Теория и практика использования топливно-энергетических ресурсов на открытых горных работах

1. Смирнов В.И. Исследование сушки фрезерного торфа при послойном расстиле крошки // Тр. КПИ. - 1968. - Вып. 2(15). - С. 61-67.

2. Афанасьев А.Е. Структурообразование коллоидных и капиллярно-пористых тел при сушке: Монография. Тверь: ТГТУ, 2003. - 189 с.

3. Столбикова Г.Е. Исследование процессов сушки низинного фрезерного торфа в тонком рас-

стиле при коротких циклах производства: Дис. ... канд. техн. наук. Калинин: КПИ, 1969. - 144с.

4. Варенцов В.С., Горенштейн А.Б., Преображенский В.А., Чубаров Н.Д. Фрезерный торф. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1955. - С. 41.

5. Бавтуто А.К. Повышение эффективности сушки торфяной крошки путем формирования расстила: Дис. . канд. техн. наук. Калинин: КПИ, 1986. - 184 с.

— Коротко об авторах --------------------------------------------------------------

Афанасьев А.Е. - академик ПАНИ, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой, Дорогов В. С. - аспирант,

кафедра «Технология и комплексная механизация разработки торфяных месторождений», Тверской государственный технический университет.

------------------------------------ © В.Л. Яковлев, П.И. Тарасов,

А.Г. Журавлев, 2006

УДК 622.684: 629.114

В.Л. Яковлев, П.И. Тарасов, А.Г. Журавлев

ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТОПЛИВНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ РЕСУРСОВ НА ОТКРЫТЫХ ГОРНЫХ РАБОТАХ

Семинар № 12

ш в ри всех неоспоримых достоинст-И. вах автомобильного карьерного транспорта сфера его эффективного применения сдерживается возрастающими объемами расхода дизельного топлива с увеличением глубины горных работ.

На горно-обогатительных комбинатах карьерным автотранспортом потребляется 70-80 % от общего количества дизельного топлива, а уровень использования топливных ресурсов по основным показателям не соответствует современным требованиям.

Традиционные методы снижения расхода дизельного топлива (нормирование, диагностика и др.), не требующие технического обеспечения и капитальных вложений, могут обеспечить некоторое снижение общего расхода топлива. Достижение более высоких результатов может быть обеспечено внедрением комплекса мероприятий. Совокупность организационнотехнических, технологических и социально-экономических мероприятий по экономии топлива составляет комплексную

программу, обеспечивающую экономию топлива на конечном этапе - при перевозке горной массы.

Рассматриваемые способы снижения расхода топлива разработаны на базе данных, полученных по результатам экспериментальных и теоретических исследований по топливной экономичности большегрузных карьерных автосамосвалов БелАЗ грузоподъемностью 27, 40, 75, 110, 180 т, проведенных на ряде карьеров АК «Алроса», а также на карьерах Башкирского, Ка-чарского, Соколовско-Сарбайского, Пе-ченганикель, Полтавского, Северного, Ковдорского и др. ГОКов, имеющих различные горнотехнические и климатические условия эксплуатации, отражающие практически все климатические зоны России и стран СНГ.

На основании исследований ИГД УрО РАН разработана и многократно использована экспериментально-анали-тическая методика измерения расхода топлива карьерными автосамосвалами, которая позволяет определять расход дизельного топлива автосамосвалами различной грузоподъемности и любой конструкции в условиях горнодобывающих предприятий. Это позволило разработать дифференцированные нормы расхода топлива для всего параметрического ряда карьерных автосамосвалов производства Белорусского автомобильного завода, а также для ряда автомобилей импортного производства.

По результатам экспериментальных работ для всех моделей карьерных автосамосвалов установлены закономерности расхода топлива от расстояния транспортирования и высоты подъема горной массы на участках автодорог с уклоном от 0 до 12 %, с различной удельной мощностью двигателей и состоянием технологических дорог, а также в забое и на отвале, определен расход топлива при различной степени использования грузоподъемности по всем элементам транспортного цикла карьерного автосамосвала.

Это позволило:

• выявить рациональные, с точки зрения эффективности использования топлива, зоны экономичной эксплуатации автомобилей с различной удельной мощностью двигателя;

• определить баланс расхода топлива за транспортный цикл;

• обосновать основные пути снижения расхода топлива карьерным автотранспортом.

Пути снижения расхода топлива можно условно разделить на организационнотехнические, конструктивные, технологические направления, а также перевод на другие источники питания или использование нетрадиционных источников энергии.

Техническое состояние автосамосвалов, и в особенности двигателя, трансмиссии и ходовой части оказывает заметное влияние на расход топлива. Одной из основных причин перерасхода топлива следует отметить недостаточный уровень технического состояния и обслуживания автосамосвалов в целом, особенно системы питания (повышение расхода топлива на 20-30 %). Указанные способы снижения расхода топлива позволяют значительно сократить расход топлива при сравнительно невысоких затратах (совершенствование системы нормирования и учета ГСМ, совершенствование системы технического обслуживания и ремонта). На ряде горнодобывающих предприятий внедрены разработанные ИГД УрО РАН нагрузочные стенды для диагностики карьерных дизель-электрических автосамосвалов, а также мобильные устройства для диагностики дизельных двигателей, электрических трансмиссий и др.

Энергопотребление автомобильного транспорта определяют продольный уклон автодорог, скорость движения автосамосвалов и мощность двигателя, которые, в свою очередь влияют на загазованность карьеров, определяют развитие фронта работ, что, в конечном счете, влияет на разнос бортов и возможную глубину карьеров. Поэтому сокращение энергопотреб-

ления может рассматриваться с двух сторон:

1. Совершенствование техники и технологии открытых горных работ, направленное на экономное расходование нефтяного топлива.

2. Перевод автотранспорта на потребление восполняемых энергозатрат, то есть на потребление электроэнергии.

Безусловно, основным (превалирующим) транспортом в ближайшем будущем останутся классические карьерные автосамосвалы с дизельным двигателем в сочетании либо с гидромеханической, либо с электромеханической трансмиссией, колесной формулой 4^2. Удельная мощность дизельных двигателей всего параметрического ряда карьерных автосамосвалов должна отвечать условиям эксплуатации и наиболее вероятно будет иметь, как минимум, два диапазона - для средних и тяжелых условий эксплуатации. При этом скорость движения на 8-процентных затяжных подъемах должна составлять не менее 18-20 км/ч.

Однако в настоящее время все острее встает проблема существенного (значительного) сокращения потребления топлива. Основными способами сокращения расхода топлива в этом направлении в ближайшей перспективе, на наш взгляд, являются создание новых (в том числе комбинированных) энергосиловых установок, которые позволят использовать особенности эксплуатации автосамосвалов на конкретных карьерах горнодобывающих предприятий.

В связи с этим встает проблема систематизации условий эксплуатации карьерного автотранспорта, поскольку многообразие параметров и характеристик карьеров не позволяет удовлетворить индивидуальные требования каждого из них в конструкции автосамосвалов. Отечественные производители карьерных автомоби-

лей поднимают вопрос о целесообразности классифицировать действующие и проектируемые карьеры с учетом их перспективного развития на группы по принципу технолого-экономической значимости автотранспорта в общей системе эф-фек-тивного функционирования карьера [2]. Такая систематизация необходима как автопроизводителям, так и технологам и проектировщикам горных предприятий, и будет способствовать созданию карьерных автотранспортных средств, отвечающих современным горнотехническим условиям конкретных горнорудных предприятий.

На наш взгляд, целесообразно делить карьеры по характеру условий эксплуатации автомобильного транспорта на типовые группы, или зоны, для чего необходимо установить степень эффективного использования автомобильного транспорта на рудных карьерах. Под типовыми условиями эксплуатации автомобильного транспорта следует понимать совокупность средних, наиболее вероятных, условий, которые определяют эксплуатационные и технико-эконо-мические показатели работы автотранспортных средств.

На основании проведенных исследований предлагается классифицировать карьеры по условиям эксплуатации технологического автотранспорта в зависимости от уклона автодорог и соответствующего ему типа автотранспорта следующим образом (рис. 1):

• нагорные карьеры - выше уровня

земной поверхности и не более 50 м глу-

биной;

• неглубокие карьеры - карьеры глубиной до 200 м;

• глубокие карьеры - карьеры глубиной до 400 м;

• сверхглубокие карьеры - карьеры глубиной до 600 м;

• суперглубокие карьеры - карьеры глубиной более 600 м.

Перспективным направлением в развитии карьерного автотранспорта является создание специализированного и специального автотранспорта. Под специализацией понимается степень конструктивных изменений автотранспорта. Специализация требует изменения большого количества узлов и агрегатов, и особенно силовой установки, к которой в современных условиях предъявляются высокие требования по экологичности, экономичности, надежности при условии обеспечения высокой производительности автосамосвала, то есть скорости и преодолеваемого уклона. Разработка и применение новых типов энергосиловых установок на карьерном автотранспорте целесообразно в том случае, если они при сохранении достигнутого уровня основных показателей эксплуатации будут иметь ряд преимуществ.

Разработчики делают попытки изготавливать дизель-троллейвозы на базе ди-зель-электрических автосамосвалов, не внося кардинальных конструктивных изменений

под классическую отработку месторождений открытым способом (без изменения технологии).

Авторы считают, что для внедрения дизель-троллейвозов на открытых горных работах необходимо изменить технологию погрузки и разгрузки, что вызовет изменения при работе автотранспорта на перегрузочных складах и при отвалообразова-нии.

Без разработки специальной технологии ведения открытых горных работ и внедрения кардинальных изменений в конструкции дизель-троллейвозов, их применение при разработке месторождений открытым способом останется проблематичным.

Таким образом, необходимые изменения в конструкции и технологии применения дизель-троллейвоза:

1. Боковая разгрузка, что позволит изменить технологию отвалообразования и ликвидировать пробег дизель-троллейвоза на отвале и у бункера обогатительной фабрики с использованием дизельного

СПЕЦИАЛЬНЫЙ И СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЙ АВТОТРАНСПОРТ

Рис. 1. Систематизация карьеров с применением мобильного транспорта на колесном и гусеничном ходу по условиям эксплуатации

двигателя.

2. Использовать дизель-троллейвозы в качестве магистрального транспорта (аналогично железнодорожному транспорту), но где его использование на карьерах невозможно).

3. Применять токосъемники только штангового типа для исключения ослепления водителей.

4. Питание вспомогательного оборудования (рулевого управления, отопителей кабины, освещения и т.д.) должно быть обеспечено от каждого источника питания.

5. Эксплуатировать дизель-троллейвозы в основном для транспортирования руды на обогатительные фабрики или другие стационарные перегрузочные пункты (уголь через бункер в железнодорожные составы).

6. Наибольшая вероятность использования дизель-троллейвозов имеется на угольных разрезах и карьерах при без-взрывной технологии добычи полезного ископаемого и постоянном месте разгрузки (бункер).

7. Эффективность применения дизель-троллейвозов повышается также на угольных разрезах при использовании на борту карьера когенерационных установок, использующих в качестве топлива добываемые угли.

8. Поэтапно внедрять другие КЭУ с использованием различных типов энергоаккумуляторов вместо дизельного двигателя.

Перспективность применения электрифицированных систем автотранспорта для работы в глубоких карьерах увеличивается в условиях непрерывно возрастающих цен на жидкое топливо и отработки разведанных его запасов в течение ближайших 20-30 лет. Поэтому оснащение горных предприятий и расположенных рядом городов и поселков, потребляющих тепловую и электрическую энергию мобильными энергоустановками, ориентированными на энергопотребление конкретного предприятия должно осуществляться с использованием когенерационных тех-

нологий. Вблизи разрезов или на их борту устанавливаются мобильные теплоэлектрические станции, работающие на местном топливе и обеспечивающие электроэнергией добывающее предприятие и поставляющее тепло для расположенных вблизи городов и поселков.

Условиям сверхглубоких карьеров отвечает турбо-аккумуляторная энергосиловая установка, состоящая из газотурбинного двигателя и аккумулятора энергии (АЭ) (рис. 2). Это объясняется тем, что каждый из предложенных силовых агрегатов работает на режимах, где они наиболее экономичны, т. е. в условиях, где проявляются их главные преимущества: ГТД работает в номинальном режиме на протяжении всего подъема с минимальными показателями токсичности, дымности и удельного расхода топлива, аккумулятор энергии - в режиме недолговременных зарядов-разрядов на спуске и неинтенсивного разряда на участках погрузки-разгрузки (питания только вспомогательного оборудования). Таким образом, устраняются недостатки, свойственные каждому из них в отдельности при использовании в качестве одиночного силового агрегата.

Тяговые расчеты показали, что для обеспечения в грузовом направлении скорости движения 14-16 км/ч на уклонах 1012 % ТАА грузоподъемностью 80-180 т должны иметь удельную мощность ГТД 10-12 л. с./т. Для повышения скорости движения до 18-20 км/ч в этих же условиях необходимо довести ее до 13-16 л.с./т.

Область применения ТАА:

- на сверхглубоких карьерах при комбинированном транспорте в качестве сборочного звена;

- на карьерах с одним видом транспорта глубиной не менее 80-100 м и плечом откатки по горизонтальной поверхности не более 0,5-1,0 км;

- при доработке сверхглубоких карьеров с целью снижения потерь полезного ископаемого.

Расчеты показывают, что разработанная КЭУ для ТАА с точки зрения экономичной добычи полезного ископаемого позволит:

- увеличить моторесурс и повысить надежность силовой установки карьерного автосамосвала;

- снизить расход топлива автотранспортом на открытых горных работах на 15-18 %;

- увеличить продольный уклон автодорог до 10-12 %;

- повысить производительность автосамосвалов на 15-20 %;

- уменьшить объем горнокапитальных работ;

- сократить объем профилактических работ по проветриванию рабочей зоны карьеров.

Установлено, что технические возможности открытого способа, например, в Западной Якутии, позволяют освоить глубины до 800-850 м. Увеличение глубины карьера ниже данной отметки приведет, как показывают исследования [1], к отрицательным результатам. Это связано с тем, что освоение таких глубин открытым способом технически затруднено, так как требует увеличения имеющихся транспортных мощностей более чем в 2 раза. Продолжительность реконструкции карьера составляет более 17-20 лет. Наконец, отработка карьера на такую глубину может привести к потере руды, остающейся в бортах и под дном карьера.

Можно сказать, что на данный период технические возможности открытого способа в условиях Западной Якутии позволяют технически осваивать глубины до 800-850 м. Увеличение глубины карьера ниже данной отметки приведет, как показывают исследования [1], к отрицательным результатам.

В этих условиях целесообразно проведение работ по углублению карьера ниже проектных его контуров без разноса бортов по специальной технологии. Исследования по-

казывают, что потенциальный объем добычи руды за счет работ по углублению сопоставим с запасами крупного карьера [1]. Для этих условий ведется разработка углубочно-го комплекса - принципиально нового для открытых горных работ типа оборудования, способного работать на значительных уклонах (до 20-25 %) и позволяющего достигать больших скоростей углубки при повышенных откосах бортов карьера. Погрузочно-доставочные машины нового углубочного комплекса предлагается выполнить на гусеничном ходу, с высокой удельной мощностью (возможно на базе танка) и грузоподъёмностью порядка 30-40 тонн. Оборудование должно позволять работать как по схеме экскаватор - транспортное средство, так и совмещать обе эти операции аналогично погрузчику.

Авторы считают, что значительного снижения потребления топлива карьерным автотранспортом можно достичь только предложенным направлением, то есть путем внедрения новых видов транспортных средств на горнодобывающих предприятиях. При этом возможны не только приведенные в статье варианты, но и другие решения над которыми работает, в том числе, коллектив ИГД УрО РАН.

Авторы не претендуют на однозначность высказанных предложений. Другие исследователи могут предложить иные варианты. Но важно подчеркнуть необходимость разработки и создания новых видов карьерного транспорта для стабильной работы горнодобывающих предприятий в будущем. Произошедший рост цен на нефть - «первый звонок» глобального энергетического кризиса, который обязательно начнется уже в обозримом будущем. Поэтому отсчет тех 15-20 лет, которые необходимы для разработки и внедрения новых бестопливных и малотопливных карьерных транспортных средств, следует начать уже сейчас.

IV

V

VI

Рис. 2. Основные режимы работы автосамосвала с КЭУ: I - в грузовом направлении система регулирования (СР) обеспечивает привод мотор-колес (М-К) от газотурбинного двигателя (ГТД) при движении в грузовом направлении; II, III - разгрузка и движение по отвалу с приводом от аккумуляторов энергии (АЭ); IV - зарядка АЭ при спуске на нижние горизонты; V - движение по забою с приводом от АЭ; VI -ожидание и погрузка, вспомогательное оборудование (ВО) питается от АЭ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Акишев А.Н., Бахтин В.А., Бондаренко Е.В., Баба- 2. Егоров А.Н., Войтов В.Т. Силовые агрегаты карь-

скин С.П. Управление развитием рабочей зоны кимбер- ерных автосамосвалов // Горный журнал. - Специальный

литовых карьеров // Горная промышленность. - 2004. - выпуск. - 2004.

№ 1.

— Коротко об авторах ----------------------------------------------------------

Яковлев В.Л., Тарасов П.И., Журавлев А.Г. - Институт горного дела Уральского отделения Российской академии наук.