Наиболее вероятные структуры рассматриваются по их технико-экономическим показателям. Технико-экономическая оценка структуры должны производится по всему производственному циклу при рациональном качественном сочетании и численным соотношении машин для выполнения основных и вспомогательных работ в реальных условиях разрабатываемого месторождения.
Глава 4 ПОДГОТОВКА ГОРНЫХ РАБОТ К ВЫЕМКЕ
4.1 Общие сведения
Горные породы, слагающие месторождения полезных ископаемых, разделяются на коренные (магматические, метаморфические и осадочные), залегающие в толще земной коры по месту своего образования, и наносы (переотложенные или перенесенные измельченные породы), покрывающие коренные породы. Горные породы могут находиться в естественном (нетронутый массив) или искусственно измененном (посредством взрыва, механическим или химическим способом и др.) состоянии. 11ри разработке горные породы подвергаются различного рода воздействиям (удару, сдвигу, уплотнению, перемещению и др.), в результате чего изменяется их состояние.
К физико-техническим характеристикам горных пород, характеризующих их как объект открытой разработки, относятся плотность, пористость, влажность, сопротивление различным усилиям, абразивность, вязкость, хрупкость, устойчивость, увеличение объема при разрушении и др. При воздействии на нетронутый массив пород горному инженеру необходимо знать свойства пород в их естественном состоянии. Для выполнения других процессов (погрузка, перемещение, складирование, дробление и др.) необходимо знать свойства искусственно измененных пород в их естественном состоянии, от способа воздействия на них и от стадии разработки.
Свойства горных пород изменяются в большом диапазоне, поэтому породы принято объединять в группы, категории и классы с определенным диапазоном свойств, обусловливающих условия их разработки. При открытой разработке все горные породы разделяются на следующие группы: неразрешенные, скальные и полускальные (в естественном состоянии), разрушенные (искусственно или естественно измененные), скальные и полускальные, плотные, мягкие (связные) и сыпучие. В зависимости от группы пород используются различные способы их разработки и технические средства.
К скальным относятся породы, характеризующиеся пределом прочности при одноосном сжатии в куске в насыщенном водой состоянии (до 3-5 %) более 50 МПа. Сюда относятся большинство пород изверженных и метаморфических (кварциты, граниты, базальты, габбро и др.), а также некоторые осадочные (прочные известняки, песчаники, песчанистые сланцы, кремнистые конгломераты и др.).
К полускальным относятся породы, характеризующиеся пределом прочности при одноосном сжатии в куске в насыщенном водой состоянии в интервале 20-50 МПа. Сюда относятся породы изверженные выветренные, метаморфические и коренные осадочные (глинистые и песчано-глинистые сланцы, глинистые и известковистые песчаники, руды гематитовые, мергели, известняк-ракушечник, аргиллиты, алевролиты, гипс, каменная соль, каменные и прочные бурые угли и др.).
Для погрузки и перемещения скальных и полускальных пород обычными техническими средствами необходимо их предварительное разрушение взрывным или механическим способом.
Разрушенные породы характеризуются степенью связности и кусковатостью.
Связность отражает характер связей между кусками породы. Она зависит от степени разрыхления породы, ее кусковатости и характеризуется сцеплением kз (связи природного характера), зацеплением к3 (связи механического характера разрушения) и углом внутреннего трения пород р. Степень разрыхления пород характеризуется коэффициентом разрыхления kр , равным отношению объема разрыхленной породы к объему, занимаемому в массиве.
По степени связности разрушенные породы делятся на три категории.
Сыпучие разрушенные породы (kр = 1,4/1,65), характеризующиеся наличием многочисленных воздушных промежутков между кусками (возможно зажатие отдельных кусков и зацепление между ними). Они склонны к осыпанию и образованию четко выраженных откосов.
Связно-сыпучие разрушения породы (kр =1,2/1,3) характеризующиеся наличием небольших воздушных промежутков (пустот) между отдельными блоками и кусками (куски зажаты между собой и между ними сохраняется зацепление и сцепление по нарушенным природным трещинам в кусках). Насыпь таких пород не имеет четко выраженных откосов.
Связно-разрушенные породы (kр = 1,03/1,05), представленные не полностью разделенными между собой отдельностями. Естественная трещеноватость массива при этом увеличивается, но сохраняется и значительной степени сцепление между блоками. Насыпь имеет круткой откос.
Кусковатость разрушенных пород с достаточной степенью точности может быть оценена по среднему размеру кусков dср. По кусковатости разрушенные породы подразделяются на пять категорий.
Очень мелко разрушенные породы с dср <= 10 см (размер наиболее крупных кусков 40-60 см).
Мелко разрушенные породы с dср =15/25 см (размер наиболее крупных кусков 60-100 см).
Среднеразрушенные породы с dср = 25/35 см (размер наиболее крупных кусков 100-140 см).
Крупноразрушенные породы с dср = 40/60 см (размер наиболее крупных кусков до 150-200 см).
Весьма крупноразрушенные породы с dср = 70/90 см (размер наиболее крупных кусков 250-300 см).
Взорванные породы могут быть связными, связно-сыпучими и сыпучими в зависимости от условий взрывания и местонахождения после нарыва. Куски, имеющие размер больше допустимого по технологическим условия м разработки, называются негабаритными. Негабаритные куски принадлежат дополнительному дроблению.
Плотные породы характеризуются пределом прочности на одноосное сжатие в интервале 5-20 МПа. Сюда относятся твердые глины, мел, бурые и каменные угли средней плотности и др. Они способны сохранять! в массиве откосы под углом 60 - 70° при высоте уступов 10-20м. Их можно! разрабатывать горными машинами без предварительного рыхления при! усилиях копания > 0,3—0,4 МПа.
Мягкие породы имеют предел прочности на одноосное сжатие в интервале 1-5 МПа и представлены песчаными глинами, суглинками, супесями, мягкими углями и др. Они разрабатываются без предварительного рыхления выемочными машинами при усилиях копания 0,2-1 0,3 МПа и способны сохранять откосы под углом 50—60° при высоте ] уступов 7-15м.
Сыпучие породы представлены однородными песками, угол откоса | которых в насыпях не превышает угла внутреннего трения = 19-^37°. I Они разрабатываются при усилиях копания 0,03-0,05 МПа.
Сопротивление горных пород разрушению акад. В.В. Ржевский предлагает оценивать показателем трудности разрушения породы, определяемым по формуле
Пр =5*10 -8 (Qсж +Qсдв +Qрас ) kтр + 5*10-1 *y,
где: kтр – коэффициент, учитывающий трещеноватость пород ;
y – плотность пород в естественном состоянии, г/см3 ;
Qсж, Qсдв, Qрас – предел прочности пород соответсвенно сжатию, сдвигу, растяжению, Па.
По трудности разрушения породы разделяются на пять классов.
Каждый класс включает пять категорий.
I класс – полускальные, плотные и связные мягкие породы с 1-й по 5-ю категорию (Пр = 1/5).
II класс – легкоразрушаемые скальные породы с 6-й по 10-ю категорию (Пр = 5,1/10).
III класс – скальные породы средней трудности разрушения с 11-й по 15-ю категорию (Пр = 10,1/15).
IV класс – трудноразрушаемые скальные породы с 16-й по 20-ю категорию (Пр = 15,1/20).
V класс – весьма трудноразрушаемые скальные породы с 21-й по 25-ю категорию (Пр = 20,1/25).
Редко встречающиеся породы с показателем Пр > 25 относятся к внекатегорным.
4.2 Способы подготовки горных пород к выемке
Подготовка горных пород к выемке осуществляется с целью создания технической возможности и наилучших условий для выполнения последующих процессов выемки и погрузки горной массы, транспортирования, отвалообразования и переработки. В зависимости от типа и состояния пород подготовка их к выемке может в основном осуществляться следующими способами: предохранением от промерзания, оттаиванием мерзлых пород, гидравлическим ослаблением или разупрочнением, механическим или взрывным рыхлением.
Предохранение пород от промерзания вызвано тем, что при отрицательных температурах их возможно или нерационально разрабатывать без предварительного рыхления. Расчеты показывают, что удельные усилия копания при промерзании пород на глубину до 2 м увеличиваются для мягких пород в 5-5,5 раза, для бурых углей в 3-3,5 раза. Крепость промерзших пород соответствует крепости полускальных! пород. По данным практики, карьерные мехлопаты с ковшом вместимостью 4м3 могут разрабатывать без предварительного рыхления слой мерзлой породы мощностью 0,5-0,6м. Бульдозерами, скреперами и цепными многоковшовыми экскаваторами в большинстве случаев невозможно или нерационально разрабатывать мерзлые породы без предварительного рыхления. Для предохранения пород от промерзания применяются вспышка, рыхление, боронование и утепление (теплоизоляционными материалами поверхностного слоя, создается снеговой или искусственный воздушный покров, устраиваются специальные навесы и тепляки). Вспашка, рыхление и боронование значительно уменьшают теплопроводность поверхностного слоя пород благодаря образованию в нем пустот, заполненных воздухом. Вспашка и рыхление, производятся специальными плугами и разрыхлителями на глубину 40-50 см, а боронование – на глубину до 20 см. Снегозадержание осуществляется путем образование снежных валов или установки снегозадерживающих щитов. В качестве теплоизоляционных материалов для предохранения поверхностного слоя от промерзания используются мох, опилки, минеральная вата. Устройство навесов и тепляков практикуют на карьерах по добыче глин и керамических заводов.
Оттаивание пород осуществляется паром, водой, глубинным или поверхностным электрообогревом, поверхностным пожогом и др. При глубинном электрообогреве электроды размещаются в шампурах, пробуренных на глубину промерзания на расстоянии 0,5-0,7 м друг от друга. Электрическая цепь замыкается по талой породе и ее оттаивание осуществляется снизу вверх. Расход электроэнергии на оттаивание 1 м 3 породы составляет 8-10 кВтч. При поверхностном электрообогреве электроды в виде полс или металлических сеток располагаются на поверхности оттаиваемого участка. Питание осуществляется от высококачественного генератора.
При оттаивании паром применяются стальные трубы внутренним диаметром 19-22 мм и длиной 1,5-3 м, которые помещаются в шпуры (расстояние между шпурами 2-2,5м) или забиваются в породу по мере ее оттаивания. Продолжительность оттаивания 4-6 ч при расходе пара 24-27 кг на оттаивание 1м3 породы. Аналогично осуществляется оттаивание холодной и горячей водой. Оттаивание водой и паром (гидрооттаивантие и пароотаивание) широко применяется при разработке многолетнемерзлых пород.
Сущность оттаивания поверхностным пожогом заключается в сжигании слоя угля, торфа или дров на поверхности мерзлых пород. Примерный расход топлива на оттаивание 1м породы составляет 30-60 кг угля, 120-140 кг торфа и 0,14-0,17 м дров. Поверхностный пожог используется при оттаивании небольших объемов глины.
Гидравлические способы подготовки пород к выемке основаны на свойствах пород пропускать воду и растворы. При этом ослабление прочности пород при просачивании воды проявляется в снижении сил сцепления отдельных частиц и вымывании скрепляющего их цемента. Гидравлическое разупрочнение используется при разработке плотных глин способом гидромеханизации.
Механическое рыхление пород, осуществляется специальными рыхлителями (см. раздел 2.13).
Сущность взрывного рыхления состоит в отделении пород от массива и дроблении их до заданной крупности. Взрывное рыхление нашло широкое применение при подготовке полускальных пород к выемке. Оно является практически единственным способом при подготовке скальных пород к выемке на карьерах.
Глава 5 ВЫЕОЧНО-ПОГРУЗОЧНЫЕ РАБОТЫ
5.1 Общие сведения
Выемочно-погрузочные работы заключаются в выемке горной массы из забоя и погрузке ее в средства транспорта или перемещении в отвал. В качестве выемочно-погрузочного оборудования на карьерах используются экскавационные машины цикличного и непрерывного действия (рис. 5.1.). В машинах цикличного действия (одноковшовые экскаваторы, погрузчики, колесные скреперы, бульдозеры и др.) рабочий орган состоит только из одного ковша или режущего элемента(лемех бульдозер), периодически выполняющего функции выемки и перемещения горной массы. В машинах непрерывного действия (многоковшовые цепные и роторные экскаваторы и др.) ковши (черпаки) перемещаются по замкнутой траектории и создают непрерывный поток груза. Забой представляет собой торец, откос или площадку уступа. По структуре пород забои могут быть однородными (пористыми) и разнородными (сложными). В однородных забоях горные породы имеют одинаковые свойства, а в разнородных – различные (вскрышные породы с различными свойствами, вскрышные породы и полезное ископаемое, полезное ископаемое разных сортов). Разработка простых забоев осуществляется валовым (сплошным) способом. В сложных забоях выемка полезного ископаемого и вскрыши или полезное ископаемого различных сортов осуществляется раздельно (селективно).
В зависимости от взаимного расположения забоя и горизонта установки выемочно-погрузочной машины различают выемку верхним, нижним и смешанным (верхним и нижним) черпанием. Аналогично различают и погрузку нижнюю, верхнюю и смешанную (рис.5.2.).
Рисунок 5.1 - схемы выемочно-погрузочных машин:
а- прямая мехлопата; б – обратная мехлопата; в – драглайн; г- грейфер; д – цепной многоковшовый экскаватор; е – роторный экскаватор; ж – колесный скрепер; з – бульдозер; и – шнекоуборочная машина; к – погрузчик.
Рисунок 5.2 - Схемы работы экскаватора:
а – с верхнем черпанием и нижней погрузкой; б – с верхним черпанием и верхней погрузкой; в – с верхнем и нижним черпанием и верхней и нижней погрузкой.
Техническая возможность и экономическая целесообразность использования на карьерах различного выемочно-погрузочного оборудования зависит от крепости пород, условий залегания полезного ископаемого, требуемой производительности одной машины и карьера в целом, виды механизации смежных процессов (подготовка пород к выемке и транспортирование горной массы), климатических условий, способа выемки (валовой или селективной) и о других факторов.
5.2 Выемка погрузка экскаватором
Для выемочно-погрузочных работ на карьерах наибольшее применение получили экскаваторы. Черпание горной массы, ее перемещение к месту разгрузке, разгрузка и поворот к месту очередного черпания осуществляется одноковшовым экскаватором последовательно. В совокупности эти операции составляют рабочий цикл экскаватора. Многоковшовыми экскаваторами эти операции выполняются одновременно. Поэтому одноковшовые экскаваторы являются машинами цикличного действия, а многоковшовые – машинами непрерывного действия.
Как одноковшовые, так и многоковшовые экскаваторы состоят из рабочего, механического, ходового и силового оборудования, рамы, кузова и механизмов управления.
По признаку конструктивной связи ковша со стрелой различают одноковшовые экскаваторы с жесткой связью (прямая мехлопата, обратная мехлопата, гидравлический экскаватор) и одноковшовые экскаваторы с гибкой связью (драглайн, грейфер).
Многоковшовые экскаваторы разделяются на цепные (с ковшами, укрепленными на бесконечные цепи), скребково-ковшовыми со скребковым рабочим органом и ковшовой цепью для черпания горной массы и перемещения ее к месту разгрузке, фрезерно-ковшовые с фрезерным рабочим органом и ковшовой цепью, роторные, у которых рабочим органом является роторное колесо с ковшами для черпания горной массы.
По типу ходового оборудования одноковшовые экскаваторы разделяются на гусеничные, пневмоколесные, шагающие, плавучие, а многоковшовые – на гусеничной, шагающе-рельсовые, рельсо-гусеничные и на железнодорожном ходу.
В зависимости от силового оборудования как одноковшовые, так и многоковшовые экскаваторы бывают электрические, дизель-электрические и дизель-гидравлические. На карьерах в основном применяются электрические экскаваторы.
Прямые мехлопаты, благодаря жесткой связи стрелы с ковшом, развивают большие усилия черпания (до 3500 Н/см) и характеризуются большой прочностью рабочего оборудования. Они выпускаются различных типоразмеров с ковшовой вместимостью 0,25-0,35 м3 (и более) и применяются при разработке мягких и разрыхленных полускальных и скальных пород. По объемам выполнения работ на карьерах прямые мехлопаты занимают доминирующее положение. Применяются они как при погрузке пород в транспортные средства, так и при перевалке пород в выработанное пространство. Основной недостаток мехлопат – прерывность (цикличность) рабочего процесса. На экскавацию (черпание) затрачивают только 20-30% времени цикла. В последнее время как на зарубежных, так и на отечественных карьерах получают применение гидравлические экскаваторы, имеющие определенные преимущества перед механическими лопатами.
Драглайны благодаря гибкой подвески рабочего органа, обеспечивают перемещение горной массы на большее расстояние, чем мехлопаты. Однако они развивают меньшие усилия черпания, чем мехлопаты. На карьерах драглайны используются в основном для выемке и перевалки в выработанное пространство мягких и разрыхленных полускальных пород. Более мощные драглайны с ковшом вместимостью 10 м3 и более применяются для разработки хорошо разрыхленных скальных пород. Драглайны используются также для возведения насыпей, проведения траншей, канав, зачистки полезных ископаемых и выполнения других работ. Небольшие и средние драглайны с ковшом вместимостью < 10 м3 иногда используется для погрузки горной массы в транспортные средства.
Цепные многоковшовые экскаваторы используются для выемки мягких и плотных пород в условиях мягкого климата. Непрерывность выемки и безударность разгрузки позволяют применять их в комплексе с ленточными конвейерами и облегченными вагонами (с более низким коэффициентом тары). Удельная производительность цепных многоковшовых экскаваторов (на 1т их массы) на 25-30% выше, чем у одноковшовых экскаваторов. Недостатком многоковшовых экскаваторов является большой износ направляющих устройств и черепковой цепи. При этом увеличивается энергоемкость экскавации. К недостаткам следует отнести и небольшие усилия черпания (до 600Н/см).
Роторные экскаваторы по сравнению с цепными обеспечивают снижение массы экскаваторы на единицу производительности примерно в 1,2-1,4 раза за счет разделения функций выемки и транспортирования горной массы к месту разгрузки. Большие усилия черпания (до 1800Н/см) позволяют экскавировать плотные и мерзлые горные породы и угли. Роторные экскаваторы эффективно используются для раздельной выемки. Процесс экскавации роторного экскаватора более легко подается автоматизации.
5.2.1 Технологические параметры мехлопат и драглайнов
В зависимости от назначения и конструктивных особенностей одноковшовые экскаваторы разделяются на пять типов: экскаваторы строительные гусеничные и пневмоколесные с ковшом вместимостью 0,1 d 2,5 м (тип ЭС), экскаваторы карьерно-строителъные гусеничные с ковшом вместимостью 1,25-8 м (тип ЭКСГ), экскаваторы карьерные гусеничные с ковшом вместимостью 2-20 м (тип ЭКГ), экскаватора вскрышные гусеничные с ковшом вместимостью 4-100 м (тип ЭВГ) N шагающие драглайны с ковшом вместимостью 4-120 м (тип ЭШ).
Строительные экскаваторы характеризуются универсальностью оборудования и большой маневренностью. Они оборудованы дизельным или дизель-электрическим приводом и имеют гусеничный или пневмоколесный ход. Используются преимущественно на земляных работах I строительстве. На открытых разработках строительные экскаваторы применяются на небольших карьерах по добыче глины, песка, гравия и других строительных горных пород (производительность до 2 млн. м горной массы в год). На крупных карьерах их иногда используют, при раздельной выемки полезного ископаемого и вскрышных пород или полезного ископаемогоразличных сортов, а также для вспомогательных работ.
Экскаваторы карьерно-строительного типа являются промежуточными между строительными и карьерными. Они в основном найдут применение при выполнении больших объемов земляных работ в строительстве.
Карьерные экскаваторы являются основным одноковшовым погрузочным оборудованием на открытых разработках. Они имеют рабочее оборудование прямой мехлопаты с ковшом вместимостью 2-20 м, гусеничный ход, многомоторный электрический привод. Карьерные экскаваторы изготовляются из высокопрочных материалов, обеспечивающих их надежную работу в любых климатических условиях при разработке тяжелых скальных пород.
У
29-04-2015, 00:50