CC BY
170
УДК 622.732
А. С. Ташкинов, А. А. Сысоев, И. А. Ташкинов, Л. А. Зорина
КОМПЛЕКСНАЯ ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ БУРОВЗРЫВНЫХ И ЭКСКАВАТОРНЫХ РАБОТ ПРИ ВЫЕМКЕ ВЗОРВАННЫХ ПОРОД ЭКСКАВАТОРАМИ ТИПА ЭКГ
Эффективная разработка скальных и полу-скальных пород экскаваторами цикличного действия возможна только после их предварительной взрывной подготовки, которая представляет собой ресурсоемкий технологический процесс. В настоящее время на разрезах Кузбасса около 80% общего объема вскрыши разрабатывается с применением буровзрывных работ (БВР). В структуре себестоимости 1 м3 вскрыши доля БВР постоянно растет и достигает 20% и более, а уровень затрат на БВР в значительной мере определяют затраты на взрывные работы (55-65% от затрат на БВР).
Известные рекомендации по обоснованию рациональной величины удельного расхода ВВ разработаны [1] при условии взрывания сухих или слабообводненных пород с применением эталонного ВВ (граммонита 79/21). Предлагается учитывать относительные характеристики ВВ:
- относительную работоспособность через переводной коэффициент эквивалентных зарядов
■ А-
(1)
относительную стоимость как
ПВВ = Ц ВВ ■ Ц ЭТ ,
(2)
-относительную эффективность на основе выражения
ЭВВ = КВВ ' ПВВ . (3)
Здесь КВВ - переводной коэффициент эквивалентных зарядов; АЭТ, АВВ - полная идеальная работа взрыва соответственно эталонного и рас-
сматриваемого ВВ, кДж/кг; ЦЭТ, ЦВВ - цена 1 кг соответственно эталонного и рассматриваемого ВВ, р; ПВВ, ЭВВ - показатель относительных соответственно стоимости и эффективности ВВ.
Структура показателя ЭВВ отражает основные направления совершенствования ВВ - повышение их работоспособности при одновременном снижении стоимости.
Ассортимент ВВ, применяющихся на разрезах Кузбасса, характеризуется достаточно широким диапазоном изменения показателя относительной эффективности ЭВВ (табл. 1). По этому критерию можно выделить три группы ВВ: с показателем эффективности ЭВВ < 1, с показателем эффективности ЭВВ = 1 и показателем эффективности ЭВВ >1. Первая группа представлена бестротило-выми ВВ в виде смеси гранулированной АС и ДТ, с добавками алюминия и другими твердыми горючими добавками, а также с добавками грануло-тола (не более 10%). Вторая группа ВВ представлена смесями гранулированной АС и гранулотола (15-20%). Третья группа представлена тротилосодержащими смесями с высоким содержанием гра-нулотола (50% и более).
Оценка эффективности применения различных типов ВВ осуществлялась по минимуму затрат на буровзрывные и выемочно-погрузочные работы при широком диапазоне варьирования природных, технических и технологических условий ведения горных работ. Так крепость пород изменялась в пределах / = 3-12, вместимость ковша экскаватора Е = 5-56 м3, диаметр скважин ё =
Таблица 1. Относительные характеристики ВВ
Тип ВВ Относительные характеристики
Работоспособности КВВ Стоимости ПВВ Эффективности ЭВВ
Игданит 1,13 0,34 0,38
Гранулиты: НП 1,12 0,42 0,47
УП - 1 (местного изготовления) 1,12 0,5 0,56
УП - (заводской) 1,12 0,61 0,68
Граммонит ТК - 5 1,12 0,67 0,75
Сибирит (1200, 1500) 1,29 0,6 0,77
Граммонит ТК - 10 1,06 0,76 0,8
Граммонит ТКЗ - 15 1,03 0,96 0,99
Граммонит 79/21 (эталон) 1,0 1,0 1,0
Эмульсолит (П, А - 20) 1,2 0,88 1,06
Граммонит 30/70 1,13 1,92 2,17
Гранулотол 1,2 2,56 3,07
1—1
2
4 6 8 10 12 /
1
2
4 6 8 10 12 /
XI
4 6 8 Ю 12 /
Рис. 1. Изменение рациональной степени взрывного дробления от крепости пород: а, б, в - при применении ВВ соответственно гранулита УП-1, граммонита 79/21, граммонита 30/70; 1, 2 - при вместимости
ковша соответственно 5 и 56 м3.
0,171-0,269 м; в качестве базовых ВВ приняты: гранулит УП - 1 местного изготовления (первая группа ВВ), граммонит 79/21 (вторая группа ВВ), граммонит 30/70 (третья группа ВВ).
Анализ результатов расчета показал, что рациональная степень Хр взрывного дробления пород, оцениваемая отношением диаметра средней
естественной отдельности йе к диаметру среднего куска породы в развале dCIЬ для экскаваторов -мехлопат аппроксимируется [2] выражением
dl
Хр = 1 + Э 0,25 + Е 0,2 (4)
ЭВВ + Е
Следовательно, группа основных факторов,
определяющих рациональную степень взрывного дробления пород угольных месторождений по минимуму затрат на буровзрывание и выемочнопогрузочные работы, включает диаметр средней естественной отдельности, вместимость ковша экскаватора, энергетические и стоимостные характеристики ВВ.
Изменение рациональной степени взрывного дробления от крепости пород, вместимости ковша экскаватора и типа ВВ показано на рис. 1.
Анализ результатов расчета позволяет сделать следующие выводы:
- для экскаваторов с вместимостью ковша Е = 5 м3 изменение крепости пород с 3 до 12 обусловливает целесообразность увеличения рациональной степени взрывного дробления с 1,17 до 3,73 (при применении гранулита УП - 1); с 1,15 до 3,42 (при применении граммонита 79/21) и с 1,13 до 3,05 (при применении граммонита 30/70);
- для экскаваторов с вместимостью ковша Е = 56 м3 изменение крепости пород с 3 до 12 обусловливает целесообразность увеличения рациональной степени взрывного дробления с 1,12 до 2,94 (при применении гранулита УП - 1); с 1,11 до 2,78 (при применении граммонита 79/21) и с 1,1 до 2,57 (при применении граммонита 30/70);
- при прочих равных условиях рациональная степень взрывного дробления пород с применением ВВ, имеющих ЭВВ = 1 (граммонит 79/21), ниже, чем при ВВ с ЭВВ < 1 (гранулит УП - 1) и выше, чем при ВВ, имеющих ЭВВ > 1 (граммонит 30/70).
Количественную оценку крупности дробления делают на основе гранулометрических характеристик. Для практических целей крупность дробления целесообразно
целесообразно характеризовать числовой характеристикой, которую удобно использовать в технологических расчетах. Для количественной оценки результатов взрыва широко используют средневзвешенный (по объему) диаметр куска как среднюю числовую характеристику крупности взорванной горной массы (Аср). Изменение рационального качества взрывного дробления (Аср.р) от крепости пород, вместимости ковша экскаватора и типа ВВ показано на рис. 2.
Выявлена (см. рис. 2) общая закономерность поведения Аср.р: при крепости пород 3 </ < 8 значения Аср.р возрастают (в 1,4 - 1,7 раза) для всех рассматриваемых условий разработки, а при f > 8 убывают (в 1,05 - 1,1 раза). Следовательно, при разработке пород IV - V категорий блочности целесообразность интенсификации их взрывного дробления возрастает.
Практикой взрывного дела, исследованиями в этой области установлено, что наиболее мощными рычагами управления качеством (степенью) взрывного дробления пород являются удельный расход ВВ и диаметр скважин. Удельный расход ВВ, от которого зависит полный запас энергии заряда, оказывает определяющее влияние на раз-
а)
dср.р, м
Аср.р, м
Аср.р, м
Рис. 2. Изменение рационального качества взрывного дробления пород от их крепости: а, б, в - при применении ВВ соответственно гранулита УП-1, граммонита 79/21, граммонита 30/70; 1, 2 - при вместимости ковша соответственно 5 и 56 м3.
рушающее действие взрыва и качество дробления пород. Опыт взрывных работ свидетельствует о том, что изменение удельного расхода ВВ позволяет в широких пределах изменять степень дробления пород.
Влияние диаметра скважин на качество дробления пород проявляется через равномерность распределения ВВ в массиве и существенно зависит от диаметра средней естественной отдельности. Для условий угольных месторождений предложена модель взрывного дробления пород [1], технологическая структура, которой достаточно полно отражает отмеченные выше особенности:
Аср = 5ААе (5А + дАе )-1, м; (5)
где Аср - диаметр среднего куска взорванной горной массы, м;
Ае - диаметр средней естественной отдельности, м;
А - диаметр скважин, м; д - удельный расход ВВ, кг/м3.
Тогда удельный расход ВВ, необходимый для обеспечения рационального качества взрывного дробления пород (др), определится из выражения: (л П
5А, кг / м3.
qv =
1
d
v ср
1
d
(б)
V
Следовательно, на основе выражения (6) предоставляется возможность определять значения удельного расхода ВВ, необходимого для обеспечения рационального качества взрывного дробления пород при разработке их экскаваторами -мехлопатами типа ЭКГ с учетом типа ВВ, структурно - прочностных характеристик пород, диаметра скважин и вместимости ковша экскаватора.
Поведение рационального удельного расхода ВВ характеризуется следующими особенностями:
- удельный расход ВВ, имеющих ЭВВ < 1 (гра-нулит УП - 1), целесообразно увеличивать на 10 -15%, а для ВВ, имеющих ЭВВ > 1 (граммонит 30/70), уменьшать на 15 - 20% в сравнении с ВВ, имеющим ЭВВ = 1 (граммонит 19/21);
- при изменении диаметра скважин от 0,171 до 0,269 м рациональные значения удельного расхода ВВ возрастают в 1,55 - 1,6 раза;
- выявлена закономерность изменения др от крепости пород, количественную оценку которой можно дать на основе выражения общего вида:
ЧР = I -Ад, кг / м3, (7)
где I - коэффициент крепости пород по Протодъя-конову;
Ад - шаг изменения др, приходящегося на единицу коэффициента крепости пород, кг/м3; величина параметра Ад зависит от типа ВВ, диаметра скважин, вместимости ковша экскаватора.
Рис. 3. Изменение параметра Aq от вместимости ковша экскаватора: а, б, в, г - при диаметре скважин соответственно Ü,171; Ü,216; Ü,244 и Ü,269 м;
1, 2, 3 - при применении в качестве вв соответственно граммонита 3Ü/7Ü, граммонита 79/21, гранулита УП - 1.
Таблица 2. Относительные размеры затрат на БВР (относительно граммонита 79/21) по типам ВВ
Тип ВВ Крепость пород Диаметр скважин, м
0,171 0,216 0,244 0,269
Гранулит УП - 1 (ЭВВ < 1) 3 0,69 0,66 0,64 0,63
12 0,8 0,76 0,74 0,72
Граммонит 30/70 (ЭВВ > 1) 3 1,47 1,51 1,53 1,55
12 1,32 1,39 1,42 1,45
Таблица 3.Относительные размеры затрат на буровые работы (в % от СБВР) при рациональном удельном
расходе ВВ
Тип ВВ Крепость пород Диаметр скважин, м
0,171 0,216 0,244 0,269
Гранулит УП - 1 3 39 32 29 25
12 63 54 50 46
Граммонит 79/21 3 24 19 16 14
12 45 37 33 29
Граммонит 30/70 3 14 11 9 8
12 30 22 20 18
Изменение параметра Ац от вместимости ковша экскаватора показано на рис.3.
Для оперативного управления комплексом работ по подготовке скальных и полускальных пород к выемке необходимо дать оценку структуре затрат на БВР. Анализ показал, что в зависимости от крепости пород и диаметра скважин, при рациональном удельном расходе ВВ, стоимость БВР изменяется в 5,5 - 6,7 раза при применении в качестве ВВ гранулита УП - 1; в 4,9 - 5,7 раза -при применении граммонита 79/21; в 4,6 - 5,2 раза - при применении граммонита 30/70.
При прочих равных условиях, в зависимости от типоразмера экскаваторного оборудования, СБВР изменяется в 1,3 - 1,4 раза. Изменение размеров затрат на БВР по типам ВВ показано в табл. 2.
Следовательно, главными факторами, определяющими стоимость БВР, являются удельный расход ВВ, диаметр скважин и тип ВВ. При анализе эффективности БВР обоснованию этих параметров следует уделять особое внимание. Результаты анализа по оценке эффективности буровых работ представлены в табл. 3.
Производительность экскаваторов - один из важнейших показателей эффективности открытых горных работ, который определяет парк основного горнотранспортного оборудования, производительность труда и затраты на производство горных работ. Различают паспортную, техническую и эффективную производительность [3].
Паспортная производительность Qо зависит только от конструктивных факторов (мощность двигателей, линейные размеры рабочего оборудования, расчетные размеры и форма экскавирую-щего органа, кинематической схемы, расчетноконструктивных скоростей движения рабочего органа) и определяется из выражения:
Qo =(3600/ 1о ), м3/ ч; (8)
где 1о - паспортная продолжительность рабочего цикла выемочной машины, с;
Е - геометрическая вместимость ковша, м3.
Паспортная производительность - основа для определения других категорий производительности и служит для сравнения отдельных видов и типоразмеров между собой.
Техническая производительность Qт является наибольшей возможной часовой производительностью выемочной машины при непрерывной ее работе в конкретных горнотехнических условиях. В общем виде техническая производительность выемочной машины определяется как
=(3600Е / , м3/ ч; (9)
где ^ - минимальная продолжительность рабочего цикла выемочной машины в конкретных условиях, с;
Кэ - коэффициент экскавации.
Рабочий цикл включает три основные операции: время черпания (ч), время поворотов ковша от забоя к месту разгрузки и обратно (п) и разгрузки ковша (¿р).
Эффективная производительность Qэф является максимальной часовой эксплуатационной производительностью выемочной машины в конкретных горнотехнических условиях. Она учитывает как условия работы, так и затраты времени на вспомогательные операции (перемещение экскаватора в процессе отработки заходки, обработка негабаритных отдельностей, управляемое обрушение нависей и козырьков и др.). В общем виде эффективная производительность определяется из выражения:
Qэф = Qт ■ КтВ, м3/ г; (10)
где Кте - коэффициент влияния технологии выемки, структура которого соответствует выражению
Кше = to /(о + tecn );
(11)
где tо - время основной работы (выемочнопогрузочных операций) в пределах забойного блока, с;
teсп - суммарное время вспомогательных операций в пределах забойного блока, с.
Основные параметры экскавации (^, tn, Кэ, Ктв) при разработке взорванных пород карьерными экскаваторами типа ЭКГ в соответствии с рекомендациями [1, 4] описываются следующими выражениями:
- время черпания
67d2
t4 ='
ср
E
+
E
0,11E + 0,6
(12)
- суммарное время поворотов в пределах рабочего цикла
~ Л0,33
tn =
{35Е + 0,42Е2) в2
Е v
- коэффициент экскавации
f d5 ^
Кэ = 0,83 • exp - 2-
, с;
E
0,2
(13)
(14)
V _
- коэффициент влияния технологии выемки
(( н V^
Кше = еХР
- 0,45-
E
0,25
(15)
V4 ' У
Здесь dср - диаметр среднего куска взорванной массы, м;
вп - угол поворота экскаватора, рад.
В расчетах приняты: tср = 3 с, вп = 1,57 рад. Параметры базовых моделей экскаваторов приведены в табл. 4.
В соответствии с изложенными выше положениями были произведены расчеты по оценке производительности экскаваторов типа ЭКГ при рациональном качестве дробления пород. Анализ их позволяет сделать следующие выводы.
Наиболее сильное влияние на производитель-
ность экскаваторов оказывают крепость пород, типоразмер выемочного оборудования (модель экскаватора) и показатель относительной эффективности ВВ (Эвв).
Так при применении гранулита УП - 1 (Эвв < 1) с достижением рациональных значений удельного расхода ВВ обеспечивается повышение производительности экскаваторов в следующих пределах: в породах II категории блочности - на 3-11%, а в породах ІІІ-У категорий блочности - на 8-18% (в сравнении с граммонитом 79/21).
При применении в этих же условиях граммо-нита 30/70 (Эвв > 1) с рациональными значениями удельного расхода ВВ наблюдается снижение (в сравнении с граммонитом 79/21) производительности экскаваторов: в породах II категории блочности - на 4-18%, в породах Ш-У категорий блочности - на 13-31%.
Результаты расчетов позволили дать количественную оценку изменения производительности экскаваторов от крепости пород.
Было установлено, что для всех типоразмеров выемочного оборудования с увеличением крепости разрабатываемых пород до / < 8 производительность снижается до некоторого значения Qmin, а затем снова возрастает (при / > 8). Результаты такого анализа (размах колебаний) приведены в табл. 5.
Стоимость экскавации определялась по выражению общего вида
С1/ ,,/ж3;
Сэ =
?э
-'См
(16)
где Смс - стоимость машиносмены экскаватора.
Данные о стоимости машиносмен приведены в табл. 6. В расчетах принимались: продолжительность смены Тсм = 12 ч, коэффициент использования экскаватора на основной работе в течение смены Ки = 0,91.
Анализ показал, что стоимость экскавации, при рациональном качестве дробления пород, зависит от их крепости, типоразмера экскаваторного оборудования (модель экскаватора) и косвенно, через рациональное качество дробления пород,
Таблица 4. Базовые модели экскаваторов
Параметры Значения
Вместимость ковша, м3 5 10 15 20 25 30 56
Базовая модель ЭКГ-5 ЭКГ-10 ЭКГ-15 ЭКГ-20 РН 2300 ХРВ РН 2800 ХРВ РН 4100 ХРВ
Рабочая масса, т 211 395 672 1075 704 1033 1458
Удельная масса, т/м3 42,2 39,5 44,8 53,7 28,2 34,4 25,9
Паспортная продолжительность цикла (вп = 1,57 рад.), с 23 26 28 28 28 32 -
Наибольшие: - радиус черпания, м 15,5 18,4 22,6 23,4 21,4 23,9 23,8
- высота черпания, м 12,9 13,5 16,4 17,0 15,5 16,2 18,1
- радиус разгрузки, м 13,7 16,3 19,5 20,9 18,6 20,9 20
- высота разгрузки, м 9,0 8,6 10,2 11,5 10,1 9,5 10,4
Таблица 5.Изменение относительной производительности экскаватора (Qmax/Qmin) от крепости пород при
рациональном качестве их дробления
Тип ВВ Крепость пород
3 4 5 6 7 S 9 10 11 12
Гранулит УП-1 1,49 1,33 1,19 1,0S 1,02 1,0 4,02 1,09 1,1 1,16
Граммонит 7 9/21 1,67 1,4S 1,29 1,13 1,04 1,0 1,01 1,04 1,1 1,16
Граммонит 30/70 2,0S 1,S1 1,52 1,27 1,12 1,03 1,0 1,02 1,0S 1,15
Таблица 6. Стоимость машиносмены экскаваторов типа ЭКГ
Вместимость ковша, м3 5 10 15 20 25 30 56
Стоимость машиносмены, тыс.р 9,5 20 32 49 64 S1 162
стоимость экскавации зависит от типа применяемого ВВ.
Установлено, что при применении гранулита УП-1 в породах крепостью / = 6-8 стоимость экскавации снижается (в сравнении с эталонным ВВ граммонит 79/21) на 5-17% в зависимости от условий работы.
При применении граммонита 30/70 в породах крепостью / = 8-12 стоимость экскавации повышается (в сравнении с эталонным ВВ граммонит 79/21) на 18-35%.
Таким образом, результаты выполненного анализа позволяют сделать следующие выводы:
- группа основных факторов, определяющих рациональную степень взрывного дробления пород угольных месторождений по минимуму затрат на буровзрывные и выемочно-погрузочные работы, включает диаметр средней естественной отдельности, вместимость ковша экскаватора, энергетические и стоимостные характеристики ВВ;
- значения удельного расхода ВВ, необходимого для обеспечения рационального качества дробления пород, определены на основе модели взрывного дробления, успешно апробированной в производственной и проектной практике, с учетом типа ВВ, структурно-прочностных характеристик пород, диаметра скважин и вместимости ковша экскаватора;
- выявлены значения шага удельного расхода ВВ, приходящегося на единицу коэффициента крепости пород по шкале М.М. Протодъяконова;
- главными факторами, определяющими стоимость БВР, являются удельный расход ВВ, диаметр скважин, тип ВВ и типоразмер выемочного оборудования;
- наиболее сильное влияние на производительность экскаваторов оказывают крепость пород, вместимость ковша и показатель относительной эффективности ВВ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Буровзрывные работы на угольных разрезах / Н.Я. Репин [и др.]. - М.: Недра, 1987. - 254 с.
2. Ташкинов, А.С. К оценке производительности карьерных экскаваторов большой единичной мощности при разработке взорванных пород / А.С. Ташкинов, А.А. Сысоев, И.А. Ташкинов // Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности: труды XI Международной науч.-прак. конф. - Кемерово, 2009. - С. 104-108.
3. Ржевский, В.В. Открытые горные работы. Часть 1: Учебник для вузов. - 4-е изд., пер. и доп. - М.: Недра, 1985. - 509 с.
4. Ташкинов, А.С. Сравнительная оценка производительности карьерных экскаваторов при разработке взорванных пород / А.С. Ташкинов, А.А. Сысоев, И.А. Ташкинов // Вестн. Кузбасс. гос. техн. унта. 2009. №4. С. 17-20.
□ Авторы статьи:
Ташкинов Александр Сергеевич докт. техн. наук, проф. каф. открытых горных работ КузГТУ, тел. 8-3842-39-63-68.
Сысоев
Андрей Александрович
- докт. техн. наук, проф. каф. открытых горных работ КузГТУ, тел. 8-3842- 39-63-68.
Ташкинов Игорь Александрович
- соискатель каф. открытых горных работ КузГТУ, тел. 8-3842- 39-63-68.
Зорина Любовь Андреевна
- студентка гр. ГО - 052 КузГТУ, тел. 8-3842-39-63-68.
