ВВЕДЕНИЕ
В системе горнодобывающего предприятия карьерному транспорту принадлежит особая роль. Он является не только наиболее сложным и трудоёмким звеном технологического процесса разработки месторождений открытым способом, но и в значительной степени определяет условия работы других звеньев и предприятия в целом [1].
Технологическое звено, во многом определяющее эффективность горных работ, – карьерный транспорт. Перемещение горной массы – наиболее трудоёмкий, энергоёмкий и дорогой технологический процесс. Капитальные затраты на транспорт составляют более 60-65% всех затрат на строительство карьеров.
На глубоких карьерах перед карьерным транспортом возникают задачи сохранения достаточно высокой производительности и поддержания темпа углубления горных работ, сокращение длины транспортных коммуникаций, обеспечения необходимой экономичности разработки. Как правило, соблюдение этих условий достигается только при последовательном использовании нескольких видов транспорта в единой транспортной сети, т.е. комбинацией транспорта. При комбинированном использовании каждый вид транспорта работает в наиболее удобных и выгодных для него условиях. В связи с этим особое значение приобретают выбор карьерного транспорта, оценка его основных параметров и технико-экономических показателей [2].
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ
На многих карьерах, как Украины, так и других зарубежных стран из-за усложнения с глубиной горно-геологических и горно-технических условий применяются несколько видов транспорта, что позволяет ускорить подготовку месторождения к эксплуатации, интенсифицировать добычные и вскрышные работы, получить наибольший технико-экономический эффект. Этим вопросом приковано внимание как отечественных, так и зарубежных научных деятелей: С.Г. Молотилов; Е.И. Васильев; О.Б. Кортелев [2]; Шешко Е.Е. [3]; Астафьев Ю.П.; Полищук Г.К. [4]; Буткевич Г.Р. [5]; Юдин А.В. [6] и др.
Горнотехнические условия разработки месторождений полезного ископаемого в ближайшие годы будут характеризоваться дальнейшим увеличением глубины карьера и расстояний транспортирования, ростом доли крепких скальных пород и руд в общем объёме горной массы, что будет приводить к повышению себестоимости продукции и уменьшению её конкурентоспособности. Ввиду этого возникает необходимость существенных корректив в подходах к решению проблем развития горного дела открытым способом.
Внедрение комбинированного транспорта обеспечивает уменьшение затрат на топливо, сокращение персонала, рост в ряде случаев производительности, улучшение условий работы людей в карьере и охраны окружающей среды при сохранении гибкости системы, базирующиеся на использовании самосвалов. При комбинированном использовании каждый вид транспорта работает в наиболее удобных и выгодных для него условиях.
Наиболее полное использование всех преимуществ комбинированного транспорта может быть достигнуто при правильном обосновании области его применения и обеспечение рациональных условий работы автотранспорта, зависящих от числа, места расположения в карьерном пространстве и шага переноса перегрузочных пунктов.
ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ
Цель – разработка рациональной схемы транспортирования полезного ископаемого в условия карьера «Восточный» Новотроицкого рудоуправления с применением конвейера специального типа.
Для достижения указанной цели поставлены следующие основные задачи:
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ
Практическая ценность данной работы состоит в повышении эффективности транспортной системы карьера, которая заключается в:
ОБЗОР И АНАЛИЗ ЛИТЕРАТУРЫ
Основными факторами, определяющими развитие карьерного транспорта, являются систематически ухудшающиеся горно-геологические и горно-технические условия разработки. Известно, что развитие открытого способа разработки сопровождается ростом концентрации производства, увеличением глубины и пространственных размеров карьеров, расстояния и сложности транспортирования горной массы. Определяющим при этом является показатель глубины карьеров.
Основным видом технологического транспорта при добыче полезных ископаемых открытым способом остается автомобильный. Он используется для перевозки примерно 80% всей горной массы во всем мире, в т.ч. в США и Канаде – 85%, в Южной Америке – 85%, в Австралии – почти 100%, в Южной Африке – более 90%. В России и странах СНГ удельный вес карьерного автотранспорта с учетом всех подотраслей горно-добывающей промышленности приблизился к 75% и в ближайшей перспективе будет расти за счет расширения открытого способа добычи угля.
Объемы транспортирования горной массы с использованием конвейерного транспорта на предприятиях Канады, США, Австралии, Чили и других стран в настоящее время составляют до 50% от общего объема добычи минерального сырья. Эффективность применения конвейерного транспорта доказана многочисленными научными и проектными разработками и, отчасти, опытом эксплуатации на карьерах России, Украины, Узбекистана. Вместе с тем, доля конвейерного транспорта не превышает 10% в общих объемах перевозки скальной горной массы на карьерах стран СНГ. Проблема заключается в различии технологических подходов.
В технологических схемах с открытым размещением конвейеров стационарные и передвижные дробильно-перегрузочные комплексы примыкают непосредственно к стационарным конвейерным подъемникам, что требует дополнительного разноса борта карьера или оставления постоянных целиков под площадки для их размещения. Разнос бортов карьера увеличивает объем вскрыши, в целиках пород теряется часть полезного ископаемого, что снижает конкурентоспособность конвейерного транспорта. И все же основной тенденцией для отработки глубоких горизонтов карьеров с применением конвейерного транспорта является переход от стационарных дробильно-перегрузочных пунктов к передвижным дробильно-перегрузочным комплексам, за счет мобильности которых обеспечивается приближение конвейерного транспорта к интенсивно развивающейся рабочей зоне карьера путем оперативного переноса блоков комплексов по мере углубления горных работ.
Другим важным направлением повышения эффективности и конкурентоспособности конвейерного транспорта является использование крутонаклонных конвейеров. В ИГД УрО РАН выполнен большой объем исследований по обоснованию сфер рационального применения таких конвейерных подъемников, а также разработке их оптимальной конструкции [7].
Основной проблемой, возникающей при увеличении угла наклона, является способ удержания груза на несущем органе конвейера, т.к. при увеличении угла свыше “критического” сила трения груза о несущий орган становится меньше продольной составляющей веса груза, который начинает скользить вниз.
Как показывают расчеты, более высокая стоимость крутонаклонных конвейеров по сравнению с конвейерами обычной конструкции быстро окупается за счет высоких технико-экономических показателей.
Сравнение крутонаклонного конвейера с конвейером обычного типа показывает, что вес последнего в 3-4 раза больше, что обуславливает большую стоимость его изготовления и большие габариты по длине.
Крутонаклонные конвейеры используются в угольной и горнорудной промышленности, на предприятиях строительной и огнеупорной промышленности, на зерновых складах и в пищевой промышленности. Эти конвейеры широко используются при совмещении транспортирования с различными технологическими операциями.
Существует большое разнообразие конструкций крутонаклонных конвейеров. При их создании главным вопросом является вопрос удержания транспортируемого груза на ленте. По этому признаку все конструкции крутонаклонных конвейеров можно разделить на несколько основных групп:
Заслуживает внимания развитие представлений о стратегии формирования транспортных систем карьеров. Существующая основная концептуальная схема формирования транспортных систем глубоких карьеров сформулирована член-корр. Яковлевым В. Л. и заключается в одновременном применении нескольких видов транспорта, их комбинаций и переходе от одних схем транспортирования к другим. При этом области эффективного применения различных видов транспорта вполне определенно зонированы для различных горно-технических условий, в частности, по высоте подъема, расстоянию транспортирования горной массы и т. п. Эти зоны, хотя и отличаются по высоте для различных групп карьеров, имеют определенные границы, что позволяет говорить о предпочтительных условиях применения различных видов и схем транспорта в глубоких карьерах. Это, в свою очередь, определяет момент перехода на другой вид транспорта или применение комбинации отдельного вида транспорта [7].
Поиск возможных резервов ресурсосбережения должен учитывать специфику действующих карьеров и вновь осваиваемых месторождений, а также технико-экономические показатели при совершенствовании существующих и разработке принципиально новых технологий и оборудования с целью интенсификации процессов добычи полезных ископаемых [2].
Ленточный конвейер представляет собой сложную техническую систему, состоящую из ряда механических и электромеханических устройств, которые, в свою очередь, включают в себя множество узлов и деталей.
При исследовании надёжности ленточного конвейера необходимо совместно рассматривать структуры двух различных уровней: уровня надёжностных процессов и уровня системы производственной и технической эксплуатации [9].
РАЗРАБОТКИ ПО ТЕМЕ
В первые годы отработки карьера по утвержденной схеме, когда дальность доставки известняка автотранспортом к перегрузочной площадке была относительно небольшая, это решение было прогрессивным, экономически целесообразным по сравнению с другими рассмотренными проектными решениями.
С углублением горных работ на карьере, расстояние транспортировки известняка автосамосвалами на перегрузочную площадку увеличивается, при этом значительно растут расходы дизтоплива и трудоемкость работ.
На основании выполненного анализа теоретических работ и изучения существующей схемы транспорта на карьере можно выделить следующие недостатки её эксплуатации:
Развитие открытого способа разработки сопровождается ростом концентрации производства, увеличением глубины и пространственных размеров карьера, расстоянию и сложности транспортировки горной массы.
Наиболее важный определяющий критерий при оценке открытой добычи – это себестоимость транспортировки. Однако в переходный период рыночной экономики она сильно зависит от факторов, значительная часть из которых является конъюнктурной. К ним относятся, например, цены на нефть и электроэнергию, уровень средней заработной платы и другие. В связи с этим на теперешнем этапе этот показатель не следует абсолютизировать. В этом значении производительность обслуживающего персонала является существенной характеристикой.
При обосновании применения различных видов транспорта доминирующим является стремление к уменьшению транспортных расходов в карьере. При этом следует принимать во внимание также другие технические и технологические параметры. Исследованиями установлено, что рациональная сфера того или другого вида транспорта может быть ограничена в зависимости от двух основных факторов: производительности выемочно-погрузочного комплекса и расстояния транспортировки.
Кроме того, при общей оценке необходимо принять во внимание некоторые качественные характеристики: категория и условия труда во время эксплуатации данного вида карьерного транспорта, необходимая квалификация обслуживающего персонала, степень агрессивного действия на окружающую среду в виде шума и отходов, возможность обслуживания других потребителей транспорта и другое.
Из рис.1 видно, что при ограниченной производительности рационально применение автотранспорта даже на большие расстояния; при достаточно большой производительности карьера конвейерный транспорт оказывается выгодный даже при малых расстояниях перевозок [10].
Капитальные расходы на автомобильно-конвейерный транспорт выше, чем на автомобильный, но несколько ниже, чем на автомобильно-железнодорожный, и сравнительно с последним погашаются в более короткий срок.
Рисунок 1 – Области применения различных видов транспорта в зависимости от производительности карьера А и расстояния транспортирования: 1 – железнодорожный транспорт; 2 – автотранспорт; 3 – конвейерный транспорт; 4 – канатные линии
Таким образом, с учетом горнотехнических и горногеологических условий карьера, доставку горной массы предлагается осуществлять по следующей схеме: с нижних горизонтов до бортов карьера – автотранспортом; с бортов карьера на поверхность – конвейерным транспортом.
Исследование зависимости параметров крутонаклонного ленточного конвейера от величины угла его наклона
Одним из прогрессивных направлений в области совершенствования машин непрерывного транспорта и расширения области их применения является разработка и внедрение в различных отраслях промышленности новых конструкций крутонаклонных конвейеров [11].
Это можно объяснить тем, что использование крутонаклонных конвейеров дает значительную экономию средств за счет уменьшения длины конвейера, снижения объема подготовительных и капитальных работ, а также уменьшения эксплуатационных расходов по сравнению с транспортированием груза на ту же высоту при помощи конвейеров обычной конструкции.
Основной проблемой, возникающей при увеличении угла наклона, является способ удержания груза на несущем органе конвейера, т.к. при увеличении угла свыше “критического” сила трения груза о несущий орган становится меньше продольной составляющей веса груза, который начинает скользить вниз [8].
Одним из основных вопросов при определении производительности крутонаклонного конвейера является нахождение оптимальных параметров грузонесущего органа, обеспечивающего максимальный объём «порции» груза перед подпорным элементом и, таким образом, максимальную производительность, т/ч:
 |
(1) |
где v – скорость движения грузонесущей ленты, м/с;
q – погонная масса груза, кг/м.
(2)
где V – объём груза перед подпорным элементом, м3;
l – расстояние между подпорными элементами, м;
γ – насыпная плотность, т/м3.
Угол наклона подпорных элементов к плоскости грузонесущей ленты целесообразно принимать равным 900, т. к. увеличение его приводит к снижению производительности конвейера [12].
Установим зависимости параметров крутонаклонного ленточного конвейера от угла его наклона, реализовав следующие задачи:
Произведём расчёт высоты сложенной и несъёмной перегородки (рис.2) для ленты с шириной В=1200 мм при углах лотковости ленты α1=200; α2=300; α3=400 соответственно на примере крутонаклонного ленточного конвейера, мм:
| a1=(d-100)*sin α=(360-100)*sin 200=89 | |
| a2=(d-100)*sin α=(360-100)*sin 300=130 | (3) |
| a3=(d-100)*sin α=(360-100)*sin 400=167 |
где d – длина наклонной части ленты, мм
По ниже приведенным формулам [11;13] определяем объём и длину груза, который удерживается одной перегородкой (рис.3;4) при разных углах наклона установки и углах лотковости ленты. Полученные результаты внесём в таблицу 1 и построим по ним зависимости: V=f(β), h=f(β) (рис.5).
 |
(4) |
 |
(5) |
где β – угол наклона конвейерной установки, град;
φ – угол естественного откоса, град;
h – длина расположения груза на ленте, которая удерживается одной перегородкой, м;
V – объём груза, который удерживается одной перегородкой, м3;
b=480, с=199мм – геометрические размеры перегородки для ленты с шириной В=1200 мм.
Рисунок 2 – Схема перегородки: а) в рабочем состоянии; б) в нерабочем состоянии; в) толщина перегородки (данное изображение анимировано, технические данные: 2 кадра; 5 повторений)
Рисунок 3 – Расположение груза на ленте с перегородкой
Рисунок 4 – Участок ленты с перегородкой и массой груза
Таблица 1 – Результаты расчёта объёма и длины груза, который удерживается одной перегородкой
По формулам (1), (2) рассчитываем погонную массу груза и производительность ленточного крутонаклонного конвейера при разных углах его наклона и углах лотковости ленты, ссылаясь на результаты таблица 1. Полученные данные внесём в таблицу 2 и построим зависимости – Q=f(β) при разных углах лотковости ленты (рис.6).
Для расчётов принимаем расстояние между перегородками l=1 м, насыпную плотность γ=1500 кг/м3. В случае α3=400, β=250 полученный результат не отвечает заданным условиям (h>l, где l=1), поэтому в этом случае необходимо увеличить расстояние между подпорными элементами.
Рисунок 5 – Изменение объёма (а) и длины (б) груза от угла наклона конвейера при разных углах лотковости ленты.
Таблица 2 – Зависимость погонной массы груза и производительности крутонаклонного ленточного конвейера от угла его наклона
Рисунок 6 – Изменение производительности конвейера от угла его наклона при разных углах лотковости ленты (данное изображение анимировано, 4 кадра; 5 повторений)
ВЫВОДЫ
Исходя из поставленных задач можно сделать такие выводы:
ПЕРСПЕКТИВЫ ДАЛЬНЕЙШИХ ИССЛЕДОВАНИЙ
В дальнейшем внимание будет сосредоточено на получение полной модели надёжности крутонаклонного конвейера, а также системной модели надёжности всей транспортной системы карьера.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ