автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.03, диссертация на тему:Прогнозирование производительности драглайнов при экскавации скальных пород и эффективности их применения для разработки крутопадающих месторождений

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1. Опыт применения драглайнов при разработке скальных пород.

1.2. Анализ теоретических исследований по использованию драглайнов на скальных породах

1.3. Выводы и задачи исследований

2. ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ НА ПРОИЗВОДИТЕЛЫОСТЬ ДРАГЛАЙНОВ ПРИ РАЗРАБОТКЕ СКАЛЬНЫХ ПОРОД.

2.1. Установление закономерностей формирования продолжительности рабочего цикла драглайнов.

2.2. Имитационная модель процесса разработки забоя драглайном

2.3. Результаты исследования влияния условий эксплуатации на производительность драглайнов ЭШ-10/70 и ЭШ-15/90 при экскавации скальных пород.

2.4. Выводы.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ФОРМИРОВАНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ДРАГЛАЙНОВ НА СКАЛЬНЫХ ПОРОДАХ ПРИ ТРАНСП0Р1Н0Й СИСТЕМЕ РАЗРАБОТКИ.

3.1. Вероятностно-статистический анализ простоев драглайнов

3.2. Методика прогнозирования коэффициента использования выемочно-погрузочного оборудования.

3.3. Имитационная модель формирования коэффициента использования экскаваторов за определенный период эксплуатации

3.3.1. Обоснование построения и формализация модели

3.3.2. Разработка моделирующего алгоритма и проверка его адекватности реальному процессу формирования коэффициента использования.

3.4. Исследование формирования коэффициентов использования драглайнов при помощи имитационной модели.

3.5. Прогнозирование эксплуатационной производительности драглайнов ЭШ-Ю/70 и ЭШ-15/90 на скальных породах.ЮЗ

3.6. Выводы.

4. АНАЛИЗ И ФОРМАЛИЗАЦИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ ЭКСКАВАЦИИ СКАЛЬНЫХ ПОРОД ДРАГЛАЙНАМИ.

4.1. Исследование взаимосвязи параметров забоя и рабочего оборудования драглайнов при транспортной системе разработки .НО

4.2. Схемы экскавации скальных пород драглайнами при транспортной системе разработки.

4.3. Схемы совместной работы экскаваторов типа прямая лопата и драглайн на один транспортный горизонт

4.4. Выводы.

5. УСТАНОВЛЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ДРАГЛАЙНОВ НА СКАЛЬНЫХ ПОРОДАХ ПРИ РАЗРАБОТКЕ КРУТОПАДАЩИХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

5.Х. Обоснование и разработка методики определения рациональных параметров забоя драглайна

5.1.1. Исследование факторов, влияющих на выбор оптимальных параметров забоя драглайна.

5.1.2. Разработка методики решения задачи определения рациональных параметров экскаваторного забоя при экскавации скальных пород драглайнами.

5.2. Результаты исследований эффективности применения драглайнов на скальных породах в условиях карьера МГОКа.

В В Е Д Е Н И Е Решениями ХХУ1 съезда КПСС предусмотрено "...переоснащение карьеров горно-обогатительншс комбинатов высокоэффективной техникой, ...создание и внедрение прогрессивной технологии, обеспечивающих рост производительности труда и снижение себестоимости продукции". Увеличение мощности и параметров современных карьеров привело в последние годы к увеличению количества рабочих горизонтов и насыщению рабочих зон карьеров техникой, существенноцу росту объемов трудоемких вспомогательных и отставанию вскрышных работ. Для повышения эффективности углубочной системы разработки необходимо увеличить ее параметры путем применения новой высокопроизводительной техники. Опыт ведения открытых горных работ в нашей стране и за рубежом показал, что при выемке и погрузке скальной горной массы в средства транспорта наряду с мехлопатами могут эффективно использоваться драглайны. Их рабочие параметры обеспечат увеличение высоты уступа, угла откоса рабочего борта, а применение на скальных породах угольных разрезов подтвердило высокие эксплуатационные и технические возможности. Вместе с тем в настоящее время в отечественной горнодобывающей промышленности при углубочной системе разработки крутопадающих месторождений технологические схемы экскавации скальных пород драглайнами не применяют и при проектировании не рассматривают. Причинами являются недостаточная изученность технологии использования драглайнов в этих условиях, отсутствие методики определения рациональных схем экскавации и параметров забоя драглайнов, рекомендаций по применению драглайнов на скальных породах в "Нормах технологического проектирования горнодобывающих предприятий черной металлургии". В этой связи исследования технологии применения драглайнов при экскавации скальных пород и разработка рекомендаций по их использованию в железорудных карьерах является актуальной научной и практической задачей. В связи с вышеизложенным целью диссертационной работы является совершенствование технологии разработки крутопадающих месторождений за счет использования драглайнов на скальных породах. Для достижения поставленной цели в работе выдвинута идея: с помощью имитационного моделирования исследовать влияние условий эксплуатации на производительность драглайнов и эффективность их использования при выемке и погрузке скальных пород в средства транспорта. В диссертации защищаются следующие научные положения: 1. Повышение эффективности разработки крутопадающих месторождений достигается применением драглайнов на выемке и погрузке скальной горной массы за счет увеличения угла откоса рабочего борта карьера, уменьшения объема трудоемких вспомогательных работ и снижения затрат на транспортирование горной массы. 2. Учет влияния на производительность драглайнов не только кусковатости скальной горной массы и углов поворота, но и высоты забоя, вида и типа применяемого выемочно-погрузочного и транспортного оборудования, а также вероятностных характеристик их использования позволяет с помощью имитационного моделирования прогнозировать значения эксплуатационной производительности с точностью до 8 при доверительной вероятности 0,95. 3. С увеличением высоты забоя драглайна от 10 м до максимально возможной продолжительность его рабочего цикла увеличивается, что снижает значение производительности до 10-1Ь%, В работе над диссертацией были использованы отдельные положения и рекомендации, содержащиеся в трудах ак. АН СССР Ржевского В.В., Мельникова Н.В., докт. техн. наук Домбровского Н.Г., Ганицкого в.и., Белякова Ю.И., Арсентьева А.И., Репина Н.Я., Новожилова М.Г., Мельникова Н.Н., Хохрякова B.C., Сатовского Б.й., Симкина Б.А., Тоыакова П.И., канд. техн. наук Бевза Н.Д., Советова Г.А., Шекуна О.Г., Авдеева В.И., Гущина В.П., Ташкинова А С Лосицкого В.В., Дриженко А.Ю., Глушкова А.Н. и других. Диссертационная работа выполнена на кафедре "Управление производственными процессами и эргономика" Криворожского ордена Трудового Красного Знамени горнорудного института под руководством проф., докт. техн. наук Астафьева Ю.П., которому за оказанную помощь и поддержку автор выражает глубокую признательность. Огромную благодарность автор вьфажает также канд, техн. наук Максимчуку А.Г., Давидковичу А С Полищуку Г.К., Бевзу Н.Д. и Глушкову А.Н. за полезные замечания и совета в ходе работы над диссертацией. Основные положения диссертации и результаты исследований докладывались и обсуждались на ежегодных научно-технических конференциях Криворожского горнорудного института (I979-I984 гг.), научно-техническом совещании "Пути совершенствования технологии открытых горных работ на карьерах" (г. Кафан I98I г.), на семинарах "Дцентификация и управление технологическими процессами и объектами в горнометаллургической промыпшенности" научного совета АН УССР по проблеме "Кибернетика", на технических совещаниях Михайловского ГОКа, проектных институтах "ГИПРОРУДА", "Центрогипроруда", "Кривбасспроект".I. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ЙССВДОВАНИЙ I.I. Опыт применения драглайнов при разработке скальных пород В отечественной горнодобывающей промышленности массовое вне> дрение экскаваторов-драглайнов для разработки скальных пород происходило в начале шестидесятых годов на угольных месторождениях комбинатов Дьвостокуголь, 1Улауголь, 1збасскарьеруголь, Кемеровоугодь и т.д. Так, на Черемховском месторождении с 1955 г. для перевалки скальных пород, представленных песчаниками крепостью 6...10, использовался экскаватор ЭШ-20/65, Высота уступа 14 м, система разработки бестранспортная 2 С первых же лет развития разреза "Красногорский** на удалении скальной вскрыши, представленной крепкими песчаниками, аргиллитами, алевролитами с коэффициентом крепости 4...8, по бестранспортной системе разработки применялись вначале драглайны ЭШ-4/40, а затем более мощные ЭШ-6/60 и ЭШ-10/60. В настоящее время там работают экскаваторы ЭШ-10/70 и ЭШ-15/90 (рис. I.I). Значительный опыт эксплуатации драглайнов ЭШ-10/70 и ЭШ-15/90 на скальных породах по бестранспортной системе накоплен на карьерах "Сиргала" и "Вивиконд". 1фепость разрабатываемых пород -f 6... 12, высота уступа б м 2 Широко известен опыт работы драглайнов ЭШ-10/70, ЭШ-15/90 на разрезах "Черногорский" (п/о Дальвостокутоль), "Междуреченский", "Тоцусинский" (п/о "Кемеровоуголь") и многих других, В настоящее время только на разрезах объединений Дальвостокуголь и Тулауголь использование драглайнов на вскрышных работах составляет около 98J6. Согласно схем экск£шации, применяемых на многих угольных разрезах при бестранспортной системе разработки, драглайны распоРис. I.I Разработка скальной вскрыши драглайнами ЭШ-10/70(а) и ЭШ-15/90(б) на разрезе "Красногорский механизмом, несмотря на то, что его рабочий цикл более замедленен, чем у мехлопат и с ростом емкости ковша изготовление и эксплуатация драглайнов более экономичны, чем экскаваторов типа иехлопата. Исходя из этого, проектирование и изготовление механических лопат с емкостью ковша 57-152 м® в настоящее время в США прекращено /13/. В отечественной горнодобывающей промышленности значительный интерес представляет опыт использования драглайнов с ковшом емкостью б м® и 14 м на Сарбайском карьере ССГОКа 1 5 16 В первоначальный момент (1964-65 г.г.) погрузка экскаватором ЭШ-б/60 скальной горной массы в железнодорожный транспорт носила лишь эпизодический характер. Основная работа драглайнов заключалась в зачистке рудного тела и скальных пород. Объем погрузки на железнодорожный транспорт не превышал 25% от объема общих работ драглайнов. С июня 1967 г. на руднике для отработки скальных забоев стали применять драглайны ЭШ-14/55 в сочетании с железнодорожным транспортом (думпкары ВС-85 и BC-IOO). Высота отрабатываемого уступа 20-28 м при ширине заходки 50-70 м. Производительность драглайна ЭШ-14/55 достигла 188 тыс.м® в месяц. В аналогичных условиях производительность экскаватора ЭКГ-8 составила 91 тыс.м®. Опыт применения драглайнов на скальных породах в условиях Сарбайского карьера позволил выявить некоторые их преимущества перед мехлопатами. 1. Железнодорожные пути и экскаватор при нарезке нового горизонта находятся на практически осушенном уступе. 2. В 6-8 раз увеличился съем породы на I пог. м железнодорожного пути, что привело к значительному сокращению трудоемких путепереукладочных работ. 3. Расположение железнодорожных путей на кровле отрабатываемого уступа сокращает дальность транспортирования, 4. Увеличиваются параметры системы разработки.Внедрение драглайнов на Сарбайском карьере позволило получить годовой экономический эффект в размере 540 тыс. рублей. Шагащке экскаваторы-драглайны хорошо зарекомендовали себя и на экскавации плотных и мягких вскрышных пород при транспортной системе разработки. Примерами мо1ут служить Михайловский и Стойленский ГОКи. Здесь драглайны отгружают глинистые породы в автои железнодорожный транспорт. И хотя разрабатываемые породы характеризуются низкой несущей способностью и обводненностью, драглайны пок€1зали высокую эксплуатационную производительность. Так, на Михайловском карьере среднегодовая производительность драглайнов ЭШ-10/50 в сочетании с автомобильным и железнодорожным транспортом составляет 1600 тыс. м® (рис. 1.2) 17 хотя некоторые экскаваторы показали годовую производительность, превышающую 2 млн. м®. Например, экскаватор ЭШ-10/50 59 в 1976 г. достиг годовой производительности 2423200 м®, 5 в 1977 г. 2003900 м. Имеется некоторый опыт применения драглайнов в сочетании с автотранспортом в условиях Раздольского серного месторождения 1 8 19 Камышбурунского железорудного комбината 20 и некоторых других предприятий 2, 3 Эффективно используются драглайны и при строительстве глубоких карьеров 21 Таким образом, опыт зарубежной и отечественной практики открытых горных работ свидетельствует о возможности эффективного использования драглайнов для разработки скальных пород. Наиболее конструктивно подготовленными для этих работ из отечественных драглайнов являются ЭШ-10/70А и ЭШ-15/90. Ряд совершенств и увеличение мощности приводов позволили им достичь лучших эксплуатационных характеристик в сравнении с предшествующими им ЭШ-10/60 и ЭШ-14/75. При эксплуатации на скальной горной массе драглайны показали высокую техническую надежность, обеспечив производительную работу. Значения среднегодовой производительности драглайнов, Рис. 1.2. Экскавация вскрышных пород на Михайловском ГОКе с помощью драглайнов ЭШ-.10/70

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе дано новое решение актуальной научной задачи прогнозирования эксплуатационной производительности драглайнов на скальных породах и определения эффективности их применения при углубочной системе разработки крутопадающих месторождений. Новое решение заключается в установлении зависимостей продолжительности рабочего цикла драглайна от условий его эксплуатации и разработке на этой основе методики прогнозирования эксплуатационной производительности с учетом вероятностной характеристики коэффициента использования; в установлении зависимостей экономических показателей системы разработки от параметров забоя драглайна; в разработке методики определения рациональной схемы экскавации драглайнов и параметров забоя.

Основные научные и практические выводы диссертационной работы состоят в следующем:

1. Эксплуатационную производительность драглайнов при выемке и погрузке пород в средства транспорта необходимо прогнозировать с учетом комплексного влияния высоты забоя, ширины заходки, кусковатости горной массы, параметров транспортного сосуда, места установки его под погрузку и вероятностных характеристик простоев экскаватора. Это позволяет получить результаты прогнозирования с точностью до 8% при доверительной вероятности 0,95.

2. С увеличением высоты забоя в пределах от 10 м до максимально возможной производительность драглайнов снижается до 10-15%.

3. Использование драглайнов на крепких скальных породах

16.20) снизит показатели надежности экскаваторов по сравнению с таковыми на скальных породах крепостью f = 8.I2. Однако их значения остаются еще достаточно высокими. Так, математическое ожидание коэффициента готовности драглайна ЭШ-10/70 в условиях разработки крепких пород МГОКа составляет 0,919, а коэффициента простоя - 0,081.

4. Оптимальная кусковатость скальной горной массы для выемки и погрузки ее драглайнами в транспортные сосуды должна соответствовать диаметру среднего куска 0,25 м - для ЭШ-10/70, 0,35 м - для ЭШ-15/90.

5. Применение драглайнов позволяет в 3.5 раз сократить объемы трудоемких вспомогательных работ в карьере, тем самым способствуя повышению производительности труда.

6. Способность драглайнов отрабатывать уступ ниже уровня стояния позволяет применять схемы совместной работы экскаваторов типа ЭКГ и ЭШ на один транспортный горизонт. Такие схемы обеспечивают увеличение угла откоса борта карьера за счет увеличения высоты уступа, снижения объема трудоемких вспомогательных работ, сокращения в 1,5-2 раза протяженности транспортных коммуникаций.

7. Применение в карьере Михайловского ГОКа схемы совместной работы экскаваторов ЭШ-10/70 и ЭКГ-8И при рациональных параметрах забоя драглайна позволяет получить годовой экономический эффект 1,66 млн. руб. за счет снижения коэффициента вскрыши в первоначальные периоды эксплуатации при увеличении угла рабочего борта карьера; уменьшения в 4-5 раз затрат на трудоемкие вспомогательные работы; и на 15-20% затрат на транспортирование горной массы.

Рекомендации, разработанные в результате исследований производительности драглайнов на скальных породах, продолжительности рабочего цикла и требований к кусковатости скальной горной массы, включены в "Нормы технологического проектирования горнодобывающих предприятий черной металлургии", издаваемые Государственным институтом по проектированию предприятий черной металлургии "ГИПРОРУДА.".

1. Виноградов B.C. Пути повышения эффективности работ горных предприятий черной металлургии СССР. Горный журнал, 1978,

2. Ржевский В.В. Процессы открытых горных работ, м., "Недра", 1974.

3. Ржевский В.В. Технология, механизация и автоматизация процессов на карьерах. М., "Недра", 1966.

4. Кривошеев Г.В. и др. Пути совершенствования ковшей мощных драглайнов. Известия вузов. Горный журнал, 1973, № II.

5. Беляков Ю.И., Владимиров В.М. Совершенствование экскаваторных работ в карьерах. М., "Недра", 1974.

6. Скобелев М.С. Исследование и разработка ковшей мощных драглайнов для работы во взорванных скальных грунтах. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Свердловск, 1974.

7. Головин B.C., Скобелев Л.С. Испытание ковшей мощных драглайнов при работе во взорванных скальных породах.

8. Известия вузов. Горный л^урнал. 1973, № 12.

9. Нубачек В.Р., Рутковская И.И. Исследование работы и нагружения опорных рам шагающих экскаваторов при использовании их на скальном грунте. Отчет по НИР. Свердловский горный институт,

10. Домбровский Н.Г. Экскаваторы. М., Машиностроение, 1969.

11. Иванов А.В. Определение динамических нагрузок при отрыве ковша драглайна. Известия вузов. Горный журнал, 1978, № 2.

12. Буль Ю.Я. и др. Одноковшовые экскаваторы НКЗМ. М., "Недра", 1978.1. I.1969.

13. Дриженко А.Ю., Куценко В.И. К вопросу эффективного применения драглайнов при отработке высоких уступов. Днепропетровск, ДГИ, 1974.

14. Белл Д.Е., Даниэле Дж. X. Два примера изучения работы железорудных карьеров. Открытые горные работы. Сб. докладов на горном конгрессе. М., 1967.

15. Калашников А.Т., Кулинич В.Б. Погрузка скальных пород экскаваторами ЭШ-14/55. Горный журнал, 1974, № 4.

16. Шакиров А.Ш. Разработка скальных пород драглайнами при погрузке на железнодорожный транспорт. Труды ИГД АН КазССР, 1973, 53, с. 29-33.

17. Потапов А.И., Вайман С.З. Совершенствование технологии вскрышных работ на породах с низкой несущей способностью.

18. Горный журнал, 1977, № 3, с. 27-29.

19. Иванников И.А. и др. Мощные драглайны на экскавации мягких и скальных пород. "Уголь Украины", 1966, № 3, с. 27-28.

20. Мустафина A.M. и др. Строительство глубоких карьеров. Алма-Ата, 1977.

21. Топчиев А.В. и др. Надежность горных машин и комплексов. М., "Недра", 1968.

22. Кох П.И. Надежность одноковшовых экскаваторов. М., "Машиностроение", 1966.

23. Конаков Б.С. Уточненная методика определения продолжительности цикла экскаваторов. Известия вузов. Горный журнал, 1973, № 5.

24. Репин Н.Я. и др. Производительность драглайнов при разработке скальных пород. Известия вузов. Горный журнал, 1974, № 8.

25. Балаховский М.С., Готонин Н.Е. и др. Влияние подготовки взорванного забоя на производительность шагающего драглайна ЭШ-15/90. Сб. научных трудов МИСИ, 1974, № 120.

26. Щадов Н.И., Б|урлицкий Б.А. и др. Определение оптимальной кусковатости горной массы для драглайнов ЭШ-15/90. "Уголь", 1976, № 9.

27. Теория и практика открытых работ. Под общей редакцией акад. Мельникова Н.В. "Недра", М., 1973.

28. Гущин В.П. и др. Рациональное дробление горных пород при разработке их драглайнами. М., ЩИЭИуголь, 1974.

29. Хохряков B.C. и др. Применение драглайнов для разработки скальных пород в условиях вытянутых крупных карьеров.

30. Известия вузов. Горный журнал, 1978, № 7.

31. Мельников Н.Н. Метод выбора параметров драглайнов и технология их нового применения на открытых разработках. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. Свердловск.

32. Лосицкий В.В., Коротаев Г.В. Новая технология разработки железистых кварцитов КМА с применением мощных шагающих драглайнов. Сб. "Совершенствование технологии открытой разработки железорудных местороящений ША". М., "Наука", 1964.

33. Конаков Б.С. Математическое описание процесса разгона груженного ковша драглайна. Известия вузов. Горный журнал, 1973, № 7.

34. Ткаченко В.Я. Определение границы зоны раскачивания ковша драглайна. Известия вузов. Горный лурнал, 1978, № 9.

35. Шенон Р. Имитационное моделирование систем искусство и наука. М., "Мир", 1978.

36. Астафьев Ю.П. Теоретические основы моделирования системы карьер и управление запасами руды с учетом надежности оборудования. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. Кривой Рог, КГРИ, 1971.

37. Ганицкий В.И. Организация производства на карьерах. М., "Недра", 1983.

38. Ганицкий В.И. Управление производством на карьерах. М., МГИ, 1981.40. тендеров А.И. и др. Надежность и производительность комплексов горнотранспортного оборудования. М., "Недра", 1976.

39. Смирнов Н.В., Дунин-Барковский И.В. Курс теории вероятностей и математической статистики для технических приложений.1. М., "Наука", 1969.

40. Максимчук А.Г. и др. Исследование возможности технологического совершенствования горных работ в карьере МГОКа П-й очереди строительства с применением шагающих экскаваторов. Кривой Рог, КГРИ, отчет НИР, Ш9 .

41. Потапов В.Д., Призов А.Д. Имитационное моделирование производственных процессов в горной промышленности.1. М., "Высшая школа", 1981.

42. Половко A.M. Основы теории надежности. М., "Наука", 1964.

43. Вагнер Г. Основы исследования операций. Т. I, 2, 3. М., "Мир", 1972.

44. Свешников А.А. Основы теории ошибок. Изд-во ЛГУ, 1972.

45. Рыжов П.А. Математическая статистика в горном деле. М., 1973.

46. Арсентьев А.И. Определение производительности и границ карьеров. М., "Недра", 1970.

47. Методика определения экономической эффективности использования в народном хозяйстве новой техники, изобретений и рационализаторских предложений. М., 1977.

48. Осмоловский В.В^ и др. Организация производства и планирование на горнорудных предприятиях. М., "Недра", 1975.

49. Единые правила безопасности при разработке месторождений полезных ископаемых открытым способом.

50. Нормы технологического проектирования горнодобывающих предприятий черной металлургии. Ленинград, ГИПРОРУДА, 1978.

51. Единые нормы выработки и времени при разработке месторождений открытым способом. М., "Экскавация", 1977.