Сравнительная оценка производительности карьерных экскаваторов при разработке взорванных пород Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

ГЕОТЕХНОЛОГИЯ

УДК 622.271.4

А.С. Ташкинов, А.А. Сысоев, И.А. Ташкинов

СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ И КАРЬЕРНЫХ ЭКСКАВАТОРОВ ПРИ РАЗРАБОТКЕ ВЗОРВАННЫХ ПОРОД

Прямые механические лопаты верхнего черпания (ЭКГ) - наиболее представительный вид выемочно-погрузочного оборудования на разрезах Кузбасса. Они характеризуются высоким усилием черпания и прочностью рабочего оборудования, что наряду с высокой удельной массой (масса, приходящаяся на 1 м3 геометрической вместимости ковша) 39,5-52 т/м3, допускает возможность ведения выемочных работ в стопорном режиме. Последнее очень важно при обработке негабаритных отдельностей, обрушении горной массы в забое, обработке вновь образованного откоса уступа.

Мехлопаты типа ЭКГ особенно эффективны

большой единичной мощности (£=30-56 м3) в сочетании с большегрузным автотранспортом (грузоподъемностью 220-320 т) и масштабное внедрение обратных гидравлических лопат (ЭГО) в сложных горно-геологических условиях. Технические параметры ЭГО, применяющихся на разрезах Кузбасса, приведены в табл. 1.

Обратные гидравлические лопаты в сравнении с прямыми мехлопатами обладают более широкими технологическими возможностями, т. к. могут осуществлять наполнение и разгрузку ковша выше, ниже и на уровне стояния экскаватора, что позволяет эффективно использовать их в сложных горно-геологических условиях. При этом необхо-

Таблица 1.Технологические параметры обратных гидравлических лопат фирмы «Либхерр»

Параметры Геометрическая вместимость ковша, м3

5,2 6 7,5 10,3 13,8 ж 20,6

Глубина черпания, м 7,9 7,9 7,9 8,7 9,5 9,2

Высота черпания, м 14 14 14 15,6 15,4 17

Радиус черпания, м 15 15 15 16 17 19,5

Высота разгрузки, м 9,2 9,2 9,2 10,3 10,2 11,5

Паспортная продолжительность цикла при в = 90°, с 23 24 25 28 31 34

Масса, т 120 120 120 230 300 535

Удельная масса, т/м3 23,1 20 16 22,3 21,7 26

* фирма «Терекс»

при выемке взорванных скальных и полускальных пород и могут работать в сочетании с любым видом карьерного транспорта. Их основной недостаток - цикличность рабочего процесса. Так на разрезах Кузбасса, в зависимости от условий работы, на черпание затрачивается 25-40 % общего времени цикла.

За последние годы номенклатура экскаваторного парка на разрезах Кузбасса сильно изменилась за счет приобретения экскаваторной техники зарубежных фирм - изготовителей («Марион», «Харнишфегер», «Катерпиллер», «Вольво»,

«Либхерр», «Терекс» и др.). В настоящее время для выемочно-погрузочных работ при транспортной технологии на разрезах Кузбасса используются карьерные экскаваторы с геометрической вместимостью ковша (Е) от 4-5 до 56 м3. Четко обозначились два направления совершенствования выемочных работ: применение экскаваторов

димо отметить, что эффективность работы экскаваторов типа ЭГО при разработке взорванных пород определяющим образом зависит от качества их дробления, степени разрыхления, наличия во взорванной горной массе крупнокусковых фракций (+1,4 м), а сами выемочные машины типа ЭГО, в связи с низкой удельной массой, не допускают стопорного режима работы.

Следовательно, скальные и полускальные горные породы перед выемкой необходимо подвергать технологической подготовке, которая заключается в выполнении комплекса буровзрывных работ (БВР) с последующей оценкой ожидаемого качества подготовки пород, и стоимостных затрат на производство БВР, а также оценке ожидаемых параметров и стоимости выемочнопогрузочных работ.

Наиболее универсальной характеристикой оценки крупности взрывного дробления пород

является средневзвешенный по объему диаметр кусков (йср , м). Для условий угольных месторождений предложена [1] технологическая структура модели взрывного дробления пород, которая имеет вид:

ёср = 5й • йе(5й + qde)— , (1)

где d - диаметр скважины, м; dc — средневзвешенный по объему диаметр естественной отдельности, м; q - удельный расход ВВ, кг/м3.

Если учесть [2], что dc =0.2 / , где / - коэффициент крепости пород по шкале М. М. Про-тодъяконова, то представляется возможность давать количественную оценку ожидаемого качества дробления пород при изменении главных параметров технологической подготовки - удельного расхода ВВ (^ кг/м3), диаметра скважин (4 м), крепости пород (Д

Производительность экскаваторов - один из важнейших показателей эффективности открытых горных работ. Для дифференцированной оценки влияния конструктивных особенностей выемочной техники и технических условий ведения горных работ различают [3] паспортную, техническую и эффективную производительность. Если паспортная производительность зависит только от конструктивных особенностей выемочной техники, то техническая производительность учитывает конкретные условия работы. Эффективная производительность 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.). Следовательно, для определения производительности экскаваторов необходимо знать закономерности изменения параметров эффективности процесса экскавации при разработке взорванных пород: фактическую (техническую) продолжительность цикла ($т ), коэффициент экскавации (КЭ ), коэффициент влияния технологии выемки (Ктв).

Продолжительность экскаваторного цикла (^ц ) при совмещении ряда вспомогательных операций определяется из выражения общего вида:

IЦ = ^Ч + ^П + ^Р , (2)

где 1Ч - время черпания, с; - суммарная про-

должительность поворотных операций к месту разгрузки и обратно в забой, с; tР - время разгрузки, с.

Основной составляющей цикла, непосредственно зависящей от качества дробления пород, является время черпания. На основании ранее выполненных экспериментальных исследований установлено [2],что для экскаваторов типа ЭКГ влияние качества дробления пород на время черпания определяется как

61й

ср

Е

+ -

Е

0.11Е+0.6

(3)

где Е - геометрическая вместимость ковша экскаватора, м3.

Специальные хронометражные наблюдения за работой экскаваторов типа ЭГО показали, что для этого типа выемочных машин (Е = 5,2-20,6 м3; экскаваторы фирм «Либхерр» и «Терекс») влияние качества дробления пород на время черпания достаточно адекватно (среднее квадратическое отклонение расчетных значений времени черпания от экспериментальных составляет 12,5 %) описывается на основе выражения:

90ё,

ср

+ -

Е

(4)

Е 0.11Е+0.6

Анализ результатов расчета по формулам (3) и

(4) показал, что при прочих равных условиях, время наполнения ковша у экскаваторов типа ЭГО больше в сравнении с экскаваторами типа ЭКГ на 12-22%.

Продолжительность поворотных операций для экскаваторов типа ЭКГ с нормальным рабочим оборудованием может быть определена по формуле (2):

ґ(35Е+0.42Е2/.61 вП Л°.33

Е

(5)

V /

где рП - угол поворота экскаватора, рад.

Формула (5) учитывает как энерговооруженность выемочной машины, так и особенности поворотных операций: опасность поломки ковша при ударе о забой, необходимость выбрать место в забое для наполнения ковша, подача ковша на забой, необходимость обеспечить точное место разгрузки ковша - замедляют поворотные операции. Оценка совокупного влияния указанных выше технологических особенностей поворотных операций на их продолжительность проведена на основе результатов наблюдений за работой экскаваторов типа ЭГО в промышленных условиях с применением видеосъемки в режиме реального времени. Анализ показал, что среднеквадратическое отклонение расчетных значений 4 по формуле (5) от экспериментальных составляет 6,4 % при максимальном 12,9 %. Следовательно, формула (6) может быть рекомендована для расчетов продолжительности поворотных операций при использовании экскаваторов типа ЭГО.

На основании результатов хронометражных наблюдений установлено, что для определения времени разгрузки ковша ^р) можно использовать следующие рекомендации: tp = 3 с - для экскаваторов типа ЭКГ; для экскаваторов типа ЭГО - tp = 4 с (при Е < 10 м3), tp = 5с (при Е > 10 м3).

Поведение времени черпания и продолжительности цикла при изменении качества дробле-

ния пород и разработке их экскаваторами типа ЭКГ и ЭГО показано в табл. 2 и 3.

Эффективность использования геометрической вместимости ковша экскаватора оценивается коэффициентом экскавации (КЭ ). При проведении хронометражных наблюдений за работой экскаваторно-автомобильных комплексов кроме временных параметров П tт) фиксировали качество дробления пород в забое, количество ковшей для загрузки одного автосамосвала, количество погруженных транспортных единиц, а маркшейдерским замером устанавливался фактический объем отгруженной горной массы. Анализ результатов промышленных наблюдений позволил предложить формулу для определения коэффициента экскавации, которая имеет вид:

Ґ

К э = 0.83ехр

- 2-

5 Л ср

Е

0.2

(6)

Сопоставление экспериментальных значений коэффициента экскавации с расчетными показало, что отклонение не превышает 10-12 %. Это дает основание рекомендовать предлагаемую формулу

(6) к использованию в технико-экономических расчетах при применении экскаваторов типа ЭКГ и ЭГО.

Влияние вспомогательных операций на производительность экскаваторов оценивается через коэффициент влияния технологии выемки (КТВ). Для количественной оценки КТВ использованы данные, представленные в работе [3], которые аппроксимированы в следующем виде:

(

КТВ = ехР

- 0.45-

ё.

2

ср

Е

0.5

(7)

при использовании на выемке взорванных пород экскаваторов типа ЭКГ. Для экскаваторов типа ЭГО справедливо следующее соотношение:

(

КТВ = ехР

( ёср Л

Е 0.33 V Е

1.9 Л

(8)

Поведение КТВ в соответствии с выражениями

(7) и (8) при изменении ёср для экскаваторов с вместимостью ковша 5, 10 и 20 м3 проиллюстрировано в табл. 4.

Результаты анализа по изучению закономерностей изменения параметров экскавации при разработке взорванных пород экскаваторами типа ЭКГ и ЭГО позволяют давать сравнительную оценку их ожидаемой производительности. Результаты такой оценки приведены в табл. 5.

Сравнительные расчеты показали (см. табл. 5), что наиболее сильное влияние на производительность выемочных машин оказывает качество дробления пород (<Лср) и вместимость ковша (Е), однако степень влияния зависит от типа выемочно-погрузочного оборудования. Так при изменении диаметра среднего куска в рассматриваемом диапазоне (йср =0.4 - 0.9 м) производительность экскаваторов типа ЭКГ с Е = 5, 10 и 20 м3 изменяется соответственно в 3,6; 2,6 и 2,1 раза. Для экскаваторов типа ЭГО с той же вместимостью ковша производительность изменяется соответственно в 4.1; 2,8 и 2,3 раза. При одинаковом ёср производительность экскаваторов типа ЭКГ выше в сравнении с экскаваторами типа ЭГО в следующих пределах: при Е = 5 м3 - в 1,07-1,23 раза; при Е = 10 м3 - в 1,1-1,17 раза; при Е = 20 м3 - в 1,07-1,12 раза.

Выражение (8) рекомендуется к применению

Таблица 2.Изменение времени черпания и продолжительности цикла от качества дробления пород при разработке их экскаваторами типа ЭКГ фП =90)

м Е II 5 Е = 10 м3 Е = 20 м3

, с ?т, с , с Ї т, с с ч Ї т, с

0,4 6,5 23,6 7,0 26,9 7,7 31,5

0,5 7,7 24,8 7,6 27,5 8,0 31,8

0,6 9,2 26,3 8,3 28,2 8,4 32,2

0,7 10,9 28,0 9,2 29,1 8,8 32,7

0,8 12,9 30,0 10,2 30,1 9,3 33,2

Таблица 3. Изменение времени черпания и продолжительности цикла от качества дробления пород при

разработке их экскаваторами типа ЭГО (рП =90)

2 лс Е = 5,2 м3 Е = 10,3 м3 Е = 20,6 м3

с ¡Ґ Ґ т, с с ¡Ґ Ґ т, с с ¡Ґ Ґ т, с

0,4 7,4 25,6 7,7 29,8 8,4 34,5

0,5 9,0 27,2 8,5 30,6 8,8 34,9

0,6 10,9 29,1 9,5 31,5 9,3 35,4

0,7 13,1 31,4 10,5 32,7 9,9 36,0

0,8 15,7 33,9 11,9 34,0 10,5 36,6

Таблица 4. Изменение КТВ от качества дробления пород

dcp, м Е = 5 м3 Е = 10 м3 Е = 20 м3

ЭКГ ЭГО ЭКГ ЭГО ЭКГ ЭГО

0,4 0,97 0,94 0,98 0,96 0,98 0,97

0,5 0,95 0,91 0,97 0,94 0,98 0,96

0,6 0,93 0,87 0,95 0,92 0,96 0,94

0,7 0,91 0,83 0,93 0,89 0,95 0,93

0,8 0,88 0,79 0,91 0,86 0,94 0,91

Таблица 5. Сравнительная оценка эффективной производительности эф , м3/ч) экскаваторов

типа ЭКГ и ЭГО

dcp, м Е = 5 м3 Е = 10 м3 Е = 20 м3

ЭКГ ЭГО ЭКГ ЭГО ЭКГ ЭГО

0,4 604 562 1073 977 7843 1719

0,5 548 500 1009 908 1768 1629

0,6 473 416 912 817 1642 1512

0,7 379 321 775 685 1448 1330

0,8 272 227 599 518 1179 1071

0,9 167 136 405 345 854 760

*) Ри= 90°

Данные табл. 5 рекомендуются к использованию для обоснования параметров технологических схем выемочно-погрузочных работ при разработке взорванных пород экскаваторами типа ЭКГ и ЭГО в условиях угольных разрезов. Аналитические зависимости по обоснованию параметров экскавации рекомендуются к использованию в технико-экономических расчетах.

Выводы

1. В настоящее время на разрезах Кузбасса наблюдается два направления совершенствования выемочно-погрузочных работ: применение экскаваторов большой единичной мощности в сочетании с большегрузными автосамосвалами и масштабное внедрение обратных гидравлических лопат в сложных горно-геологических условиях. Парк основного технологического оборудования

пополняется, главным образом, за счет приобретения техники зарубежных заводов-

изготовителей, содержание которой сопряжено с высоким эксплуатационными расходами.

2. Производительность экскаваторов - важнейший показатель эффективности открытых горных работ. Технически достижимый уровень производительности определяется условиями работы, типом выемочной техники и совокупно реализуется через параметры экскавации (1Т, КЭ, КТВ ), количественная оценка которым дана на основе изучения их поведения в промышленных условиях.

3. При оценке эффективности выемочных работ установлено, что эффективная производительность экскаваторов типа ЭКГ выше в сравнении с экскаваторами типа ЭГО на 7-23 % в зависимости от условий работы.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Бирюков А.В. Статистические модели горного производства / А.В. Бирюков, В.И. Кузнецов, А.С. Ташкинов. - Кемерово: Кузбассвузиздат, 1996. - 228 с.

2. Репин Н.Я. Буровзрывные работы на угольных разрезах / Н.Я. Репин, В.П. Богатырев, В.Д. Буткин и др. - М.: Недра, 1987. - 254 с.

3. Ржевский В.В. Открытые горные работы. Часть 1: Учебник для вузов. - 4-е изд. пер. и доп. - М.: Недра, 1985. - 509 с.

□ Авторы статьи:

Ташкинов Александр Сергеевич

- докт. техн. наук, проф. каф. открытых горных работ КузГТУ. раб. тел. 8-342- 58-30-59

Сысоев

Андрей Александрович

- докт. техн. наук, проф. каф. открытых горных работ КузГТУ раб. тел. 58-30-59, [email protected]

Ташкинов Игорь Александрович

- горный инженер, ЗАО «Сибирский деловой союз» Тел. 8-342- 58-30-59