Обоснование способа повышения производительности и расширение области применения бульдозерно-рыхлительного агрегата при разработке карбонатных месторождений

Актуальность работы. Разработка карбонатных месторождений, например, известняков, доломитов и их разновидностей в основном ведется с применением буровзрывных работ. По ряду причин, таких как, присутствие на балансовых запасах охранных зон от сейсмических воздействий взрывной волны или полезная залежь представлена прослойками пустых пород, необходимо внедрять безвзрывные технологии подготовки скальных горных пород к экскавации. Безвзрывные технологии позволяют отработать балансовые запасы без потерь качества полезного ископаемого. Существуют два альтернативных варианта безвзрывных технологий. Первый вариант — включение в добычной комплекс фрезерного комбайна. Второй вариант — включение в технологический комплекс горных работ бульдозерно-рыхлительного агрегата (БРА).

Фрезерный комбайн требует фронт добычных работ значительной протяженности. Для этого нужно иметь существенные опережения фронта вскрышных работ и приемные возможности отвального хозяйства. Многим горным предприятиям выдержать такое положение не под силу — по причине сезонности (нестабильности) спроса на производимое ими строительное сырье. Закарстованные карьерные поля также накладывают дополнительное ограничение на внедрение фрезерных комбайнов.

Разработка месторождений карбонатных пород с использованием мобильных комплексов оборудования, включающих БРА, является * перспективным направлением механизации горных работ в карьерах, разрабатывающих массивы карбонатных пород. Основные достоинства БРАвозможность работы при небольшой протяженности фронта добычных работмобильностьвозможность работы на наклонной поверхности забоярегулирование фракционного состава полезной массы в широком диапазоне.

Несмотря на достоинства БРА, имеются и недостатки: область применения ограничивается прочностными особенностями карбонатного массива (до 60 МПа) — по производительности добычные работы с применением БРА уступают результатам буровзрывных работдля эффективной работы БРА базовая мощность трактора должна быть не менее 500 л.с. Однако, практика показала, что даже при такой мощности трактора БРА не возможно ее реализовать в максимальное тяговое усилие — по причине пробуксовки гусениц. Устранение этих недостатков является актуальной проблемой на современном этапе развития безвзрывного способа подготовки карбонатного массива к экскавации.

Поэтому повышение производительности БРА и расширение области его применения (породы прочностью более 60 МПа) при подготовке карбонатного массива к экскавации является актуальной проблемой на современном этапе развития горного дела.

Целью работы является установление новых и уточнение существующих закономерностей влияния на работу бульдозерно-рыхлительного агрегата способа подготовки поверхности забоя к рыхлению для повышения производительности и расширения области его применения при подготовке карбонатного массива к экскавации.

Идея работы заключается в том, что повышение производительности бульдозерно-рыхлительного агрегата и расширение области его применения при подготовке карбонатного массива к экскавации, обеспечивается реализацией максимального тягового усилия.

Основные научные положения, сформулированные в работе, состоят в следующем:

— повышение производительности БРА достигается путем увеличения коэффициента сцепления гусениц трактора с поверхностью забоя, что позволяет обеспечить максимальное тяговое усилие;

— на величину коэффициента сцепления влияют технологические параметры, оценивающие поверхность забоя, при этом управлять коэффициентом сцепления можно за счет мощности подготовительного технологического слоя из карбонатного материала, фракционного состава 20−120 мм;

— эффективность использования БРА на базе трактора с паспортной мощностью менее 500 л. с. достигается за счет установления по природным слоям карбонатных пород шага глубины рыхления и увеличения тяговых усилий трактора за счет достижения максимального сцепления гусениц с поверхностью забоя, путем создания из природных слоев мощностью 100−300 мм подготовительного технологического слоя.

Научная новизна работы заключается в следующем:

— получена зависимость значений коэффициента сцепления гусениц БРА от мощности подготовительного технологического слоя из карбонатного материала забоя при заданных значениях природного фракционного состава, позволяющая обосновывать мощность базового трактора, шаг глубины рыхления карбонатного массива при максимально достигаемом тяговом усилии БРА;

— усовершенствован алгоритм расчета мощности базового трактора в зависимости от технологических параметров, характеризующих поверхность забоя;

— установлено, что для рыхления массива карбонатных пород прочностью 6080 МПа можно применять БРА на базе трактора с паспортной мощностью менее 500 л. с. (в нормах технологического проектирования мощность базового трактора рекомендована не менее 500 л.с.). Максимальное тяговое усилие БРА достигается путем увеличения коэффициента сцепления гусениц трактора с поверхностью забоя. Увеличение коэффициента сцепления достигается за счет создания из карбонатного материала забоя подготовительного технологического слоя мощностью не менее 120 мм.

Метод исследований — комплексный, включающий научный анализ и обобщение практического опыта использования способов и средств подготовки горных пород к экскавациирезультаты ранее выполненных работ по механическому способу подготовки горных пород к экскавациивычислительный и опытно-промышленный экспериментыанализ и обработку экспериментальных данных с применением методов теории вероятностей и математической статистики.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов подтверяадаются корректной постановкой задач исследования, обоснованным использованием классических методов математической статистики и современных. достижений вычислительной техникисогласованностью результатов теоретических, экспериментальных исследований с положениями в рамках теории безраспорной и распорной зернистой средыэкспериментальными исследованиями в производственных условиях и сходимостью экспериментальных результатов с результатами, полученными теоретически (расхождение не превышает 14%).

Практическое значение работы заключается в разработке методических рекомендаций по проектированию технологических паспортов эффективной работы БРА при разработке карбонатного массива, путем достижения максимального тягового усилия трактора за счет максимального коэффициента сцепления траков гусениц с поверхностью забоя. Максимальный коэффициент сцепления гусениц БРА достигается за счет формирования после вскрышных работ на поверхности забоя, путем проходов рыхлителя по природным контактам напластований в интервале 100−300 мм. После создания на поверхности забоя первого подготовительного слоя следует основная технологическая операция по рыхлению. Шаг рыхления устанавливается по естественным контактам напластований с учетом мощности подготовительного слоя. После рыхления следует технологическая операция по штабелированию разрыхленной массы с учетом остатка последующего подготовительного слоя мощностью не менее 300 мм. Мощность каждого последующего подготовительного слоя устанавливается с учетом техногенного гранулометрического состава. Оценка техногенного гранулометрического состава производится с учетом природного гранулометрического состава слоя, подвергнутого рыхлению и последующему дроблению отдельностей слоя гусеницами БРА.

Усовершенствованная технология, основанная на природных особенностях карбонатного массива и конструкции траков гусениц ходовой части базового трактора БРА, позволяет расширить область применения БРА с прочностью пород до 80 МПаповысить производительность БРАсохранить прочностные свойства материаласнизить нагрузку на окружающую среду за счет уменьшения количества источников пылеобразования в карьереувеличить промышленные запасы месторождения за счет исключения потерь в охранных целиках вблизи природных и техногенных объектов, где действие взрыва не допустимо.

Реализация работы. Результаты исследований использованы при разработке рекомендаций по повышению производительности БРА на карбонатных карьерах Тульской, Калужской и Самарской областей, используются в учебном процессе Тульского государственного университета, приняты проектной организацией ООО «ГЕОТИМ-ПРОЕКТ» к внедрению в проектные работы.

Апробация работы. Основные результаты работы в период выполнения докладывались и обсуждались на российских и международных конференциях, симпозиумах, совещаниях и семинарах: на научных семинарах кафедры ГиСПС ТулГУ (г. Тула, 2010;2012 гг.), Международной конференции Геомеханики и механики подземных сооружений (ТулГУ), 2-ой международной заочной научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Современные проблемы освоения недр» (Белгород, 2012 г.), 8-ой Международной конференции по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики «Социально-экономические и энергетические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики» (Тула, 2012)".

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 научных работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав и заключения, изложенных на 141 страницах машинописного текстасодержит 49 рисунков, 19 таблиц и список литературы из 73 наименований.

Основные выводы, научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1.По результатам анализа технологий подготовки карбонатного массива к экскавации с помощью БРА установлено, что производительность рыхлителя, при прочих равных условиях, зависит от скорости перемещения агрегата по забою. Скорость перемещения БРА зависит от трещиноватости, гипсометрии поверхности забоя, степени его увлажнения и содержания на его поверхности глинистого материала. Трещиноватая поверхность с ровной гипсометрией без присутствия по забою зон с глинистыми породами позволяет иметь рыхлителю более высокую производительность по сравнению с невыдержанной гипсометрией, малой трещиноватостыо забоя и глинистыми включениями. Основная причина этого заключается в пробуксовке гусениц базового трактора из-за малого коэффициента сцепления траков гусениц с поверхностью забоя;

2. Обоснован способ достижений максимальных тяговых усилий БРА при заданной мощности базового трактора, за счет увеличения коэффициента сцепления гусениц трактора с поверхностью забоя. Способ реализуется путем создания на поверхности забоя подготовительного технологического слоя пород мощностью не менее 120 мм;

3. Получена зависимость значений коэффициента сцепления гусениц БРА от мощности подготовительного технологического слоя при заданных значениях природного фракционного состава, позволяющая обосновывать мощность базового трактора, шаг глубины рыхления карбонатного массива при максимально достигаемом тяговом усилии БРА;

4. Получена зависимость рабочей скорости БРА от мощности подготовительного технологического слоя при заданных значениях природного фракционного состава, позволяющая обосновывать мощность базового трактора, шаг глубины рыхления карбонатного массива при максимально достигаемом тяговом усилии БРА;

5. Получена зависимость производительности БРА от скорости рыхления при заданной мощности подготовительного технологического слоя и его фракционного состава, позволяющая обосновывать мощность базового трактора, шаг глубины рыхления карбонатного массива при максимально достигаемом тяговом усилии БРА;

6. Усовершенствован алгоритм расчета мощности базового трактора в зависимости от горно-геологических технологических параметров забоя;

7. Экспериментально установлено, что предварительная подготовка забоя позволяет применять БРА с мощностью базового трактора менее 500 л.с. (в нормах технологического проектирования карьеров рекомендуется БРА не менее 500 л. е.);

8. Теоретически и экспериментально установлено, что для производительной работы БРА шаг глубины рыхления необходимо настраивать по природным контактам слоев мощностью 100−300 мм. В случае, если природные слои имеют мощность более 300 мм, то шаг рыхления выбирается по резкостным границам отдельностей, слагающих слой;

9. Разработан технологический паспорт рыхления карбонатных пород, который позволяет расширить область применения БРА за счет рыхления пород до 80 МПа по природным послойным контактам породного массива и их укладкой в штабель с оставлением на поверхности забоя подготовительного технологического слоя, мощностью не менее 120 мм, для обеспечения эффективного сцепления гусениц трактора с поверхностью забоя.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

На основании выполненных теоретических и экспериментальных исследований установлены новые и уточнены существующие закономерности влияния мощности и фракционного состава подготовительного технологического слоя карбонатных пород забоя на скорость рыхления, тяговые усилия и коэффициент сцепления гусениц БРА с забоем, позволяющих обосновывать мощность базового трактора, шаг глубины рыхления карбонатного массив с учетом природного фракционного состава карбонатного массива, что имеет важное значение для горной промышленности России.