автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.03, диссертация на тему:Обоснование технологии разработки вскрышных пород одноковшовыми экскаваторами с погрузкой пород на гидротранспорт

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО НАРОДНОМУ ОБРАЗОВАНИЮ

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОРНЫЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи УДК 622.271.4

КАШПАР Леонтий Николаевич

ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ ВСКРЫШНЫХ ПОРОД ОДНОКОВШОВЫМИ ЭКСКАВАТОРАМИ С ПОГРУЗКОЙ ПОРОД НА ГИДРОТРАНСПОРТ

Специальность 05.15.03 «Открытая разработка месторождений полезных ископаемых»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 1991

Работа выполнена в ордена Дружбы народов Университета дружбы народов имени Патриса Лумумбы.

Официальные оппоненты: доктор технических наук САМОРОДОВ Ю. П., доктор технических наук ЛЕШК.ОВ В. Г., доктор технических наук ЯСТРЕБИНСКИЙ М. А.

Ведущая организация — Государственный институт горнохимического сырья (ГИГХС)

Защита диссертации состоится «23 » оил^ 19э£г. в^<Ыас. на заседании специализированного совета по присуждению ученых степеней Д-053.1'2.01 Московского ордена Трудового Красного Знамени горного института: 117049, ГСП, Москва,, В-49, Ленинский проспект, 6, МГИ.

<

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан: <23 » 1991 г.

Ученый секретарь специализированного совета, д. т. н., профессор

ИЛЬИН С. А.

ОБЩАЯ. ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Гидромеханизация - высокоэффективный способ разработки вскрышных пород, но средствамкгидромеханизации в настоящее время уделяется только всего объема вскрыши на карьерах. Основными недостатками гидромеханизации, сдерживающими ее применение, являются: обводнение рабочих площадок и вызванное этим усложнение производства работ в призабойном пространстве, высокий удельный расход вода и электроэнергии, сезонность работ, большая трудоемкость перемещения землесосных установок и гидромониторов.

Вот уже 20 лет при гидромеханиэированной разработке вскрыши трудовые и энергетические затраты изменяется незначительно. В этой области практически не выдвинуто новых технических и технологических репений.

Узким местом в технологической цепи гидромеханизации является гидромониторный размыв, вследствие чего все последующие звенья, и, в частности, гидротранспорт загружаются менее чем на 4055. На размыв породы в забое требуется создавать на насадке гидромонитора давление 1,0-1,6 Ша. До 93% энергии гидромониторной струи расходуется в полете. На размыв I м3 горной массы необходимо 6,5 ы3 и более воды. Замена гидромониторного размыва менее энергоемким способом выемки с управляемым пульпо-приготовлением повысит эффективность гидромеханизации на вскрышных работах.

Снизить.энергозатраты на вскрдакые работы позволяет комбинация экскаваторной выемки.пород и гидравлического транспортирования. Эта идея проходила промышленную проверку, начиная с 30-х годов в различных отраслях горной промышленности. В проверявшихся технологических схемах использовался энергоемкий процесс гидромониторный размыв отэкскавированной горной массы. Возросли частота передвижки оборудования и соответствующие затраты времени, практически не изменился удельный расход воды.

Статистические данные показывают, что эффективность гидро- • механизации повышается с ростом производительности используемых в забое землесосных агрегатов. Но при этом резко возрастает масса установок, подлежащих периодическому перемещения. Применяемые сейчас технические средства передвижки ограничивают массу забойных землесосоЕ 40-60 тоннами (производительность 2000-1000 м3/час).

Необходимо снять препятствие к росту производительности землесосов, применив новые технологические схемы разработки вскрышных пород и новые способы перемещения призабойного оборудования.

Цель исследований заключается в научном обосновании высокоэкономичной и энергосберегающей технологии экскаваторной разработки вскрышных пород с последующим гидротранспортом.

Идея работы состоит в том, что резкое повышение эффективности гидромеханизации на вскрышных работах достигается заменой гидромониторного раэшва вскрышных пород их экскавацией с последующим регулируешь! пульпоприготовлениеы на специальных устройствах.

Научные положения, выносимые на защиту.

1. Снижение удельных энергозатрат на подготовку породы к гидротранспорту на 3-5 нВгч/ы3 возможно исключением напорного гидромониторного размыва и заменой его экскавацией с последующим' пульпоприготовлениеы в безнапорном потоке воды на смесительном устройстве. Бри этом достигается повышение производительности землесоса по твердому в 2-2,5 раза.

2. Минимальные энергозатраты на пульпоприготовление соответствуют технологии, при которой в безнапорный поток воды равномерно- и непрерывно подается порода. При этом потребление энергии изменяется по парабалическому закону. Ыин1шум энергозатрат на пульпоприготовление соответствует уклону лотка в б°+ 7°30\

3. Повышение эффективности гидротранспорта экскавируекых пород достигается при использовании вскрынных кехлопат и драглайнов, разрабатывающих блок уступа по веерной схеме с погрузкой в бункер. При этом объем породы, погружаемых на одно поло-кение бункера, растет в геометрической прогрессии с увеличением радиуса разгрузки экскаватора.

4. Трудоемкость передвижки землесоса линейно возрастает с увеличением его массы. Традиционные способы перемещения несамоходного призабойного оборудования применимы при массе до 4060 т. Использование принципа воздуиной подуаки комбишсторован-ного типа обеспечит эффективное перемещение установок массой

от 60 т до 20000 тонн. Нетрадиционные средства передвижки призабойного оборудования создают условие для применения в забое землесосов с часовой производительность» до 12000 и3 пульпы, 2

Научная новизна.

- Теоретически и экспериментально доказано, что пульпо-приготовление возможно и целесообразно при непрерывной и равномерной загрузке безнапорного потока воды по наклонной смесительной площадке, изменение удельного расхода воды при этом происходит по параболе, минимальные удельные расходы воды соответствуют давлению не целевом выпуске 5 кПа и уклону площадки б2?о30';

- на основе анализа публикаций и экспериментов разработана классификация схем пульпоприготовления по способам подачи вода и положению породы на смесительной площадке;

- установлено, что в начальный момент передвижки земле-' сосной станции необходимо преодолять силы трения от кассы станций и атмосферного давления на площадь основания землесосной станции; традиционные средства передвижки землесосных станций эффективны при их массе 40-60 т, при массе передвигаемых при-забойных установок 60-20000 т необходимо использование воздушной подушки комбинированного типа, для создания воздушной подушки целесообразно использовать высокопроизводительные компрессоры с давлением более 40 Ша,\

- предложена классификация схем гидромеханизации горных работ по способу разработки забоя, промежуточному и основному виду гидротранспорта;

- выявлено влияние параметров экскаваторов на минимальные и максимальные габаритные размеры бункера и его вместимость, на параметры'отрабатываемого блока при различных схемах отра-, ботки, на объем отрабатываемой на одно положение бункера породы;

- предложены новые технологические и технические решения по выемочно-погруэочшм и вспомогательным работам, позволяющим интенсифицировать вскрышные работы.

Практическая значимость результатов исследований состоит в создании методики расчета параметров технологической схемы разработки уступа экскаватором с погрузкой на гидротранспорт; з обосновании параметров пульпосмесительных устройств и бункерных установок; в конструктивных решениях по передвижке призабой-ного оборудования.

При применении выполненных разработок на выполнении вскрышных работ с использованием средств гидромеханизации снижается удельный расход электроэнергии на 3-5 квтч/м3 и в 1,5-2,5 раза растет производительность труда.

2-779 ' 3

.Апробация работы. Работа и ее отдельные положения докладывались и получили одобрение на всесоюзных совещаниях гидромеханизаторов (1970-79 гг), ежегодных научно-технических конференциях инженерного факультета УДН им.П.Лумуыбы (1967-УI гг), в институте Центргипроруда (1982т., г.Белгород), на техсовете Минчермета СССР (1983 г.).

Результаты проведенных исследований реализованы в проектах железорудных карьерах КМА, а также используются в учебном процессе по специальности 09.05.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 24 работы.

Объем работы. Диссертация состоит из семи глав, заключения, списка литературы из 159 наименований; содержит 423 страниц машинописного текста, 79 рисунков и 6Б таблиц.

СО.ЦЕРЖАШЕ РАБОТЫ

Открытая разработка месторождений полезных ископаемых тем эффективнее, чем более совершенная технология применяется на производстве горных работ..История развития показывает, что хорошо известная техника в новых технологических схемах дает значительный рост эффективности. Так драглайн был создан для строительства каналов, но использованный на производстве вскрышных работ расширил область применения технологии с перевалкой вскрыши в выработанное пространство и обеспечил снижение себестоимости и знергозатрат. Вскрышная мехлопата разработана для применения в карьерах с непосредственной укладкой породы в выработанное пространство.

Новая технология предусматривает разработку забоя экскаваторами с большой длиной стрелы с погрузкой на транспорт.

Анализ работы различных видов транспорта на карьерах Советского Союза показал, что в настоящее время наибольший эффект 'достигается при применении двух видов транспорта: железнодорожного и гидравлического.

Гидравлический транспорт применяется в различных технологических схемах гидромеханизации - гидромониторном размыве,

разработке земснарядами, смыве навалов, гидротранспорте от экскаваторов. Каждая из названных схем гидромеханизации имеет свои особенности, достоинства и недостатки, условия элективного применения. Но все схемы объединяет наличие гидравлического транспортирования пород. Эффективность гидромеханизации тем вше, чем меньше (до определенных пределоа) удельный расход воды и чем больше мощность землесосной установки.

Более 50 лет гидромеханизаторы пытаются внедрить технологию гидротранспорта пород от экскаваторов, но все попытки заканчивались неудачно. Анализом имевшихся литературных сведений установлено, что кроме низкого коэффициента использования установок во Бремени не был достигнут проектный минимальный удельный расход воды, а напор на насадках брызгальных устройств не на много отличался от напора на насадках гидромониторов. Конструкция смесительных устройств, кроме того, не обеспечивала строгой дозировки соотношения 1: Ж и максимальное использование энергии потока , водяных струй. Достаточно вспомнить именаНА. производственников и ученых Н.Д.Холина, Г.П.Никонова, Ефимова И.П. Елизарова, Г.А.Цурок, -Ю.И.Ветрова, И.А.Кузьмича, Н.А.Богатырева, С.И.Полежаевой, И.С.Булгакова, Н.Н.Медникова, А.П.Гришко и многих других, кто проектиоовал или апробировал в промышленных или полупромышленных условиях технологические решения гидротранспсрта пород от экскаваторов в различных отраслях горнодобываотей промышленности, гидротехнического строительства или намыва площадей. Нельзя забывать, что большую поддержку энтузиастам оказывали крупнейшие ученые ~ горняки Н.В.Мельников, А.А.Спиваковский, В.З.Ржевский, Е.Ф.Шешко. А сколько безвестных рабочих - энтузиастов монтировало и эксплуатировало опытные ПГУ, ПЗУ и им подобные, проводя в забоях много больше времени, чем продолжались их рабочие смены. Конечно их труд не прошел даром, так как-опыт описан, подученные результаты подверглись анализу. К сожалению, практически нет публикаций с отрицательным результатом и, главное, анализом причин приведших к негативным результатам.

Большое значение имеют работы больших научных коллективов и проектировщиков Москвы, Ленинграда, Новокузнецка, Тебина, Белгорода, Харькова, Свердловска, Кемерова во-внедрении гидро- ■ механизации в практику открытых горных работ.

Обобщение результатов их работ и проектных решений, публикаций и исследований автора позволило разработать теоретические положения определения технологии, режима и технических средств экскавации с последующим гидротранспортом.

Кандидат техн.наук В.А.Антонов доказал, что не более 7% энергии гидромониторной струи используется на размыве породы в забое. Это значит только на пульпопригоговление можно снизить затраты энергии в 10-15 раз.

Удельный расход воды определяется горногеологическими условиями (минералогический состав, физико-механические свойства и высота уступа), а также технологическими параметрами, главным из которых является уклон пульповоднай канавы в гидромониторном забое, принятый во всех нормативных документах равным 2,-3%.

Публикации по гидротранспорту цементносырьевых шламов в СССР, а также по дальнему гидротранспорту в СШД показывают, что экономически рационально транспортировать пульпу с влажностью 54% и более. В названных технологиях дульпоприготовле-ние - длительный процесс, который не может быть перенесен в карьер. На практике в карьерах использованы различные и многообразные технологические рёшения, в которых дульпоприготовле-ние возможно классифицировать по четырем группам и 2-7 подгруппам в каждой (табл.1).

11! класс пульпопригстовления соответствует технологии гидротранспорта пород, разрабатываемых экскаватора«/ Практически все семь подклассов прошли промышленное или полупромышленное опробование на многочисленных ПГУ, ПЗУ и им подобных установках на добычных работах, промышленном или гражданском строительстве.

• Автором, в лабораторных условиях проводились исследования с целью выявления взаимодействия потока воды и породы в различном агрегатном состоянии. Установлено, что при гидромониторном размыве четко наделяется две зоны: зона фильтрации и зона раз-шва, которые характеризуются диаметром струи у забоя и ее плотностью, коэффициентом фильтрации породы и продолжительностью воздействия струи на забой в данной точке. Эти исследования показали, что при непосредственном воздействии струи на .-забой не обеспечивается стабильный удельный расход вода, требуются значительные напоры на насадке монитора и поэтому не были продолжены до получения математического описания процесса в названных

взаимосвязях.

•. 6

Таблица I

Классификация способов пульпоприготовления

Группа ¡Подгруппа .'Способ пульпопри-(класс):(подкласс);готовления (хврак-; ¡терисгика класса)

I П

1У

в г

Д

е

Гидромониторный размыв

Разработка земснарядами

На специальных площадках

В загрузочных аппаратах

Отличительные особенности (характеристика подкласса)

Размыв целика Размыв навалов

Без рыхления

С механическим рых- -лением

С гидравлическим рыхлением

С комбинированным рыхлением ' .

Цикличная подача порода к гидромониторной струе

Цикличная подача породы на смесительную площадку с системой насадок

Цикличная подача породы в непрерывный поток воды

Цикличная подача породы и воды

Непрерывная подача породы в равномерный поток воды

Непрерывная подача порода на смесительную площадку с системой насадок

В специальных устройствах, заполненных водой

(автором не исследовались)

В лаборатории опробованы все семь подгрупп Ш класса. При равномерной загрузке непрерывного устойчивого потока воды породой затраты энергии на пульполриготовление минималь.-ые и составляют 15 ватт часов энергии на каждый кубометр разработанной породы при удельном расходе вода 3 м3/м3. При щелевом выпуске воды из пульпосмесительной системы на насадке достаточно напора 3-779 ■ 7

а

а

б

о

0,5 м водяного столба (5,0кН/м ) при уклоне смесительной площадки б +7,5°.

Снижение удельного расхода воды приводит к повышению сопротивления движению пульпы, однако величина удельного расхода электроэнергии на гидротранспорт снижается, равно как и падает удельная металлоемкость за счет резкого повышения производительности и уменьшения диаметра водопровода.

Теоретически доказана эффективность транспортирования пульпы с минимальным удельным расходом воды, при котором соотношение Т : Ж стабильно.

При участии автора на полупромышленной гидротранспортно.й установке на 'Лебединском карьере КМА было опробовано значительное количество пульпосмесительных устройств, каждое из которых варьировалось способом загрузки, направлением, количеством и. диаметром насадок на брызгальных устройствах. Напор на насадках был значительно выше расчетного. Проверка правильности теоретических положений потребного напора для цульпоприготовления на смесительной площадке проводилась на лабораторном стенде.

Самый интересный-вывод заключается в том, что при прочих равных условиях с увеличением напора на насадке шалевого типа удельный расход воды возрастал.

Анализируя взаимодействие потока вода с падающим в нее породным потоком видим, что в единицу времени взаимодействуют площади: <!>о - для воды и «§/| - для породы.

С ростом напора на насадке размер тели цменыпается, что требуется для поддержания постоянного расхода воды, так как растет скорость водяного потона.

Практика применения гидромеханизации показывает, что там, где используются технические решения с работой землесосной станции в забое на одном месте более I месяца, там достигаются высокие технико-экономические показатели. При работе ПГУ,. ПЗУ и им подобных передвижки производились 1-3 раза в сутки. На передвижках задалжива'лась дополнительная рабочая сила и технина. Этим в значительной степени объясняется непродолжительная работа опытно-промышленных гидротранспортных установок.

Гидротранспорт в карьере в настоящее время самыГ экономичный вид транспорта. Однако одной из причин ограниченного его применения является прежде всего необходимость подачи воды на забой, а значит и смачивания большой плошади на рабочей площадке. Это обстоятельство практически исключает выполнение каких-

Э

либо других работ на этой плошадке. Кроме того, годовая производительность одного работающего в карьере при железнодорожном транспорте и гидромеханизации практически сравнялись и соответственно составляют 8 тыс.м3 и 12 тыс.м3.

■ Лабораторные исследования по выявлению физики и механизма процесса дуль пслригот о рдения при гидромониторном размыве и различных пульпосмесительньк устройствах показали, что:

- процесс гидромониторного размыва состоит из двух фаз -фильтрации воды в массив и смыва смоченной породы. Скорость распространения сфера каждой фазы изменяется во времени по закону (рнс.1):

где: а, в и с - коэффициенты, зависящие от физико-механических характеристик породы и напорной струи ' , воды;

& - основание натуральных логарифмов; £ - время воздействия струи на массив, сек.

Численное значение коэффициентов при размыве песка соответственно для фаз фильтрации и смыве составляют

11,7243 и 13.В807

в?* -0»7603 и . ёс = -1,1109 Срш 0,29^2 и ¿?е - 0,1725

Установлено, смыв начинается спустя две секунды после соприкосновения струи с забоек, уклон подошвы каверны подрезаемого уступа составляет 15°. Минимальный удельный расход воды соответствует моменту 3,6 сек с начала касания струей забоя, после чего идет увеличение удельного расхода в течение полутора секунд, когда процесс практически стабилизируется. Отсюда следует, что эффективность гидромониторного размыва пород в процессе подрезки уступа может быть повышена, если для каждого типа пород будет подобрана оптимальная линейная . скорость -перемещения струи по забою.

Чем больше скорость фильтрации, тем больше объем смываемой порода. Потребные для размыва породы напоры на насадке монитора находятся в обратной зависимости от скорости фильтрации воды в массив.

10

I 1 3 У 5- б 7 »

Изменение затрат энергии Е и коэффициента лульпсяриготовления Кп в зависимости от удельного расхода вода С^ .

Повысить скорость фильтрации возможно путем разрыхления породы. Так как в настоящее и ближайшее будущее время способом гидромеханизации разрабатываются различные осадочные породы третичного и четвертичного периодов, то наилучшим способом рыхления является механическое рыхление.

В лабораторных условиях исследовано несколько систем пульпоприготовления, отличавшихся направлением и режимом подачи породы и воды на смесительную плояадку. Обработка результатов лабораторных экспериментов показала, что оптимальные по удельному расходу воды и энергетическим затратам является технология пульпоприготовления, при которой смесительная площадка установлена под углом 6-7°30 к горизонту. На смесительную площадку равномерно и равнонаправленно подаются вода и порода & расчетных соотношениях. При этом для пульпоприготовления достаточно напора на насадках водоподаюиего устройства 5 м.в.с., что составляет 5 ватт часов энергии на перемени' лние I и3 породы "с 2,5 м3 вода.

Относительные затраты на пульпоприготовление оценивались безразмерным параметром - коэффициентом пульпоприготовления Кп, показывающим во сколько раз скорость If" потока воды до вс.тречи с падагошим породный потоком со скоростью больше суммы скоростей потока пульпы lin и падавшей породы

К =

V

где:- о и о 0 - плотность породы и воды; - удельный расход вода.

Статистическая обработка экспериментальных данных в графическом виде представлена на.рис.2. Для проверки правильности выводов лабораторных исследований необходимо сопоставить их с производственными показателями в различных отраслях горнодобы-. вашей промышленности или провести сопоставительные производственные эксперименты.

Анализ работы гидромеханизированных установок в различных отраслях промышленности позволил классифицировать гидромеханическую разработку пород по способу разработки забоя, промежуточному и основному виду транспорта (табл.2).

12

Таблица 2

Классификация гидромеханизации горных работ по способу разработки забоя, промежуточному и основному виду гидротранспорта

Способ разработки забоя

Вид транспорта до землесосной станции

;Вид транспорта :до гидроотзала

Условия применения

1.а) гидромони- самотечный торный способ

б) гидромони- самотечный торный смыв экскаваторных навалов

2.а) безнапорным

потоком воды самотечный

б)базнапорным самотечный потоком пульпы

З.а)зкскавация в бункер-смеситель

б)экскавация в бункер-питатель

самотечный

автомобильный, конвейерный, железнодорожный

4.Земснарядами отсутствует

5.Экскавация на отсутствует колесный транспорт и последующее гидроотвало-образование:

а)гидромониторный смыв

б)водонасытение

в) гидросмыв

напорный гидравлический

напорный гидравлический

напорный гидравлический

напорный' гидравлический

напорный гидравлический

напорный гидравлический

напорный ' гидравлический

самотечный самотечный

самотечный

рыхлые породы (наносы)

глинистые породы

песчаники, супесчаные и суглинистые породы ' .

суглинистые и глинистые породы

наносы

наносы, поду-

скальные

породы

акхлыэ породы Iнаносы) при строительстве или разработке обводненных месторождений песка и гравия

пески

песчано-глинистый

пески,песчана-глинистые и крулио-куско-выв породы

Рио.З. Схема перемещения экскаватора в веерном забое

Способы разработки забоя при внимательном анализе публикация можно классифицировать по воздействию воды на породу и положении породы в пространство (пульпоприготовление) (табл.1).

Анализ публикаций по предлагаемым классификационным схемам показывает, что наилучшие показатели принадлежат технологическим схемам производства работ с гидравлическим транспортом (табл.3).

Таблица 3

Некоторые технико-экономические показатели по видам транспорта

Показатели Виды транспорта

;желеэно-Гдорожный ' автомо-; бильный ; гидравли-; ческий

Себестоимость I мэ вскрыши, руб. 0,49 0,93 0,19

Стоимость доставки, руб./т.км о.оа 0,2 0,03

Металлоемкость на

I тыс.м3 вскрыши, т 2,64 0,97 0,36

Коэффициент использования оборудования 0,68 0,53 0,7

Опираясь на ¡экономическую эффективность гидротранспорта на протяжении более чем 60-летней практики выполнения горных работ способом гидромеханизации в угольной, рудной, нерудной промышленности, гидротехническом и ином строительстве на намыве площадей проектировались и проходили промышленную проверку технологические комплексы экскаваторной разработки пород на гидротранспорт с использованием ПГУ и ПЗУ.

Однако ни одна из прошедших промышленную апробацию схем не достигла ожидаемых результатов.

Анализ работы ПГУ и ПЗУ показал, что иного быть не могло, так как передвижные шдротранспортные установки монтировались в действующих гидромониторных забоях с высоким напором воды в забое в системе водоснабжения, гидротранспорт способен обеспечить перекачку пульпы о расчетным при гидромониторной разработке пород удельным расходом вода, время отработки зьбоя экскаватором на одно положение ПГУ (ПЗУ) не превышало I смены, после чего установку необходимо было передвигать.

Рис.4. Изменение параметров веерного забоя в безразмерных величинах ^-(¿с)

На прошедших промышленную апробацию передвижных гидро— транспортных (землесосных) установках коэффициент использования рабочего времени не превышал 0,25, а удельный расход воды более чем в 2 раза превышал расчетный-

Максимальный эффект применения технологии экскаваторной разработки пород с последующим гидротранспортом возможно подучить при режиме работы и применении такого призабойного оборудования, при которых будут исключены выявленные автором негативные факторы промышленной апробации ИГУ и ПЗУ.

Анализ возможностей различных типов экскаваторов разработки объемов породы на одно положение точки разгрузки показал, что с увеличением радиуса разгрузки и радиуса черпания растут названные объемы. Максимальные объемы, разрабатываемые на одно положение точки разгрузки соответствуют веерному перемещению '. экскаватора по циркульной кривой с центром в точке разгрузки (рис.'З) ковша. Основные параметры забоя предлагается вычислять функцией от длины стрелы, то есть = ), //у = У (,

или решая обратную задачу подбирать минимальную длину стрелы, то есть (с - ^• Установлено, что при расположении веера вдоль фронта работы на уступе максимальному объему породы, разрабатываемому на одно положение места разгрузку соответствуют ширина заходки:

4= (Иг * Р?) -fodfi-to

где: ill и Rp - радиус черпания и разгрузки, м; fly - высота разрабатываемого уступа; щ - угол откоса уступа;

у - угол, образованный линией перемещения точки разгрузки и максимального удаленной от точки разгрузки ковша точки разрабатываемого забоя ( ). Шаг перемещения точки разгрузки б£п

1 (Их_?

У (fo^tj +&<)+)/fa <Ufizf^

Рис.», К расчету параметров широкой заходки при поперечной отработке блоков

Выразив через длину стрелы ширину заходки

шаг передвижки точки разгрузки и высоту уступа /Уу по-

лучим объем разрабатываемой на одно местоположение разгрузки

= а 1с пг1< - м1

Результаты вычислений изменения Л , Ну , Л и г функцией от ■¿'с приведена на рис.4. Максимальный объем соответствует значению высоты разрабатываемого устуаа 0,3 ♦ 0,4 £с .

При поперечном расположении веера на уступе возможно увеличение объема за счет последующей отработки части забоя, на которой располагается бункер и землесосная установка (рис.о). При этом отмечено увеличение объема до 30%, и при длине стрелы 100 м составит 1,6 млн.м3.

Таким образом применив на экскавации в забое вскрышную мехлопату или драглайн при их веерном перемещении в процессе отработки забоя возможно на одно положение бункера работать 1,5-3 месяца, в зависимости от Ир , йг. и Е (Е - вместимость ковша).

. При разработке карьеров в равнинной местности рационально применение драглайна, так как средняя высота подъема груза из карьера

»" 3= Д

-

в2*

П

будет на высоту уступа меньше, чем при разработке этого забоя вскрышной мехлопатой

,¡5 ВТ

"Г = п

Этот фактор особенно важен при применении средств гидротранспорта.

Применение для экскавации на транспорт вскрышных мехлопат или драглайнов приводит к сокращению количества уступов в 2-3 раза, суммарной протяженности транспортных коммуникаций, упрощает организацию работ. Видимо и по названным пр5геинам на ряде

карьеров (в том числе и на Михайловском) в течение ряда лет забой разрабатывался драглайном с непосредственной разгрузкой ковша в кузов автосамосвала или железнодорожного вагона -самосвала. Экономического эффекта не было получено, так как возросла продолжительность загрузки состава, чааш стали выходить из строя и выводиться из карьера в ре>,г>нт думпкары.

В различные года вносились предложения производить загрузку транспортных средств породой, разрабатываемой драглайном, через бункер. Проведенными исследованиями установлено, что'размеры бункера зависят от ширины ковша, типа экскаватора, высоты разгрузки ковша. Размеры бункера вместе с тем определяют гибкость технологической схемы экскаватор-бункер-транспорт. Все бункера тем больше, чем больше его размеры. При.габаритах установки 15x15x15 м3 вес собственно бункера- составляет 90 т, а вес гусеничного движетеля несколько больше 500 т.

- В НИИКМА им.Л.Д.Шевякова, Московском горном институте были разработаны эскизные проекты бункеров на санном основании с уменьшенными размерами в плане.

Анализом работы экскаваторов в бункер на опытно-промышленных гидротранспортных установках на Яебединском и Михайловском карьерах КМА, проектирование и монтаж которых проводились при участии автора, остановлено, что ритмика работы экскаватора и гидротранспортной системы не совпадают. Поэтому необходимо иметь промежуточное звено-бункер значительной вместимости. Расчеты показывают, что чем больше вместимость бункера, тем меньше .вероятность простоев одного из смежных звеньев последовательной структуры. Вместе с тем экспериментально доказано, что есть ограничения по минимальной ширине бункера . При ширине бункера , сдерживается работа экскаватора; быстро растет продолжительность цикла, много породы просыпается на рабочую площадку уступа. Минимальное значение коэффициента К составляет 1,2 - для мехлопаты, 3 - для драглайна. Высота бункера определяется высотой разгрузки экскаватора. Конструктивное исполнение показало, что этот размер является определяющим и равнозначным для ширины и длины бункера. Установлено, что для обеспечения работы комплексов экскаватор-бункер-эемлесосная станция достаточно типоряда из пяти бункерных установок. Угол ■ 20 '

наклона стенок бункера должен быть не менее 57°, что обеспечивает наклон ребра двугранного угла, образуемого смежными стенками 45° и более. Это условие необходимо для полной очистки бункера от разрабатываемой породы особенно перед передвижкой лризабойного оборудования в новое положение. Максимальный размер бункера 34x34x34 м3. Вес собственно бункера несомненно превысит 450 т, а вес гусеничного или иного движетеля несколько тысяч тонн. Ходовой механизм будет воспринимать огромные динамические нагрузки, поэтому конструктивное исполнение его будет и сложным и тяжеловесным.

Альтернативным традиционным средствам перемешения приза-бойного оборудования является устройство на "воздушной подушке". Технико-экономические расчеты и апробация перемешения бункеров и землесосных станций в карьере показали:

- при веса оборудования до 20 т эффективно использование гусеничных тракторов, буксирующих оборудование, • смонтированные на санном основании;

- при весе - до 60 т эффективно применение портально-полиспасных систем с гусеничными тягачами;

- при весе более 60 г - необходимо применение "воздушной подушки".

Теоретические исследования "воздушной подушки" проведены д.т.н.Хонжонковым В.И. В ряде отраслей народного хозяйства (речной флот, военные автомобили-амфибии, медицина, нефтегазовая промышленность) известно применение воздушной подуши, создаваемой специальным нагнетательным оборудованием и специальными конструкциями опорных устройств. В лабораторных и полупромышленных условиях проведены исследования возможностей и целесообразности применения воздушной подушки для перемещения призабойного оборудования в карьере.

Анализ публикаций показал, что в основном воздушная подушка применяется для перемешения по идеально гладкой поверхности (пол зданий, вода). Военно-транспортные автомобили имеют сложное и дорогостоящее оборудование ("юбку"), которое з условиях карьера не применимо. Чтобы преодолевать встречающиеся на пути передвижения карьерного оборудования (бункер, зумпф-смеситель, забойная землесосная установка) препятствия и неровности необходимо иметь значительную высоту подъема.

Анализ результатов экспериментов показал, что устройство камерного типа удерживает оборудование'в горизонтальном положении, но на относительно малой высоте. Для плошади основания бункера 34x34x34 ь? необходимо иметь вентилятор диаметром около 25 м. Классическая форма воздушной подушки камерного типа экспериментальными исследованиями изменена. Выявлено, что при любом диаметре вентилятора (компрессора), подавшем достаточное количество' воздуха и необходимом напоре,' возможно получение воздушной подушки заданной плошади. Комбинация кольцевого сопла к камеры обеспечивают необходимую высоту подъема установки любого веса. Высокопроизводительным по обеспечению работы воздушной подушки воздухом являются отслужившие летный моторесурс авиационные реактивные двигатели.

На базе Губкинского СУ "Гидромеханизация" проводились исследования возможностей реактивного двигателя АИ-20. Экспериментально доказано, что оконтуриваюше нижнее основание опорные звенья должны иметь пластинообразные вертикальные ребра. При этом отсутствует присасывающий эффект, характергый для санного основания,.выполненного из труб. Коэффициент трения при применении воздушной подуши снижается на порядок (по сравнению с непосредственным буксированием).

Конструктивных изменений в двигатели вносить не следует. Их вес вместе с аппаратурой управления, системой подачи топлива не превышает 10 т. Мощность двигателя достигает 51000 л.с. (47500 кВт), производительность по воздуху до 150 м3/с с напором до 8 fila (8 атм.).

В качестве забойных землесосных установок используются землесосы с производительностью по пульпе до 4000 м3/с. Указанное ограничение вызвано возможностями перемешения забойных землесосных установок в новое положение. Применение воздушной подушки для перемепения забойной землесосной станции позволит применять в'забое землесосы любой производительности (до 12000 м3/ч). Замечено, что передвижка землесосной установки сопряжена с трудностями в первый момент. Производственники затрачивают много усилий на "одергивание" в места. В процессе-наблюдения за работой землесосов выявлено, что под действием вибрации из-под пола установки отжимается воздух. Землесосная установка по всей плошади пола прижимается к поверхности уступа. Поэтому, сдергивая установку с места, нгобходимо преодолеть кроме веса установки дополнительный вес, равный атмосфер-

¡юму давлению на площадь основания. Ликвидировать названный . эффект может применение компрессора, подающего под давлением воздух под пол землесоса.

Резкий рост производительности труда отмечен в те годы, когда на карьере землесосы заменялись более производительными. Ввод в карьер землесосов с производительностью по пульпе 8000 мэ/ч и 12000 мэ/ч несомненно повысит производительность труда. Однако, широко используемые в карьерах землесосы с производительностью 2000 ■»• 4000 м3/ч имеют огромные резервы, эаключаюшеся в возможности транспортирования пульпы с удельным расходом воды не менее 2,5 м3/м3. Так при снижении удельного расхода с 7 м3/м3 до 3 ма/м3 производительность землесоса по твердому возрастет в 2,1 раза. При этом сократится удельный расход электроэнергии на гидротранспорт почти на 40%..

Динамическая вязкость пульпы и растекаемость по данным исследований к.т.н.Долгушина зависят от минералогического состава особенно наличия монтморолонита транспортируемой пульпы и кислотности.

На карьерах Кузбасса к.т.н.Гришко А.П. загружал размываемую гидромонитором глинистую пульпу полускальными породами, снижая удельмЛ расход воды. При этом потери напора практически не изменялись. Автором на Ледединском карьере на опыгно-промьшленной установке гидротранспорта сеноман-альбских песков доказана возможность гидротранспортирования с удельным расходом воды ^ = 3 м3/м3. Однако привязка установки к действующей на карьере системе гидромониторного размыва позволила транспортировать густую пульцу в-течение 10 минут, после чего необходимо было промывать пульповод (снижать потери напора по длине пульповода).

В промышленных условиях проверялась эффективность пульпо-приготовления на смесительной площадке с уклоном 4°30 , напорной подачей аоди (Н0 = 120 м.в.с.) с разнонаправленными струями . (направление и количество подаваемой по направлению воды изменялись в период экспериментов многократно), цикличной и непрерывной подачей породы на смесительную площадку. Кроме того проверялось цульпоприготовление в горловине гидроэлеватора с цикличной и непрерывной загрузкой горловины. Экспериментально доказано, что при пульпообразовании напорным потоком вода необ-

ходимо гасить часть анергии напорных струй гидравлическими или механическими устройствами.

Для выгрузки породы из бункера возможно применение различна механических питателей, гравитационная выгрузка и разгрузка с использованием безнапорного потока воды.

Расчеты, произведенные для проектируемого Приоскольского карьера, по разработанным методикам расчета параметров технологии, режима и технических средств экскаваторной разработки с последующим гидравлическим транспортированием показали значительный экономический эффект.

Улучшение показателей достигается за счет:

- уменьшения количества разрабатываемых уступов и средне-взвешанной высоты гидроподъема вскрышных пород;

- применения мощного призабойного и гидротранспортного оборудования; снижения удельного расхода воды, что обеспечило сокращение количества передвижек призабойного оборудования.

Проектные проработки, выполненные автором, по возможности использования результатов исследования на строительстве карьеров показали, что при соответствущей организации строительно-монтажных работ, в том числе поставке необходимого оборудования, вполне достижимы темпы углубочных работ до 60-80 м/год. Разработанная технология с большим эффектом применима на гидротехническом строительстве, намыве площадей, разработке россыпей.

Заключение

В диссертации на основе установленных взаимосвязей разработки забоя, гидротранспорта и выполнения вспомогательных работ, выявленных закономерностей энергетических и трудовых затрат при гидромеханизации даны научно-обоснованные решения по технологии разработки вскрышных пород одноковшовыми экскаваторами с погрузкой на гидротранспорт, внедрение которых вносит вклад в ускорение научно-технического прогресса открытых горных разработок. Внедрение результатов теоретических и экспериментальных исследований в практику вскрышных работ на карьерах приводит к значительному снижение энергетических и трудовых затрат, повышению производительности землесосных агрегатов по твердому.

Основные результаты, выводы и рекомендации:

1. Установлено, что при непрерывном равномерном смешивании безнапорного потока воды и породы в наклонном лотке пульпосмеси-тельного устройства затрачивается минимальное количество энергии на пульпоприготовление. Затраты энергии связаны с изменением инерции движения, минимум затрат 3-Ь втч/мэ приходит я на уклон лотка б0-'? ,5° и напор на щелевом выпуске 5 кДа.

2. Равномерная непрерывная загрузка породой пульпосмеситель-ного устройства возможна при экскаваторной разработке с погрузкой в бункерные установки. Увеличение вместимости бункеров приводит к повшению эффективности разработки пород вскрышными экскаваторами или драглайнами с последующим гидротранспортом. Рекомендуется выпускать бункерные установки пяти габаритных размеров :

3. Объем работ по перемещению призабойного оборудования находится в обратной пропорциональной зависимости от радиуса разгрузки экскаватора. При этом время работы на одном месте бункера, пульпоприготовительного устройства и землесоса возрастает до 1,54-3 мес. На одно положение бункера экскаватором можно отработать пр„ веерной схеме перемещения в разрабатываемом блоке до 1,6 млн.м3.

4. Установлено, что рост производительности труда в гидромеханизированном карьере сдерживается массой передвигаемого оборудования в забое традиционными средствами. Для обеспечения возможности передвижки забойного оборудования массой более 60 т необходимо применение воздушной 'подушки комбинированного типа. Для создания вощцушной подущки целесообразно использовать отработавшие1 летный моторесурс авиационные реактивные двигатели, мощностью до 51 тыс.л.с. Применение' реактивных двигателей позволит перемещать призабойнне установки массой до 20 тыс.т и, соответственно использовать землесосы с производительностью до

I2000 м3/час.

5. Предложенная технология рекомендуется для выемки мягких и плотных вскрышных пород карьеров различных отраслей народного хозяйства, и, в частности, при разработке перспективных месторождений КМА.. Это позволит снизить энергозатраты на 3-5 квтч/м3, повысить производительность труда в 1,5-2,3 раза.

Основное содержание диссертации изложено в следующих опубликованных работах: ¿5

1. Кагапар J1.H. Новый взгляд на процесс пульпообразования при гидравлической разработки пород вскрыши. "Тезисы докладов 1У научно-технической конференции инженерного факультета. УДН им.П.Лумумбы, Ы., 1968.

2. Кашпар JI.H. Проблемы технологии гидротранспорта пород от экскаваторов. "Тезисы докладов У научно-технической конференции инженерного факультета". УДН им.П.Лумумбы, М., IS69.

3. Кашпар Л.Н. К вопросу физики процесса пульпообразования при гидромониторной разработке пород. Сб."Разработка месторождений полезных ископаемых подземным способом". УДН им.П.Ду-нумбы, М., I97G.

4. Кашпар Л.Н. Гидромеханизация вскрышных работ. Учебное пособие. Уда им.П.Лумумбы, М., 1970.

5 . Кашпар Л.Н., Бубис Ю.В. Определение производительности карьерных землесосов. Сб."Совершенствование гидромеханизации открытых гарных работ". ЦВШТЭУголь, М., 1966.

6. Кашпар Л.Н., Алексеенко В.В., Шелоганов В.И. Лабораторные исследования пульпообразования в лотке. Сб."Разработка месторождений полезных ископаемых подземным способом". УДН им. П.Лумумбы, М., 1970.

7. Кашпар Л.Н., Меладзе А.И., Черненков Е.К. Исследование процесса пульпообразования при размыве песков и разрыхленных пород напорными струями. Доклады УП научно-технической конференции УДН им.П.Лумумбы, М., 1971.

8. Катар Л.Н., Арсентьев В.Д., Имам Обейд Хасан. Пульпо-образование на смесительной плошадке при цикличной выгрузке пород из ковша и слива из аккумулирующей емкости. Доклады УШ научяо-технической конференции У/Щ им.П.Лумумбы, М., 1972.

9. Кашпар Л.Н., Меладзе А.И., Черненков Е.К. Исследование пьезодатчиками состояния массива при воздействии на него напорной струей воды. Доклады УШ научно-технической конференции. УДН им.П.Луадмбы, М., 1972.

10. Кашпар Л.Н., Трифонов A.C., Меладзе А.И., Черненков Е.К. Лабораторный эксперимент по-применению "воздушной подушки" для перемещения тяжелых грузов. Доклады УШ научно-технической' конференции. УДН им.П.Лумукбы, М., 1972.

11. Кашпар Л.Н. Проблемы применения технологии гидравлического транспортирования пород от экскаваторов. Доклады УШ ияучно-технической конференции. УЩ им.П.Лумумбы, М., 1972.

26

12. Кашпар Л.Н., Меладзэ Л.И. Проблемы применения самотечного гидравлического транспорта пород от экскаваторов к забойной землесосной станции. Сб."Вопросы инженерной геодезии и маркшейдерского дела. УДИ им.П.Лумумбы, М., 1974.

13. Кавдар Л.Н.» Долгуютн В.Д. О применении гидротранспорта пород от экскаваторов на карьерах цементного сырья. Доклэ.сы

IX научно-технической конференции инженерного факультета. УДВ им.П.Лумумбы, М., 1974.

14. Кавшар Л.Н., Медовшиков Р.С. Методика инженерного расчета устройств на "воздушной подушке" и принципиальные конструктивные решения для гидромеханизации. Сб."Разработка рыхлых пород комплексами непрерывного действия. НИИКМА им.Л.Д.Шевякова, Пубкин, 1974.

15. Каппар Л.Н. Исследование и изыскание рациональной технологии вспомогательных работ при гидромеханизации (научный руководитель и ответственный исполнитель). Отчет УДН им.П. Лумумбы, М., 1975.

16- Кашпар Л.Н., Нэамуйэ Исса, Валыхин Г.А. Лабораторные исследования размыва сыпучих пород. Сб."Геология и горнов дело". УДН им.П.Лумумбы, М., 1975.

17. Кашпар Л.Н., Валыхин Г.А., Нзамуйе Исса. Изучение механизма воздействия напорной струи на рыхлый массив в процессе его подрезки. Сб."Геология и разработка месторождений полезных ископаемых". УДН им.П.Луцумбы, М., 1972.

18. Каипар Л.Н. Способы и средства перемещения забойного оборудования гидромеханизации. Сб."Разработка месторождений полезных ископаемых". УДН им.П.Ду!^умбы, М., 1980.

19. Кашпар Л.Н. Проблемы применения гидромеханизации на карьерах Курской Магнитной Аномалии. Сб."Разработка технологии и механизации добычи полезных ископаемых применительно к условиям развивающихся стран". УДН им.П.Лумумбы, М., 19В4.

20. Кашпар Л.Н. Концентрация и интенсификация вскрышных работ с использованием срадста гидромеханизации. Сб."Разработка технологии и механизации добычи полезных ископаемых применительно к условиям раэвивашихся стран". УДН км.П.Лумумбы, М., 1985.

21. Кашпар Л.Н., Удайя Гамини, Каинар Сингх. О влиянии высоты уступа на дальность транспортирования по капитальной траншее в условиях Шри-Ланки и Индии. Сб.депонированных рукописей! ЦНШТЭУголь, М., 19Ш.

Каипар Л.Н. Ёыемочно-погрузочные работы драглайном с погрузкой на транспорт. УДН им.П.Луцумбы, М., 1989..

23. Кашпар Л.Н. Технология разработки пород экскаватором-драглайном при их последующем транспортировании. Сб."Совершенствование гидромеханизации открытых горных работ". ЦНШТЭУголь, М., 1966.

24. Кашпар Л.Н. Определение диаметра магистрального водовода при гидротранспортировании от экскаватора. "Гидравлическая добыча угля", » 2. ВДШТЭУголь, М., 196?.

ИОСКр/ЗС ¿1/1} г()рШИ шгсТнТчТ'

Заказ !ЛёЗ Объем/Л/.^ Тираж /РО Типография МИСиС, ул.Орджоникидзе, 6/9