CC BY
1
ГИАБ. Горный информационно-аналитический бюллетень / MIAB. Mining Informational and Analytical Bulletin, 2023;(8):112-127 ОРИГИНАЛЬНАЯ СТАТЬЯ / ORIGINAL PAPER
УДК 622.271.4 DOI: 10.25018/0236_1493_2023_8_0_112
ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНОЙ ТЕХНОЛОГИИ И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ НА КАРЬЕРАХ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ЭКСКАВАТОРОВ ТИПА ОБРАТНАЯ ЛОПАТА
В.А. Хакулов1, В.А. Шаповалов1, В.Н. Игнатов2, И.А. Ногеров1, М.В. Игнатов1
1 Кабардино-Балкарский государственный университет имени Х.М. Бербекова, Нальчик, Россия, e-mail: [email protected] 2 Южно-Российский государственный политехнический университет имени М.И. Платова,
Новочеркасск, Россия
Аннотация: Внедрение производительных горных комплексов и роботизированного горного производства кардинально меняют требования к системе и технологии управления горными работами. Особенно это касается месторождений полезных ископаемых, отрабатываемых в скальных породах и отличающихся существенной изменчивостью структурных, прочностных свойств. Практическое использование большинства известных методологий оценки и оптимизации условий работы экскаваторно-автомобильных комплексов сдерживается из-за высокой субъективной составляющей исходных данных принятия управляющих решений. Это обуславливает наличие резервов для повышения ритмичности отгрузки горной массы внутри технологического цикла отработки забойных блоков. Одним из способов задействовать имеющиеся резервы является работа экскаваторов с автосамосвалами в открытом цикле на основе оперативного перераспределения автосамосвалов между экскаваторами, однако отсутствие методологии объективного аппаратного мониторинга изменчивости горно-технологических условий и изменения ритмичности отгрузки горной массы внутри технологического цикла отработки забойных блоков не позволяет повсеместно эффективно использовать эту технологию. Широкое внедрение более мобильных гидравлических экскаваторов «обратная лопата» имеет как положительные, так и отрицательные стороны эксплуатационных отличий и поэтому требует методического обоснования рациональной области применения. Более сложная структура технологического цикла отработки забойного блока с более сложным алгоритмом работы требует унификации системы и технологии управления на основе широкого использования интеллектуальных аппаратно-программных комплексов. Для мобильных гидравлических экскаваторов, вооруженых «обратной лопатой», предлагается новый подход оптимизации технологии отгрузки горной массы внутри технологических циклов отработки забойных блоков. Данный подход предполагает использование специальных интеллектуальных систем мониторинга и управления.
Ключевые слова: мониторинг процесса экскавации; работа экскаваторов с автосамосвалами в открытом цикле; обратная лопата; ритмичность отгрузки горной массы; технологический цикл отработки забойного блока; динамическое районирование смежных забоев; интеллектуальные аппаратно-программные комплексы.
Для цитирования: Хакулов В. А., Шаповалов В. А., Игнатов В. Н., Ногеров И. А., Игнатов М. В. Обоснование рациональной технологии и области применения на карьерах гидравлических экскаваторов типа обратная лопата // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2023. - № 8. - С. 112-127. DOI: 10.25018/0236_1493_2023_8_0_112.
© В.А. Хакулов, В.А. Шаповалов, В.Н. Игнатов, И.А. Ногеров, М.В. Игнатов. 2023.
Rational technology and application domain of hydraulic backhoes
in open pit mines
V.A. Khakulov1, V.A. Shapovalov1, V.N. Ignatov2, I.A. Nogerov1, M.V. Ignatov1
1 H.M. Berbekov Kabardino-Balkarian State University, Nalchik, Russia, e-mail: [email protected] 2 M.I. Platov South-Russian State Polytechnic University, Novocherkassk, Russia
Abstract: Introduction of productive machines and robotics drastically changes the standards and technology of mining control. This is especially valid for mineral mining in hard rock masses with substantial variability of structure and strength. Application of most known methodologies for the assessment and optimization of operation conditions of truck-and-shovel systems is limited because of high subjectivity of initial data involved in managerial decision-making. This governs the need to ensure provisions to maintain rhythmicity of rock handling within an excavation work cycle. One of the methods to employ available production reserves is an open-cycle truck-and-shovel system with real-time re-distribution of tucks between shovels. However, the absence of methodologies for the objective instrumental monitoring of changes in geotechnical conditions and in rock handling rhythmicity within an excavation work cycle disables universal and efficient application of this technology. The common introduction of more mobile hydraulic backhoes into operation has both merits and drawbacks, and, therefore, requires a technical approach-based justification of rational application domain for the machines. A more complex structure of an excavation process cycle with a more complicated operation algorithm needs unification of a control technology with wider use of intelligent software and hardware. For mobile hydraulic backhoes, the article proposes a new approach to optimization of rock handling within excavation process cycles. This approach includes special intelligent systems of monitoring and control.
Key words: excavation monitoring, open-cycle truck-and-shovel operation, backhoe, rock loading rhythmicity, excavation process cycle, dynamic zoning of neighbor face areas, intelligent software and hardware.
For citation: Khakulov V. A., Shapovalov V. A., Ignatov V. N., Nogerov I. A., Ignatov M. V. Rational technology and application domain of hydraulic backhoes in open pit mines. MIAB. Mining Inf. Anal. Bull. 2023;(8):112-127. [In Russ]. DOI: 10.25018/0236_1493_2023_8_0_112.
Введение
Гидравлические экскаваторы с оборудованием «обратная лопата» получили широкое распространение на открытых горных работах. В ходе многолетнего внедрения на разных предприятиях отмечаются как положительные, так и отрицательные стороны эксплуатации гидравлических экскаваторов типа «обратная лопата» [1 — 3]. В качестве преимуществ отмечается возможность разра-
ботки забоя выше и ниже уровня стояния экскаватора. Это позволяет с помощью экскаватора самостоятельно формировать съезды под требуемыми углами наклона для перехода на соседние рабочие горизонты, и в частности формировать съезды для отработки горизонта подуступами. Оборудование «обратная лопата» позволяет за счет больших усилий на зубьях ковша и за счет движения его по более короткой траектории осу-
ществлять наполнение ковша за меньшее время. Однако время наполнения ковша может увеличиться за счет существенного уменьшения усилий на зубьях, при увеличении вылета стрелы или глубины черпания.
Конструктивные особенности оборудования «обратная лопата» в сочетании с повышенной мобильностью гидравлических экскаваторов открывают возможности использования новых более сложных алгоритмов работы в забое. В свою очередь более сложные алгоритмы работы экскаватора в забое могут быть основой совершенствования технологического регламента и паспорта забоя для вскрытия неиспользуемых резервов повышения эффективности процессов горных работ. Очевидно, что для получения максимального положительного эффекта за счет неиспользуемых резервов необходимо обоснование рациональной области и технологии применения гидравлических экскаваторов типа «обратная лопата». Существующие методики оценки эффективности работы экскаватора требуют проведения сложных исследований с привлечением квалифицированного персонала, и поэтому результаты этих исследований в значительной мере зависят от субъективного фактора. Для повышения эффективности исследований и снижения влияния субъективного фактора на результат в ходе настоящей научно-исследовательской работы создан аппаратно-программный комплекс и методическое обеспечение работы с ним. Теоретические обоснования проверялись в ходе промышленных экспериментов, которые проводились на карьерах ООО «Донской камень».
Постановка задачи
Цель исследования - обоснование рациональной технологии и области применения на карьерах гидравлических экскаваторов типа «обратная лопата» для
повышения эффективности горных работ. Поставленная цель не может выполняться в отрыве от исследования сравнительной эффективности работы канатных экскаваторов и гидравлических экскаваторов «обратная лопата». При этом должны использоваться методы исследования, исключающие влияние субъективных факторов. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи.
1. Создание методики и аппаратно-программного комплекса для исследования сравнительной эффективности работы канатных экскаваторов и гидравлических экскаваторов «обратная лопата».
2. Проведение теоретических обоснований и промышленных экспериментов сравнительной эффективности работы канатных экскаваторов и гидравлических «обратная лопата».
Методы
Практический опыт горных предприятий определил ряд направлений, на которых получен положительный эффект от применения гидравлических экскаваторов с вооружением «обратная лопата». В то же время по некоторым решениям нет однозначного мнения [1 — 3]. Для получения объективного результата необходимо провести исследования сравнительной эффективности работы канатных экскаваторов и гидравлических экскаваторов «обратная лопата» с использованием методов, исключающих влияние субъективных факторов. Существующие методы исследования эффективности работы экскаваторов имеют субъективную составляющую, препятствующую объективной оценке. Так, при определении технической производительности экскаваторов используемые в рамках общепринятой методологии коэффициенты учитывают влияние конкретных горно-геологических и технологических факторов.
„ 3600Е/С
<ЭТ=-т--Кг,е М3/Ч, (1)
Ц
где 7ц — паспортная продолжительность цикла, с; Е — емкость ковша, м3; К — коэффициент экскавации; К — коэффициент, представляющий собой удельный вес вспомогательных операций.
т'8 твсп+тв
где 7всп — продолжительность вспомогательных операций при отработке забойного блока, с; Тв — продолжительность основных выемочно-погрузочных операций, с.
Продолжительность основных вы-емочно-погрузочных операций
т = ът
Кетц
ЕК„
(3)
где V — объем забойного блока, м3.
Объем забойного блока зависит от средней высоты забоя Н, а также ширины заходки А и длины забойного блока Р.
Р = Ег,
где г — толщина стружки, м:
V = Н АР.
З.б 3
(4)
наполнения ковша к коэффициенту разрыхления породы в ковше). Продолжительность наиболее благоприятных условий экскавации зависит от объема забойного блока, высоты забоя. Эти параметры определяются технологией и параметрами взрывной отбойки, в частности, схемой инициирования скважин-ных зарядов и интервалов замедления. Даже при рациональном инициировании скважинных зарядов имеет место устойчивая тенденция снижения высоты развала отбитой горной массы к краю экскаваторного забоя.
По мере отгрузки горной массы и уменьшения высоты забоя появляется целесообразность повторного черпания (перечерпания) и растет влияние технологических факторов, значение которых определяется величиной коэффициента К1в — коэффициент, учитывающий время вспомогательных операций, обязательно сопровождающих основные операции выемки и перемещения пород. При этом математически целесообразность перечерпания общеизвестные методологии предлагают определять из неравенства
Как видно из формул (1) —(4), часть технологического цикла представлена вспомогательными операциями, которые имеют непостоянную продолжительность. Кроме того, продолжительность вспомогательных операций и их соотношение постоянно меняется, поэтому их общий удельный вес определяется коэффициентом. Так, например, производительность экскаватора после его перемещения на новое место стояния является максимальной и при наличии автотранспорта полностью зависит от горно-геологических факторов, значение которых определяется величиной коэффициента экскавации (К — определяется как отношение коэффициента
(5)
где Гцо — время цикла при однократном черпании, с; Гпч — время перечерпания, с; к — коэффициент наполнения ковша во время полного цикла; к1 — коэффициент наполнения ковша во время двухкратного черпания.
На практике целесообразность перечерпания (не всегда рационально)определяет машинист экскаватора.
Таким образом, объем забойного блока и высота забоя определяют продолжительность наиболее благоприятных условий экскавации. Далее, от технологических факторов становится более зависим коэффициент наполнения ковша и увеличивается влияние на производи-
тельность коэффициента вспомогательных операций (Ктв). Удельный вес этого коэффициента в величине производительности экскаватора может варьировать в широких пределах. В частности, даже внутри одного типа канатных экскаваторов горно-геологические и технологические факторы по-разному влияют на производительность типоразмера оборудования. Сравнительный анализ эффективности работы погрузочного горного оборудования в разных горногеологических и технологических условиях представляет большую проблему, так как на практике данный коэффициент определяется путем проведения трудоемких исследований, результаты которых во многом зависят от субъективных факторов. Само понятие технологического цикла для малоподвижных канатных экскаваторов и подвижных гидравлических экскаваторов имеет разный смысл.
Так, отработка забойного блока в процессе технологического цикла канатного экскаватора начинается после его переезда на новое место стоянки. Начало технологического цикла отработки забойного блока характеризуется максимальной производительностью. Далее, по мере выемки горной массы в пределах радиуса черпания, уменьшается высота развала, снижается ритмичность погрузки горной массы в автосамосвалы. Цикл завершается зачисткой рабочей площадки и переездом экскаватора на новое место стояния. Начинается новый технологический цикл отработки забойного блока.
Использование подвижного гидравлического экскаватора с меньшими габаритами и конструктивными особенностями позволяет делить рабочую зону на подуступы по высоте. В результате функционируют две рабочие площадки. На верхней площадке работает экскаватор, а нижняя рабочая площадка является зоной погрузки автосамосвалов.
Конструктивно это представляет единый технологический комплекс, в котором именно процесс передвижения места погрузки самосвалов на нижней рабочей площадке завершает отработку забойного блока. Данной операции предшествует формирование временного съезда для перемещения экскаватора с верхнего подуступа на нижний. Важно отметить, что процессы формирования временного съезда, перемещения экскаватора с подуступа на нижнюю рабочую площадку для ее зачистки и передвижения места погрузки самосвалов на нижней рабочей площадке плохо совмещаются с процессом погрузки автосамосвалов. Поэтому данный технологический процесс может на основе технологии динамического районирования (патент РФ № 2738919 2020 г.) экскаваторных забоев более эффективно использоваться в смежных забоях для совмещения работы экскаваторов с автосамосвалами.
Так как внутри технологического цикла отработки забойного блока имеют место максимумы ритмичности отгрузки горной массы, которые чередуются с технологически обязательными вспомогательными операциями без отгрузки горной массы, то главным критерием в сравнительном анализе работы канатных карьерных экскаваторов и гидравлических экскаваторов типа «обратная лопата» может быть производительность за период технологического цикла отработки забойного блока.
В сравнительных исследованиях использовались канатный и гидравлический экскаваторы (табл. 1), которые имеют ряд близких технологических параметров. Так как каждый тип экскаваторов имеет ключевые преимущества и недостатки [4—6], сама концепция применения канатного и гидравлического экскаваторов принципиально различается. Канатный экскаватор малоподвижный, но имеет большие габариты, опре-
Таблица 1
Основные технические характеристики канатного и гидравлического экскаваторов Main technical characteristics of cable and hydraulic excavators
Основные технические характеристики Hyundai R520LC-9S ЭКГ-4.6
Мощность двигателя, кВт 259 250
Максимальный вылет на уровне земли, м 10,32 9,04
Высота черпания наибольшая, м 10,3 10,3
Максимальная высота выгрузки 10,3 10,3
Емкость ковша, м3 3 4,6
Максимальная глубина копания (рукоять 2400 мм), м 6,13 -
Радиус выгрузки наибольший, м 12,65
Радиус черпания наибольший, м 14,5
Таблица 2
Описание алгоритмов отработки забойных блоков для канатного и гидравлического экскаваторов
Description of algorithms of working off the bottomhole blocks for rope and hydraulic excavators
№ ЭКГ- 4.6 Hyundai R520LC-9S
пп описание алгоритма сокращенное обозначение описание алгоритма сокращенное обозначение
1 Переезд на новое место стояния экскаватора ПЭНМС Формирование подуступа рабочей площадки на всю ширину забоя ФПРП
2 Экскавация горной массы по секторам выемки с одного места стояния с погрузкой автосамосвалов ЭГМПС Переэкскавация горной массы с откоса уступа выше уровня стояния на рабочую площадку ПГМ
3 Совмещение полных и неполных циклов с переэкскавацией горной массы СПНЦП Погрузка горной массы в автосамосвалы на площадке ниже уровня стояния экскаватора ПГМАС
4 Зачистка рабочей площадки, подготовка к переезду на новое место стояния экскаватора ЗРПП Поддержание рабочей площадки на уровне стояния экскаватора для технологических перемещений и технологические перемещения по площадке ПРПУС
5 Формирование временных съездов для перемещения экскаватора с верхнего подуступа на нижнюю рабочую площадку с одновременным перемещением экскаватора ФВСПЭ
6 Зачистка площадки на нижнем подуступе для размещения автосамосвалов ЗПНП
7 Перемещение экскаватора с нижней рабочей площадки на подуступ ПЭНРП
деляющие параметры забоя, отрабатываемого с одного места стояния.
Это радиус выгрузки наибольший — 12,65 м, и радиус черпания наибольший — 14,5 м. В силу больших габаритов технологический цикл отработки забойного блока канатного экскаватора не предусматривает его перемещения, поэтому имеет место более простой алгоритм работы, включающий минимум вспомогательных операций.
Отработка забоя подуступами предполагает более сложный алгоритм работы и более сложную структуру технологического цикла отработки забойного блока. Поэтому алгоритм работы гидравлического экскаватора отличается большим количеством вспомогательных операций.
В табл. 2 представлено описание алгоритмов отработки забойных блоков для канатного и гидравлического экскаваторов.
Очевидно, что обычными статистическими методами на основе хрономет-ражных наблюдений можно сравнивать работу данных погрузочно-транспорт-ных комплексов только в конкретных ситуациях, без глубокого анализа соче-
Рис. 1. Особенности установки блока регистрации положения ковша экскаватора на ЭКГ-4.6 Fig. 1. Installation features of the excavator bucket position recording unit on the EKG-4.6
тания технологических и горно-геологических факторов [7, 8]. Возможно, когда соотношение влияния этих факторов изменится, то результат будет другой. Для создания реального механизма управления требуется мониторинг процесса экскавации, свободный от влияния субъективных факторов, позволяющий в режиме реального времени оптимизировать процессы горных работ [9 — 12].
Для снижения влияния субъективного фактора предлагается новый подход, использующий интеллектуальные аппаратно-программные комплексы (АПК). Данный подход позволяет учитывать динамику изменения ритмичности отгрузки горной массы внутри технологических циклов отработки забойных блоков, что при использовании обычных методов исследований невозможно.
Создание прототипа аппаратно-
программного комплекса
Для решения данной задачи были разработаны аппаратно-программный комплекс и подсистема дистанционного мониторинга процесса экскавации.
Конструктивно подсистема мониторинга и управления процессом экскавации состоит из двух частей. Основой подсистемы является блок регистрации положения ковша экскаватора. Данный блок с помощью магнитов в герметичном, ударопрочном корпусе крепится на конце рукояти ковша экскаватора (рис. 1) и соединяется с помощью Wi-fi с модулем управления в кабине экскаватора.
Используются единые конструкция и программное обеспечение блоков регистрации положения ковша для канатных экскаваторов и гидравлических «обратная лопата». Особенности установки данного блока представлены на рис. 1 и рис. 2. Принципиальные различия имеет программное обеспечение обработки данных мониторинга для канатных экскаваторов и гидравлических «обратная
лопата». Так, если на ЭКГ-4.6 блок регистрации положения ковша крепится на соединении рукояти с верхней частью ковша экскаватора (см. рис. 1) то, как видно из рис. 2, на экскаваторе Hyundai R520LC-9S блок регистрации положения ковша устанавливается непосредственно на верхнюю часть ковша, между элементами крепления к рукояти.
Выбранные для проведения исследований экскаваторы имеют близкие основные параметры. Мощность двигателя Hyundai R520LC-9S составляет 353 л.с. (259 кВт). ЭКГ-4.6 имеет мощность сетевого двигателя 250 кВт. Принципиальным отличием в технических характеристиках Hyundai R520LC-9S является наличие оборудования «обратная лопата», которое дает возможность экскавации ниже уровня стояния. В свою очередь ЭКГ-4.6 имеет несколько большие значения радиуса выгрузки и радиу-
Рис. 2. Особенности установки блока регистрации положения ковша экскаватора на Hyundai R520LC-9S Fig. 2. Installation details of excavator bucket position recording unit on Hyundai R520LC-9S
Рис. 3. Кинематическая схема перемещения ковша экскаватора Hyundai R520LC-9S в процессе черпания Fig. 3. Kinematic diagram of movement of the bucket of excavator Hyundai R520LC-9S during digging
са черпания, но эти преимущества могут быть частично компенсированы большей мобильностью Hyundai R520LC-9S. В конечном итоге эти преимущества (различия экскаваторов) можно эффективно использовать при наличии системы мониторинга процесса экскавации, обеспечивающей управление горными комплексами в режиме реального времени.
На рис. 3 представлена кинематическая схема перемещения ковша экскаватора Hyundai R520LC-9S в процессе черпания. Данная схема поясняет работу измерительного модуля путем отображения изменения его положения за цикл экскавации в системе координат.
Промышленные эксперименты проводились на карьерах ООО «Донской камень». Высокая представительность данных обеспечивается ежесменным мониторингом процесса экскавации. Как показали длительные промышленные эксперименты, рациональной с точки зрения сложности обработки данных и достоверности результатов является частота опроса 1 измерение в секунду. Данные с блока регистрации транслировались с помощью Wi-Fi на модуль управления в
кабине экскаватора. Общий объем данных за смену составлял более 25 тыс. измерений, результат обработки которых представлен на рис. 4 — 6. На рис. 4 представлена диаграмма изменения пространственного положения блока регистрации за время цикла экскавации ЭКГ-4.6: Gx — в горизонтальной плоскости; ARzRx — результирующее отклонение в вертикальной плоскости.
На рис. 5 представлен фрагмент диаграммы мониторинга, на котором показано изменение пространственного положения модуля регистрации за время цикла экскавации Hyundai R520LC-9S. Из диаграммы виден короткий цикл экскавации с резкими круговыми движениями в горизонтальной плоскости. По продолжительности он резко отличается от цикла канатного экскаватора ЭКГ-4.6. Если продолжительность цикла ЭКГ-4.6 больше 30 с, то цикл экскавации Hyundai R520LC-9S — около 10 с. В то же время экскаватор Hyundai R520LC-9S имеет более сложный алгоритм отработки забойного блока с множеством вспомогательных операций. На рис. 6 изображен фрагмент диаграммы
Рис. 4. Изменение пространственного положения модуля регистрации за время цикла экскавации ЭКГ-4.6
Fig. 4. Change of pro-transitional position of the recording module during the ECG-4.6 excavation cycle
О 5 10 15 20 25 X С 30
Рис. 5. Основные операции цикла экскавации, характеризуемые перемещениями ковша в вертикальной плоскости в процессе черпания и поворотами в горизонтальной плоскости к транспорту и обратно в забой
Fig. 5. Main operations of the excavation cycle, characterized by the movement of the bucket in the vertical plane in the process of digging and turning in the horizontal plane to the transport and back to the bottom hole
с коротким циклом экскавации, переходящим во вспомогательные операции.
Представлены возможности мониторинга с регистрацией как основных операций, так и вспомогательных. Переход к вспомогательным операциям по зачи-
стке уступа с небольшими поворотами стрелы в горизонтальной плоскости и с переходом к режиму ожидания транспорта в положении с подтянутым под себя ковшом. Выделяются временные интервалы работы полного цикла, закан-
Рис. 6. Изменение пространственного положения модуля регистрации за время цикла экскавации Hyundai R520LC-9S с переходом к режиму ожидания транспорта
Fig. 6. Changes in the spatial position of the registration module during the excavation cycle of the Hyundai R520LC-9S with the transition to the waiting mode of transport
чивающиеся погрузкой в автотранспорт, интервалы неполного цикла (перечерпания).
Отдельно выделяются интервалы времени вспомогательных операций. Соот-
ношения этих интервалов дают объективные значения коэффициентов в представленных выше формулах. Причем данные мониторинга позволяют отслеживать изменения этих коэффициентов
Рис. 7. Обобщенная последовательность действий по обработке данных мониторинга процесса экскавации канатных экскаваторов и гидравлических экскаваторов «обратная лопата» Fig. 7. Generalized sequence of actions for processing data from monitoring the excavation process of rope excavators and hydraulic «backhoe» types
в режиме реального времени. Узловые технические решения создания аппаратно-программных комплексов для проведения мониторинга процессов горных работ в режиме реального времени апробированы в условиях производства [13, 14]. В общем виде последовательность анализа результатов мониторинга производится по алгоритму, представленному на рис. 7.
Кроме того, для обеспечения максимальных значений производительности гидравлических экскаваторов типа «обратная лопата» требуется оптимизация технологического регламента и паспорта забоя, предусматривающих использование рациональных элементов системы разработки и алгоритмов работы экскаватора в забое.
Принципиальным отличием алгоритма для гидравлического экскаватора типа «обратная лопата» является большее количество вспомогательных операций.
Как говорилось выше, рабочая зона этого подвижного гидравлического экскаватора представлена по высоте двумя подуступами. С верхней площадки экскаватор ведет выемку горной массы как выше уровня стояния, так и ниже уровня стояния. Нижняя рабочая площадка является зоной погрузки автосамосвалов, передвижение которой завершает технологический цикл отработки забойного блока. Для цикличной зачистки зоны погрузки формируется временный съезд перемещения экскаватора с верхнего подуступа на нижний.
В результате анализа выделяются временные интервалы работы, относящиеся к выполнению полного цикла, заканчивающегося погрузкой в автотранспорт, и интервалы неполного цикла (перечерпания). Отдельно выделяются интервалы времени вспомогательных операций. Соотношения этих интервалов дают объективные значения коэффициентов для представленных выше формул.
Причем данные мониторинга позволяют отслеживать изменения этих коэффициентов в режиме реального времени.
Результаты и обсуждение
В результате мониторинга процесса экскавации в режиме реального времени формируется полная картина работы погрузочно-транспортного оборудования в смежных экскаваторных забоях для эффективного процесса управления работой экскаваторов в открытом цикле с автосамосвалами. При этом может использоваться динамическое районирование экскаваторных забоев [13]. Высокая представительность данных обеспечивается ежесменным мониторингом процесса экскавации. Гидравлический экскаватор работает по более сложному алгоритму с большим числом вспомогательных операций. Использование подвижного гидравлического экскаватора с меньшими габаритами и конструктивными особенностями позволяет делить рабочую зону на подуступы по высоте. В результате функционируют две рабочие площадки. Важно отметить, что процессы формирования временного съезда, перемещения экскаватора с по-дуступа на нижнюю рабочую площадку, а также передвижения места погрузки самосвалов на нижней рабочей площадке не могут совмещаться с процессом погрузки автосамосвалов. Данное технологическое обстоятельство используется для повышения эффективности совмещения в смежных забоях экскаваторов, работающих в открытом цикле с автосамосвалами. Эта задача решается на основе функциональных возможностей интеллектуальных аппаратно-программных комплексов мониторинга и управления.
Заключение
В результате практических экспериментов апробированы узловые решения
функционирования системы и технологии управления процессами открытых горных работ на основе использования аппаратно-программных комплексов карьерных экскаваторов.
Получены данные мониторинга процесса экскавации, которые позволяют полнее использовать преимущество гидравлических экскаваторов с оборудованием «обратная лопата». В частности, возможность разработки забоя выше и ниже уровня стояния экскаватора.
Разработанная методология позволяет находить рациональную структуру технологии и ее рациональные параметры.
Представленные результаты исследований могут быть использованы для методического обеспечения продвижения более эффективных, но более сложных технологий ведения горных работ [15 — 17]. В частности, может решаться проблема информационного обеспечения задач машинного обучения [18 — 22]. Кроме того, более совершенное информационное обеспечение и мониторинг открывают возможности более полного использования конструктивных особенностей гидравлических экскаваторов, связанных с сочетанием их повышенной мобильности со сложными алгоритмами работы в забое.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бураков А. М., Панишев С. В., Алькова Е. Л., Хосоев Д. В. Опыт применения гидравлических экскаваторов в сложных горно-геологических и климатических условиях // Горная промышленность. - 2022. - № 2. - C. 90-96. DOI: 10.30686/1609-9192-202290-96.
2. Подэрни Р. Ю. Мировой рынок поставок современного выемочно-погрузочного оборудования для открытых горных работ // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2015. - № 2. - С. 148-167.
3. Мерзляков В. Г., Слесарев Б. В., Штейнцайг В. М. Опыт применения карьерных гидравлических экскаваторов Komatsu Mining Germany на предприятиях России // Горное оборудование и электромеханика. - 2013. - № 5. - С. 15-20.
4. Каширских В. Г., Медведев А. Е. Принципы автоматизированного управления одноковшовым карьерным экскаватором и функциональное диагностирование его электроприводов на основе компьютерных технологий // Вестник КузГТУ. - 2005. - № 1. -C. 75-80.
5. Журавлев А. Г. Вопросы оптимизации параметров транспортных систем карьеров // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2020. - № 3-1. - С. 583-601. DOI: 10.25018/0236-1493-2020-31-0-583-601.
6. Макаров В. Н., Анистратов К. Ю. Достижение наивысших рекордных показателей месячной производительности экскаваторов ЭКГ-18 на разрезах ЗАО «Стройсервис» // Уголь. - 2019. - № 1. - С. 20-26. DOI: 10.18796/0041-5790-2019-1-20-26.
7. Анистратов К. Ю. Экономико-математическая модель комплексной механизации горных работ на карьерах // Горная промышленность. - 2015. - № 3 (121). - С. 54.
8. Дерябин С. А., Рзазаде Ульви Азар оглы, Кондратьев Е. И., Темкин И. О. Метамодель архитектуры системы автономного управления транспортно-технологическими процессами в карьере // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2022. - № 3. -С. 117-129. DOI: 10.25018/0236_1493_2022_3_0_117.
9. Хакулов В. А., Шаповалов В. А., Игнатов М. В. Совершенствование технологии буровзрывных работ на открытых горных разработках // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2019. - № S29. - С. 34-49.
10. Клебанов А. Ф. Автоматизация и роботизация открытых горных работ: опыт цифровой трансформации // Горная промышленность. - 2020. - № 1. - C. 8-11.
11. Кузнецов И. С., Зиновьев В. В., Николаев П. И., Стародубов А. Н. Компьютерная система имитационного моделирования для оптимизации параметров экскаваторно-авто-мобильных комплексов // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2022. -№ 6-1. - С. 304-316. DOI: 10.25018/0236_1493_2022_61_0_304.
12. Махараткин П. Н., Абдулаев Э. К., Вишняков Г. Ю., Ботян Е. Ю., Пушкарев А. Е. Повышение эффективности функционирования карьерных автосамосвалов на основе обоснования их рациональной скорости с помощью имитационного моделирования // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2022. - № 6-2. - С. 237-250. DOI: 10.25 018/0236_1493_2022_62_0_237.
13. Хазин М. Л. Роботизированные карьерные самосвалы // Известия Уральского государственного горного университета. - 2020. - № 3(59). - С. 123-130. DOI: 10.21440/ 2307-2091-2020-3-123-130.
14. Хакулов В. А., Шаповалов В. А., Игнатов В. Н., Игнатов М. В. Совершенствование управления горными комплексами при работе экскаваторов с автосамосвалами в открытом цикле // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2020. - № S31. -С. 57-72. DOI: 10.25018/0236-1493-2020-10-31-57-72.
15. Khakulov V. A., Shapovalov V. A., Ignatov M. V, Karpova Z. V. Automated system for forming the quality of ores at the stage of mining operations for the conditions of flotation enrichment with hydrometallurgical debugging / Proceedings of 2018 International Conference «Quality Management, Transport and Information Security, Information Technologies». Saint Petersburg, 2018, pp. 330-336.
16. Секисов Г. В., Чебан А. Ю., Соболев А. А., Якимов А. А. Система основных категорий комплексной оценки горных технологий // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2019. - № 4. - С. 187-198. DOI: 10.25018/0236-1493-2019-04-0-187-198.
17. Хакулов В. А. Технология пошагового совершенствования буровзрывных работ // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2007. - № 2. - C. 77-78.
18. Kuznetsov D., KosolapovA. Dynamic of performance of open-pit dump trucks in ore mining in severe climatic environment // Transportation Research Procedia. 2022, vol. 63, no. 3, pp. 1042-1048. DOI: 10.1016/j.trpro.2022.06.104.
19. Phoon K. K., Zhang W. Future of machine learning in geotechnics // Georisk: Assessment and Management of Risk for Engineered Systems and Geohazards. 2022, vol. 17, no. 10, pp. 1-16. DOI: 10.1080/17499518.2022.2087884.
20. Zhang W, Gu X., Hong L, Han L, Wang L. Comprehensive review of machine learning in geotechnical reliability analysis: Algorithms, applications and further challenges // Applied Soft Computing. 2023, vol. 136, no. 4, article 110066. DOI: 10.1016/j.asoc.2023.110066.
21. Potapov V. P., Oparin V. N., Mikov L. S., Popov S. E. Information technologies in problems of nonlinear geomechanics. Part II: New methods, metadata models, geodata bases and base layers of electronic charts for a typical geoportal of mining regions in Siberia // Journal of Mining Science. 2022, vol. 58, no. 4, pp. 635-651.
22. Zhao J. S., Chen B. R., Jiang Q., Lu J. F., Hao X. J., Pei S. F., Wang F. Microseismic monitoring of rock mass fracture response to blasting excavation of large underground caverns under high geostress // Rock Mechanics and Rock Engineering. 2022, vol. 55, no. 6, pp. 1-18. DOI: 10.1007/s00603-021-02709-3. ЕШ
REFERENCES
1. Burakov A. M., Panishev S. V., Alkova E. L., Khosoev D. V. Experience of hydraulic excavators application in complex mining and geological and climatic conditions.Russian Mining Industry Journal. 2022, no. 2, pp. 90-96. [In Russ]. DOI: 10.30686/1609-9192-2022-90-96.
2. Poderney R. Yu. World market for the supply of modern excavation and loading equipment for open-pit mining operations. MIAB. Mining Inf. Anal. Bull. 2015, no. 2, pp. 148-167. [In Russ].
3. Merzlyakov V. G., Slesarev B. V., Steinzeig V. M. Experience of application of Komatsu Mining Germany hydraulic excavators at the enterprises of Russia. Mining equipment and elec-tromechanics. 2013, no. 5, pp. 15-20. [In Russ].
4. Kashirskikh V. G., Medvedev A. E. Principles of automated control of a single-bucket open-pit excavator and functional diagnostics of its electric drives on the basis of computer technologies. Bulletin of the Kuzbass State Technical University. 2005, no. 1, pp. 75-80. [In Russ].
5. Zhuravlev A. G. Issues of optimizing the parameters of transport systems of quarries. MIAB. Mining Inf. Anal. Bull. 2020, no. 3-1, pp. 583-601. [In Russ]. DOI: 10.25018/02361493-2020-31-0-583-601.
6. Makarov V. N., Anistratov K. Yu. Achievement of the highest record monthly productivity of excavators EKG-18 at the sections of JSC «Stroyservis». Ugol'. 2019, no. 1, pp. 20-26. [In Russ]. DOI: 10.18796/0041-5790-2019-1-20-26.
7. Anistratov K. Y. Economic and mathematical model of integrated mechanization of mining works in open pits. Russian Mining Industry Journal. 2015, no. 3 (121), pp. 54. [In Russ].
8. Deryabin S. A., Rzazade Ulvi Azar ogly, Kondratev E. I., Temkin I. O. Metamodel of autonomous control architecture for transport process flows in open pit mines. MIAB. Mining Inf. Anal. Bull. 2022, no. 3, pp. 117-129. [In Russ]. DOI: 10.25018/0236_1493_2022_3_0_117.
9. Khakulov V. A., Shapovalov V. A., Ignatov M. V. Improvement of drilling and blasting technology at open-pit mining. MIAB. Mining Inf. Anal. Bull. 2019, no. S29, pp. 34-49. [In Russ].
10. Klebanov A. F. Automation and robotization of open-pit mining: the experience of digital transformation. Russian Mining Industry Journal. 2020, no. 1, pp. 8-11. [In Russ].
11. Kuznetsov I. S., Zinoviev V. V., Nikolaev P. I., Starodubov A. N. Computer simulation system for optimizing the parameters of excavator-automotive complexes. MIAB. Mining Inf. Anal. Bull. 2022, no. 6-1, pp. 304-316. [In Russ]. DOI: 10.25018/0236_1493_2022_61_0_304.
12. Maharatkin P. N., Abdulaev E. K., Vishnyakov G. Yu., Botyan E. Yu., Pushkarev A. E. Increasing the efficiency of operation of dump trucks on the basis of justification of their rational speed with simulation simulation. MIAB. Mining Inf. Anal. Bull. 2022, no. 6-2, pp. 237-250. [In Russ]. DOI: 10.25018/0236_1493_2022_62_0_237.
13. Khazin M. L. Robotized dump trucks. Izvestiya of the Ural state mining university. 2020, no. 3(59), pp. 123-130. [In Russ]. DOI: 10.21440/2307-2091-2020-3-123-130.
14. Khakulov V. A., Shapovalov V. A., Ignatov V. N., Ignatov M. V. Improvement of management of mining complexes when operating excavators with dumper trucks in the open cycle. MIAB. Mining Inf. Anal. Bull. 2020, no. S31, pp. 57-72. [In Russ]. DOI: 10.25018/0236-14932020-10-31-57-72.
15. Khakulov V. A., Shapovalov V. A., Ignatov M. V., Karpova Z. V. Automated system for forming the quality of ores at the stage of mining operations for the conditions of flotation enrichment with hydrometallurgical debugging. Proceedings of 2018 International Conference «Quality Management, Transport and Information Security, Information Technologies». Saint Petersburg, 2018, pp. 330-336.
16. Sekisov G. V., Cheban A. Yu., Sobolev A. A., Yakimov A. A. Grading system for integrated assessment of mining technologies. MIAB. Mining Inf. Anal. Bull. 2019, no. 4, pp. 187198. [In Russ]. DOI: 10.25018/0236-1493-2019-04-0-187-198.
17. Khakulov V. A. Technology of step-by-step improvement of drilling and blasting operations. MIAB. Mining Inf. Anal. Bull. 2007, no. 2, pp. 77-78. [In Russ].
18. Kuznetsov D., Kosolapov A. Dynamic of performance of open-pit dump trucks in ore mining in severe climatic environment. Transportation Research Procedia. 2022, vol. 63, no. 3, pp. 1042-1048. DOI: 10.1016/j.trpro.2022.06.104.
19. Phoon K. K., Zhang W. Future of machine learning in geotechnics. Georisk: Assessment and Management of Risk for Engineered Systems and Geohazards. 2022, vol. 17, no. 10, pp. 1-16. DOI: 10.1080/17499518.2022.2087884.
20. Zhang W., Gu X., Hong L., Han L., Wang L. Comprehensive review of machine learning in geotechnical reliability analysis: Algorithms, applications and further challenges. Applied Soft Computing. 2023, vol. 136, no. 4, article 110066. DOI: 10.1016/j.asoc.2023.110066.
21. Potapov V. P., Oparin V. N., Mikov L. S., Popov S. E. Information technologies in problems of nonlinear geomechanics. Part II: New methods, metadata models, geodata bases and base layers of electronic charts for a typical geoportal of mining regions in Siberia. Journal of Mining Science. 2022, vol. 58, no. 4, pp. 635 — 651.
22. Zhao J. S., Chen B. R., Jiang Q., Lu J. F., Hao X. J., Pei S. F., Wang F. Microseismic monitoring of rock mass fracture response to blasting excavation of large underground caverns under high geostress. Rock Mechanics and Rock Engineering. 2022, vol. 55, no. 6, pp. 1 — 18. DOI: 10.1007/s00603-021-02709-3.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Хакулов Виктор Алексеевич1 — д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой, e-mail: [email protected],
Шаповалов Виталий Александрович1 — д-р физ.-мат. наук, профессор, e-mail: [email protected], Игнатов Виктор Николаевич — д-р техн. наук, профессор, e-mail: [email protected], Южно-Российский государственный политехнический университет имени М.И. Платова, Ногеров Ибрагим Альбиевич1 — старший преподаватель, e-mail: [email protected], Игнатов Михаил Викторович1 — канд. техн. наук, доцент, e-mail: [email protected],
1 Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова,
Для контактов: Хакулов В.А., e-mail: [email protected].
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
V.A. Khakulov1, Dr. Sci. (Eng.), Professor,
Head of Chair, e-mail: [email protected],
V.A. Shapovalov1, Dr. Sci. (Phys. Mathem.),
e-mail: [email protected],
V.N. Ignatov, Dr. Sci. (Eng.), Professor,
e-mail: [email protected],
M.I. Platov South-Russian State
Polytechnic University,
346428, Novocherkassk, Russia,
I.A. Nogerov1, Senior Lecturer,
e-mail: [email protected],
M.V. Ignatov1, Cand. Sci. (Eng.),
Assistant Professor, e-mail: [email protected],
1 H.M. Berbekov Kabardino-Balkarian State University,
360004, Nalchik, Russia.
Corresponding author: V.A. Khakulov, e-mail: [email protected].
Получена редакцией 11.04.2023; получена после рецензии 02.05.2023; принята к печати 10.07.2023. Received by the editors 11.04.2023; received after the review 02.05.2023; accepted for printing 10.07.2023.
