметров, меняющихся во времени под влиянием различных факторов. В любой момент времени в автопарке находятся в эксплуатации автосамосвалы разной грузоподъемности и различных возрастных групп. Число машин в различных возрастных группах постоянно меняется. Число машин разной грузоподъемности во времени также не остается постоянным, т.е. типаж автосамосвалов тоже изменяется (рис. 3).
Формирование парка автосамосвалов осуществлялось на принципе поддержания среднего возраста автосамосвалов на уровне, обеспечивающем обязательное выполнение годового объема перевозок горной массы и рентабельность работы автотранспортного предприятия, т.е. когда удельная стоимость транспортирования горной массы не превышает допустимую, при которой гарантируется прибыльность автомобильных перевозок.
Средним возраст автосамосвалов, лет8,0
7.0
6.0
5.0
4.0
3.0
2.0 1,0 0,0
1 1
а
1
9
/ / /'
2 / 4 /
л. У •-> и { У 1 1М 1 1 VI к У V 1£ к 1 1 У 1У '21 2'\ 'А Тб '24 2 и 2\з '2! ТР
Годы разработки месторождения
Рис. 3. Формирование автомобильного парка на примере проекта разработки Эльгинского месторождения угля: 1 -
шарнирно-сочлененные автосамосвалы, 2 - автосамосвалы-углевозы грузоподъемностью 130 т (уголь), 3 - автосамосвалы со стандартной грузовой платформой грузоподъемностью 130 т (вскрыша), 4 - автосамосвалы грузоподъемностью 320 т (вскрыша)
Таблица 2
Сравнение вариантов применения автосамосвалов грузоподъемностью 220 т и 320 т на перевозке вскрыши
Наименование Натуральные единицы Денежные единицы, руб/т-км
220 т 320 т 220 т 320 т
вскр вскр вскр вскр
Капитальные затраты
Приобретение автосамосвалов, ед 164 107 7,3386 6,7915
Эксплуатационные затраты (в год)
Штат водителей, чел 600 392 0,270 0,176
Зарплата водителей, тыс. руб 30 30
Штат ремонтников, чел. 98 64 0,037 0,024
Зарплата ремонтников, тыс. руб 25 25
Шины, шт. 267 174 0,100 0,091
Дизельное топливо, тыс. л 106024 83759 2,386 1,885
Соотношение расхода топлива, % 1,00 0,79 - -
Стоимость диз. топлива, тыс. руб. за 1000 л 18 18 - -
ИТОГО по эксплуатационным затратам - - 2,792 2,176
Примечание: приведенные данные учитывают не все статьи затрат и поэтому суммарные удельные затраты не соответствуют себестоимости транспортирования
Проведено сравнение вариантов по формированию парка автосамосвалов на перевозке вскрыши автосамосвалами 320 т и 220 т, которое показало (табл. 2), что меньшие капитальные и эксплуатационные затраты соответствуют варианту применения автосамосвалов грузоподъемностью 320 т. Это связано с сокращением количества автосамосвалов, соответствующего сокращения штата водителей и обслуживающего персонала (ремонтных рабочих), а также затрат на шины и горюче-смазочные материалы. Однако в случае применения автосамосвалов грузоподъемностью 320 т увеличится ширина автодорог, требования к несущей способности и затраты на их строительство и содержание.
Как упоминалось выше, парк автосамосвалов рассчитан по условиям обеспечения необходимого объема перевозок с учетом динамики парка экскаваторов. В проекте необходимо уточнить парк по условиям эффективной работы экскаваторно-автомобильных комплексов и списания автосамосвалов по соответствующей методике.
План формирования парка автотранспорта целесообразно прогнозировать на период 5-10 лет. За этот период, как показывает современная динамика развития науки и технологий, будут усовершенствованы существующие модели автосамосвалов, а также разработаны новые (большей грузоподъемности, с новыми силовыми установками и т.п.).
В случае обеспечения разреза электроэнергией в достаточных количествах, целесообразно рассмотреть применение конвейерного и троллейвозного (или дизель-троллейвозного) транспорта. Для этого имеются необходимые технологические условия: значительное расстояние
транспортирования (6-12 км), большие объемы перевозок, транспортирование сверху-вниз, что дает возможность рекуперировать электроэнергию в контактную сеть. Кроме этого суровые климатические условия также благоприятствуют применению электрифицированного транспорта благодаря надежности электропривода в суровых условиях. Применение электрифицированных видов транспорта позволит существенно снизить себестоимость транспортирования, повысить производительность транспорта, а значит, снизить парк транспортных единиц (в случае троллейвозов и дизель-троллейвозов).
Подвод электроэнергии возможен либо от внешних магистральных линий электропередач, либо от собственных малых теплоэлектростанций, которые можно установить в непосредственной близости от разреза и использовать местные виды топлива (уголь, природный газ, торф и т.д.).
Применение дизель-троллейвозов возможно от забоя до магистральной автодороги, а также на отвале автосамосвал двигается с питанием от дизельного двигателя, а на постоянной магистральной автодороге он двигается с питанием от контактной сети. Такая схема позволяет
упростить систему контактных сетей, организацию работ в забое, увеличить независимость транспорта от электроэнергии.
Троллейвозный транспорт предпочтительно использовать при транспортировании горной массы от перегрузочного пункта, расположенного у подножия рабочего борта разреза, до Таблица 3
Потребность в электроэнергии для троллейвозного транспорта по Эльгинскому разрезу
Показатель Автосамосвалы грузоподъемностью
136 т 220 т 320 т
Вид перевозок уголь уголь вскрыша уголь вскрыш а
30 30 100 млн. 30 100 млн.
Объем перевозок млн. т млн. т м3 млн. т м3
Без рекуперации энергии в контактную сеть
Суточный расход электроэнергии, МВт-ч 204 232 1307 252 1297
Суммарная потребляемая мощность, МВт 16,7 30,3 169,5 33,1 166,7
С рекуперацией энергии в контактную сеть
Суточный расход электроэнергии, МВт-ч 126 144 791 159 1207
Суммарная потребляемая мощность, МВт 9,29 17,0 92,5 18,9 133,0
склада угля или обогатительной фабрики [5]. Потребность в электроэнергии для троллейвозов приведена в табл. 3.
Для применения троллейвозного (дизель-троллей-возного) транспорта требуется наличие автодорог высокого качества (по параметрам ровности и прочности). Кроме этого вдоль автодороги должна быть построена контактная линия электропередач с системой тяговых подстанций.
Не исключен вариант применения автотранспорта инновационной конструкции, обеспечивающей снижение расхода дизельного топлива и повышение надежности и технической готовности:
- троллейвозов, имеющих троллейное питание (на магистральной автодороге), и аккумулятор энергии (для автономного движения в пунктах погрузки и разгрузки);
- а также автосамосвалов с комбинированной энергосиловой установкой (КЭУ).
---------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Оценка уровня потребительских качеств и конкурентоспособности моделей карьерных автосамосвалов с целью выбора лучшей для Айхальского ГОКа: метод. указ. / под рук. Яковлева В.Л. - Екатеринбург: ИГД УрО РАН, 2001. - 30 с.
2. Промышленный транспорт. СНиП 2.05.07 - 91* /Минстрой России. - М.: ГП ЦПП, 1996. - 112 с.
3. Автомобильные дороги. СНиП 2.05.02 - 85 /Госстрой СССР. - М., 1986. - 56 с.
4. Единые правила безопасности при разработке месторождений полезных ископаемых открытым способом. ПБ 03-498-02 /Госгортехнадзор России. - М., 2003. - 145 с.
5. Тарасов П.И. Применение троллейвозного транспорта на открытых горных работах / П.И. Тарасов, А.П. Тарасов, А.Г. Ворошилов, А.Г. Журавлев //Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2006. - № 3. - С. 271-278. П:рз=!
— Коротко об авторах --------------------------------------------------
Глебов А.В. - кандидат технических наук, зам. директора по научным вопросам, Glebov@igd.uran.ru,
Журавлев А.Г. - кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории транспортных систем карьеров и геотехники, Juravlev@igd.uran.ru,
Институт горного дела УрО РАН, г. Екатеринбург.
