Способ повышения производительности бульдозерно-рыхлительного агрегата при разработке массивов карбонатных пород

Известия Тульского государственного университета Естественные науки. 2010. Вып. 2. С. 322-327

= НАУКИ о ЗЕМЛЕ =

УДК 622.833/.838

Способ повышения производительности бульдозерно-рыхлительного агрегата при разработке массивов карбонатных пород *

В.П. Сафронов, В.В. Сафронов, А.В. Дубинин

Аннотация. Описан подход в обосновании подготовки к выемке карбонатных пород механическим рыхлением. Изложено решение проблемы реализации тяговых усилий БРА, за счет увеличения коэффициента сцепления гусеничных траков с массивом.

Ключевые слова: подготовка горных пород, механическое рыхление, тяговые усилия трактора, безвзрывные технологии, коэффициент сцепления.

В условиях рыночной экономики главными задачами горных предприятий является ресурсосбережение и эффективные мероприятия по охране недр, окружающей среды, которые не «перегружали» себестоимость добычи полезной массы и позволяли иметь из нее конкурентоспособную товарную продукцию. Большинство горных предприятий по разработке месторождений нерудных полезных ископаемых изначально (на стадии проектирования) нацелено на выпуск ограниченного ассортимента продукции. Время рыночной конкуренции диктует горным предприятиям переход на гибкие технологии производства товарной продукции. Когда добытое сырье, при соответствующей гибкой технологии ее переработки, позволяет в короткий промежуток времени переходить к востребованной рынком продукции.

Балансовые запасы исходного сырья — это ресурсный потенциал карьера. Максимальная его реализация в товарную продукцию возможна только при малоотходных технологиях, состоящих из отдельных процессов. Основные процессы горного производства — это энергоемкие процессы. К таким процессам относится подготовка взрывным, безвзрывным или комбинирован-

* Работа выполнена в рамках Научно-образовательного центра «Проблемы рационального природопользования при комплексном освоении минерально-сырьевых ресурсов» при финансовой поддержке АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010)» (гос. контрак № 2.2.1.1/3942) и ФЦП «Научные и педагогические кадры инновационной России (2009-2013)» (гос. контракт № 02.740.11.0319).

ным способами карбонатного массива к экскавации. В этом технологическом процессе природное сырье претерпевает изменения и переходит в новое качество - техногенное сырье.

Качество техногенного сырья влияет на качество и ассортимент товарной продукции горного предприятия. Качество техногенного сырья зависит от управления качеством в добычном забое. Эффективное управление качеством техногенного сырья возможно при селективной схеме разработки полезной толщи карбонатного месторождения. Для реализации селективной схемы разработки полезной толщи необходимо изначально начинать с раскройки месторождения в плане на выемочные участки и уступы с выдержанными значениями показателями свойств полезной толщи, представленной слоями. Например, добычной уступ составляют слои карбонатных пород с различными значениями показателями крепости. В этом случае, при производстве щебня, его марку будет задавать слой с меньшим значением показателя крепости.

Так как взрыв разрушительно работает даже на уровне кристаллической решетки, то обработка породного массива взрывом приводит в последующем к снижению прочности щебня, а установленные охранные зоны приводят к потерям балансовых запасов по месторождению. Техногенное сырье, полученное с применением взрывного способа, отличается по прочностным свойствам от сырья, получаемое способом механического разрушения карбонатного массива в ходе его подготовки к экскавации. С позиции разрушения карбонатного массива взрывной способ является самым результативным. Буровзрывной способ подготовки пород к экскавации обеспечивает в основном валовую выемку полезной массы, не обращая внимания на то, что добычной уступ послойно составляют породы, обладающие индивидуальными физикомеханическими свойствами.

Затраты на БВР превосходят затраты на реализацию механического способа подготовки массива к экскавации в 1,5-2 раза [1]. По производительности механический способ подготовки выемочного блока к экскавации уступает взрывному.

Механический способ подготовки породного массива к экскавации имеет ограниченную область применения и зависит в первую очередь от условий реализации тяговых усилий базового трактора в забое.

Совместное же применение двух способов, при разработке месторождений карбонатных пород, позволит, за счет их комбинаций, иметь гибкую технологию получения техногенного сырья. Комбинация способов подготовки карбонатного массива к экскавации предоставляет возможность проводить в жизнь принцип ресурсосбережения в масштабах отработки всего месторождения.

Принцип ресурсосбережения предлагается реализовать по двум направлениям: за счет раскройки полезной залежи карбонатных пород и за счет расширения области применения БРА.

Сущность предлагаемого подхода заключается в следующем. Часть полезной толщи залежи месторождения отрабатывать с применением механического способа, а другую — с применением БВР или их комбинацией.

В рекомендациях по применению БРА отмечается, что трактор должен быть не менее 500 л.с. [1]. Однако, как показывает практика, полностью мощность базового трактора реализовать в тяговые усилия БРА по ряду причин не предоставляется возможным. Главной причиной тому является относительно низкий коэффициент сцепления гусениц трактора с поверхностью забоя, которая представлена системными или хаотичными впадинами с остатками глинистых пород вскрыши. Область применения БРА ограничивается не только большими значениями параметров, характеризующих прочностные свойства карбонатных пород, но и крупноблочной структурой отдельных слоев карбонатного массива.

Успех реализации подхода во многом зависит от схемы раскройки залежи на выемочные участки, уступы, обоснованного применения способов подготовки породного массива к экскавации и расширения области применения БРА. Поэтому повышение производительности БРА является по-прежнему актуальной проблемой.

С целью расширения области применения БРА и повышения его производительности предлагается решение технологической задачи. Решение задачи заключается в реализации паспортной мощности трактора в максимально возможные тяговые усилия БРА, необходимые для перемещения рыхлителя в карбонатном массиве с заданной глубиной, установленной в ходе раскройки залежи на выемочные слои. Максимальная реализация тяговых усилий БРА обеспечивается за счет создания условий для формирования максимального коэффициента сцепления гусениц базового трактора с поверхностью забоя.

Для решения технологической задачи и оптимизации конструктивных параметров схем рыхления, установления рациональных тяговых усилий и производительности БРА в зависимости от мощности базового трактора, структурных свойства карбонатного массива разработана математическая модель. Закономерности пространственного изменения показателей структурных свойств карбонатного массива, влияющих на производительность БРА, можно представить интервалами с дискретно-однородной изменчивостью: с индивидуальным уровнем среднего значения и величины стандарта отклонения показателей, которые обусловлены многоуровневым строением карбонатного массива и которые надежно определяются с помощью критерия однородности Д.А. Родионова.

Для возможности максимальной реализации мощности тягача предлагается технологическая схема работы бульдозерно-рыхлительного агрегата с предварительной подготовкой поверхности рыхления. Наиболее целесообразным представляется подготовка забоя в виде предварительно отсыпаемого технологического слоя щебня, который не обязательно должен быть кондиционным и может поставляться с предварительного грохочения первичного узла дробления перерабатывающей фабрики. Отсыпку необходимо произво-

дить только перед рыхлением первого слоя площади отработки (рис. 1, а), а для рыхления последующих слоев при буртовании разрыхленной массы предлагается оставлять необходимое количество разрыхленной массы, подготавливая тем самым нижележащий слой отработки. На рис. 1,б показан процесс буртования разрыхленного полезного ископаемого для последующей отгрузки в транспортные средства с учетом оставления технологического подготовительного слоя для рыхления нижнего слоя. Таким образом, поочередно происходит процесс рыхления по всей мощности добычного уступа. После этого выделяется следующая площадь породного массива для рыхления вдоль добычного фронта горных работ, до начала рыхления которой также необходимо сформировать первоначальный подготовительный слой из щебня.

а б

Рис. 1. Технология подготовки карбонатного массива к выемке при помощи БРА

Одной из задач данной работы является определение мощности отсыпаемого подготовительного технологического слоя (или оставляемого при последующем рыхлении) при котором коэффициент сцепления будет максимальным и эффективнее обеспечивать тяговые возможности базовой машины. Для определения оптимальной мощности подготовительного слоя применена теория зернистой среды. Подробно вопросами зернистых сред занимался И.И. Кандауров [2]. Им предложена формула расчета деформации слоя безраспорного зернистого основания ограниченной мощности от линейной нагрузки (расчетная схема представлена на рис. 2).

Подставляя в выражение 1 вместо а* соответствующее уравнение для напряжений и интегрируя, получим следующую зависимость для осадки массива:

1 [Кг

^ = Е у а* ,

Рис. 2. Расчетная схема к определению осадки технологического слоя ограниченной мощности от линейной нагрузки

и =

2Р

~Е

аН\ -а

2п

ах

1 - Ф1 ы

Основываясь на существующей теории расчета движения гусеничных машин, получим систему уравнений выражающих зависимость коэффициента сцепления от мощности отсыпаемого технологического подготовительного слоя:

кНш 1 + пт - щд

<Р = к =

т =

д =

2д

п

т + кНь

а

+

2ЪБ [Н + 0,41 5) ’

2Р

Е а

Щ,'

аН

’

где ф — максимальное значение коэффициента сцепления в зависимости от напряжения среза грунта под задним звеном; п — число нагруженных шпор; Нш — высота шпоры; т — напряжение среза грунта; щ — коэффициент трения скольжения опорной ветви гусеницы по грунту; к — коэффициент, характеризующий качество грунта; Ъ — ширина гусеницы; Щ — расстояние между опорными катками; 5) — длина дуги осадки грунта; Н — осадка грунта под действием силы тяжести рыхлителя; т — мощность для движения рыхлителя по прямой; ^ — прилагаемая нагрузка; Е — модуль упругости технологического слоя; а — коэффициент структуры среды; Н — мощность технологического слоя; д — среднее удельное давление на грунт; а — вес рыхлителя; Ь — длина опорной поверхности гусеницы.

Подставляя в систему уравнений 3 значения экспериментально полученных данных просадки гусениц на щебеночном основании разной мощности, получаем возможные значения коэффициента сцепления ходового механизма с поверхностью карбонатного массива для нахождения оптимального

значения мощности слоя, при котором коэффициент сцепления принимает максимальное значение.

Список литературы

1. Трубецкой К.Н., Леонов Е.Р., Панкевич Ю.Б. Комплексы мобильного оборудования на открытых горных работах. М.: Недра, 1990. 255 с.

2. Кандауров И.И. Механика зернистых сред и ее применение в строительстве. Л.: Стройиздат, 1988. 280 с.

Сафронов Виктор Петрович (safronov_vp@list.ru), д.т.н., профессор, кафедра геотехнологии и строительства подземных сооружений, Тульский государственный университет.

Сафронов Вадим Викторович, к.т.н., ассистент, кафедра математического анализа, Тульский государственный университет.

Дубинин Артем Владимирович, аспирант, кафедра геотехнологии и строительства подземных сооружений, Тульский государственный университет.

Way of increase of productivity of bulldozing and destruction’s unit by working out of files carbonate’s rocks

V.P. Safronov, V.V. Safronov, A.V. Dubinin

Abstract. The approach in a substantiation of preparation for dredging carbonate’s rocks is described by mechanical loosening. The decision of a problem of realization of traction efforts of the bulldozing and destruction’s unit, at the expense of increase in factor of coupling caterpillar tract with a file is stated.

Keywords: preparation of rocks, mechanical loosening, traction efforts of a tractor, without explosive technologies, coupling factor.

Safronov Viktor (safronov_vp@list.ru), doctor of technical sciences, professor, department of geotechnology and underground structure construction, Tula State University.

Safronov Vadim, candidate of technical sciences, assistant, department of mathematical analysis, Tula State University.

Dubinin Artem, postgraduate student, department of geotechnology and underground structure construction, Tula State University.

Поступила 27.10.2009