Повышение эффективности выемочно-погрузочных работ с использованием карьерных гидравлических экскаваторов нового поколения

Актуальность работы. Проектом «Энергетическая стратегии развития ТЭКа на период до 2020 года» предусматривается увеличение объема добычи угля в России до 420 млн. т в год. Даже если предположить, что этот показатель подвергнется некоторой корректировке, очевидна необходимость увеличения объемов производства в отечественной угольной промышленности не менее чем в 1,6 раза. При этом на долю подземного способа разработки угольных месторождений отводится менее трети суммарных объемов добычи. Следовательно, только опережающие темпы развития открытой угледобычи способны обеспечить требуемый базис развития ключевых отраслей реформируемой экономики страны.

Достижение требуемых объемов добычи угля открытым способом предопределяет необходимость обновления и пополнения карьерного фонда отрасли, коренного технико-технологического перевооружения процессов горного производства. При этом долевое участие технологий, предусматривающих применение одноковшовых карьерных экскаваторов, в планируемой перспективе сохранится практически неизменным и оценивается примерно в 65%.

В настоящее время парк такой выемочно-погрузочной техники, насчитывающий около 1000 ед., практически полностью представлен механическими лопатами типа ЭКГ. Из них примерно 60% - экскаваторы с.

3 3 ковшами емкостью до 6 м и немногим более трети — до 15 м. Этот парк морально устаревших горных машин, исчерпавших более чем на 60% нормативный срок службы, нуждается в замене на действующих угольных разрезах, где перманентно происходит усложнение горнотехнической обстановки, обусловленное, главным образом, увеличением глубины Б рабочей зоны, вовлечением в отработку сложноструктурных участков месторождений.

Сообразно планируемому наращиванию объемов горного производства, с учетом фактического состояния эксплуатируемого парка одноковшовых карьерных экскаваторов в ближайшие 3−5 лет в практике действующих угольных разрезов должна быть освоена выемочно-погрузочная техника нового поколения, способная производить отработку уступов высотой до 15 м, представленных, как правило, крепкими литотипами, с забойной производительностью превышающей на 22^-25% уровень, обеспечиваемый при использовании традиционных мехлопат. При этом внедряемая в производство новая выемочно-погрузочная техника должна обеспечивать не только сокращение текущих эксплуатационных издержек, но и осуществлять полное и качественное извлечение минерального сырья при отработке нарушенных и маломощных угольных пластов на большинстве ранее не эксплуатировавшихся, ввиду сложности горнотехнической обстановки, участков действующих угольных разрезов.

Систематизация и обобщение опыта, накопленного в мировой практике создания и применения карьерных одноковшовых экскаваторов, позволяет полагать, что одним из приоритетных направлений при реализации актуальной научно-производственной задачи повышения эффективности выемочно-погрузочных работ и осуществления селективной отработки сложноструктурных породно-угольных массивов является перевооружение эксплуатируемого парка морально устаревших и технически изношенных мехлопат с ковшами емкостью до 15 м на основе карьерных экскаваторов с силовым объемным гидроприводом рабочего оборудования.

Цель работы заключается в повышении результирующих техникоэкономических показателей выемочно-погрузочных работ за счет внедрения в практику экскавационной техники нового поколения, обеспечивающей в сложной горнотехнической обстановке интенсификацию производства на действующих угольных разрезах с цикличной технологией отработки породно-угольных массивов, представленных преимущественно крепкими вмещающими литотипами.

Идея работы заключается в том, что адекватное состояние параметров системы экскаватор-забой обеспечивает эффективность выемочно-погрузочных работ. Расширение диапазона технологических возможностей и повышение энергосилового ресурса вновь осваиваемой экскавационной техники позволяет на действующих угольных разрезах повысить производительность выемочно-погрузочных работ, минимизировать задалживаемые материально-сырьевые ресурсы, сократить эксплуатационные издержки и обеспечить полноту и качество выемки минерального сырья за счет снижения разубоживания, осуществления селективной отработки сложноструктурных и маломощных угольных пластов.

Достижение поставленной цели исследования определяет необходимость решения следующих основных задач: разработка инженерного метода определения прочностных и структурных характеристик подлежащего отработке породно-угольного массива во взаимосвязи с предпочтительной конструктивно-компоновочной схемой карьерного гидравлического экскаватора, обеспечивающей требуемую энерговооруженность его рабочего процесса при отработке горного массива с конкретными прочностными и структурными характеристикамиразработка инженерных методов определения рациональных параметров карьерных гидравлических экскаваторов нового типа во взаимосвязи с технологическими параметрами отрабатываемых забоевустановление эксплуатационных показателей применения экскаваторов нового поколения в характерных условиях действующих угольных разрезовразработка и оценка эффективности технологических приемов при безвзрывной селективной отработке маломощных угольных пластовобоснование целесообразности создания карьерных гидравлических экскаваторов нового поколения с ковшами емкостью 6, 10 о и 15 м для перевооружения парка мехлопат типа ЭКГ, эксплуатируемого на отечественных угольных разрезах.

Методы исследований, обеспечивающие реализацию поставленных задач, включают: систематизацию и обобщение данныхвычислительный и натурный экспериментыаналитический метод с использованием элементов теорий вероятности, математической статистики и механики горных породтехнико-экономического анализа.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Повышение в среднем на 12% производительности и минимизация эксплуатационных издержек при производстве выемочно-погрузочных работ на действующих угольных разрезах достижимы при использовании карьерных гидравлических экскаваторов нового поколения «ЬВ-М», рабочая масса которых почти в 2,5 раза ниже при соизмеримой с мехлопатами емкостью ковшей.

2. Применение карьерных гидравлических экскаваторов «ЬВ-М» с несколько меньшими линейными характеристиками взамен морально устаревших и технически изношенных мехлопат типа ЭКГ на действующих угольных разрезах не требует изменения сложившихся параметров систем разработки, что обеспечивается проведением управляемого обрушения взорванных горных пород в забоях, высота которых может быть увеличена. примерно на 20% по сравнению с кинематически возможной высотой копания экскаваторов типа «ЬВ-М».

3. При неизменной суммарной рабочей массе обновление примерно 20% парка одноковшовых карьерных экскаваторов на действующих угольных разрезах за счет машин типа «ЬВ-М» с ковшами емкостью от 6 до 15 м позволит примерно на 12% увеличить протяженность фронта для списочного экскаватора и тем самым почти на 10% повысить степень использования выемочно-погрузочной техники по расчетной производительности.

4. Применение экскаваторов нового поколения «ЬВ-М», которые при соизмеримой с мехлопатами емкостью ковшей обладают повышенным в среднем в 1,65 раза энергосиловым ресурсом, позволяет почти в 2 раза расширить область применения безвзрывных технологий и позволяет эффективно осуществлять селективную отработку породно-угольных массивов с прочностью вмещающих пород до 40 МПа, обеспечивая, даже в наиболее неблагоприятном режиме их экскавации со стороны лежащего бока, минимизацию (не более 5%) потерь ископаемого минерального сырья при условии уменьшения его разубоживания неизбежного в традиционных технологиях при использовании мехлопат типа ЭКГ.

Личный вклад соискателя в результаты проведенных исследований заключается: в разработке руководящей идеи достижения адекватного состояния энергосилового потенциала выемочно-погрузочной машины и прочностных характеристик экскавируемого массивав проведении вычислительного экспериментав анализе результатов решения частной задачи оптимизации параметров процесса экскавации и в разработке рекомендаций при обосновании требуемого энергосилового ресурса вновь создаваемой экскавационной техникив подготовке и проведении натурных исследований рабочего процесса функциональных аналогов экскаваторов «ЬВ-М" — в определении расчетных эксплуатационных показателей машин нового типа в характерных условиях действующих угольных разрезовв определении расчетных взаимосвязей параметров экскаваторов типа «ЬВ-М» и отрабатываемых забоев в условиях проведения управляемого обрушения взорванной горной массыв проведении расчетов по обоснованию целесообразности и технико-экономической эффективности создания экскаваторов нового типа.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечиваются: корректным применением фундаментальных положений теории и практики открытых горных разработок, методов механико-математического моделированияпредставительным объемом вычислительных экспериментов, проведенных по надежно апробированным методикамсходимостью результатов, полученных в аналитических исследованиях с данными, установленными эмпирическим путемположительным опытом апробации разработанных инженерных методов в практике горного проектирования и машиностроения.

Значение работы. Научная значимость результатов исследований заключается в разработанном системном подходе при решении задач оптимизации линейных и энергосиловых параметров (вновь создаваемых для конкретных условий применения) карьерных гидравлических экскаваторов, основанном на установленных взаимосвязях этих параметров с прочностными и структурными характеристиками разрабатываемых породно-угольных массивов, а также с параметрами технологических систем их отработки.

Практическое значение результатов исследований заключается в установлении вероятностных эксплуатационных показателей экскавационных машин нового типа в характерных условиях горного производства и в разработанных инженерных методах расчета параметров отрабатываемых забоев, что обеспечивает качество проведения проектных изысканий, а также в обосновании целесообразности перевооружения действующего парка мехлопат на угольных разрезах, что позволяет повысить эффективность горного производства и способствует достижению директивно задаваемых темпов роста объемов открытой угледобычи на действующих угольных разрезах в планируемой перспективе.

Реализация выводов и рекомендаций работы. С использованием результатов проведенных исследований: Финансово-промышленной компанией «ИнвестТЭК» разработан и реализуется бизнес-план освоения кооперированного производства на базе российских машиностроительных предприятий карьерных гидравлических экскаваторов типа «ЬВ-М» с ковшами емкостью 6- 10 и 15 мсоздан опытно-промышленный образец л экскаватора ЬВ-500М (6 м) — разработан концептуальный проект экскаватора ЬВ-ЮООМ (10 м3).

Апробация работы. Основные положения, выводы и рекомендации одобрены Межведомственными научно-техническими советами при Комитете по угольной промышленности (1998 и 1999 г. г.), докладывались на научных семинарах Компании «Росуглесбыт», на межотраслевых конференциях в г. Екатеринбург (2000 г.) и г. С.-Петербург (2000 г.).

Публикации. Основные положения и выводы содержатся в 5 научных статьях, опубликованных в периодических изданиях.

1. ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ, ОСНОВНЫХ ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ, ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНЦЕПЦИИ ИХ РЕАЛИЗАЦИИ И ВЫБОР.

МЕТОДОВ РЕШЕНИЯ.

Основные выводы и рекомендации:

1. Разработанный инженерный метод определения прочностных и структурных характеристик породно-угольных массивов позволяет обоснованно определить требуемый энергоресурс задалживаемого для их отработки экскавационного оборудования.

2. Системный учет энергосиловых показателей, технологических возможностей выемочно-погрузочной техники во взаимосвязи с прочностными характеристиками намечаемых к отработке массивов горных пород позволяет оптимизировать параметры системы экскаватор-забой, что, при условии соблюдения установленного рационального соотношения емкости ковшей экскаваторов нового типа и диаметра среднего условного куска с1ср = ОД, обеспечивает повышение забойной производительности выемочно-погрузочных комплексов в среднем на 20% и более чем 2-х кратное сокращение задалживаемых при этом материально-сырьевых ресурсов.

3. Установленная взаимосвязь параметров забоев карьерных гидравлических экскаваторов типа «ЬВ-М», при осуществлении на практике разработанных технологических приемов отработки забоев взорванных крепких пород с проведением их управляемого обрушения, обеспечивает безопасную и эффективную эксплуатацию нового поколения выемочно-погрузочных машин в забоях, высота которых примерно на 23% может превышать эффективную высоту копания.

4. Установленные расчетные для характерных условий действующих угольных разрезов эксплуатационные показатели карьерных гидравлических экскаваторов нового типа «ЬВ-М» с ковшами емкостью от а.

6 до 15 м показывают, что в сопоставимых условиях горного производства с их использованием представляется возможным в среднем на 10% повысить интенсивность процессов горного производства.

5. С использованием результатов проведенных исследований:

— создан опытно-промышленный образец ЬВ-500М с ковшом емкостью 6 м³;

— разработан концептуальный проект карьерного гидравлического экскаватора ЬВ-ЮООМ с ковшом емкостью 10 м³.

Стоимость этих экскаваторов, отнесенная к 1 м³ обеспечиваемой забойной производительности, в среднем в 1,6 раза ниже по сравнению с традиционно применяемыми мехлопатами типа ЭКГ с соизмеримой емкостью ковшей.

6. Карьерные гидравлические экскаваторы нового поколения «ЬВ-М» заметно превосходят лучшие аналоги, известные в зарубежной практике: по производительности на 18%- по удельной металлоемкости, о отнесенной к 1 м емкости ковша, — на 30%- по уровню энергопотребления.

— примерно в 2 раза.

7. Результаты проведенных исследований использованы при составлении бизнес-плана инновационного проекта создания и освоения в практике открытой угледобычи карьерных гидравлических экскаваторов с ковшами емкостью 6- 10 и 15 м³. При емкости ковша среднесписочного вновь создаваемого экскаватора в 8,2 м его рабочая масса оценивается в.

1<е.

130 т. По этому показателю сопоставляемый списочный карьерный гидравлический экскаватор примерно в 2,7 раза превосходит традиционные мехлопаты, выпускаемые отечественными машиностроительными предприятиями. Частичное перевооружение эксплуатируемого парка этого физически изношенного и морально устаревшего вида экскавационной техники позволит в кратчайшие сроки заметно улучшить структуру парка одноковшовых экскаваторов, повысив примерно на 20% долевое участие машин с емкостью ковшей от 6 до 15 м³, что, в частности, обеспечит интенсификацию, рост производительности труда, увеличение не менее чем на 12% протяженности фронта горных работ, приходящейся на списочный экскаватор, тем самым повышая в среднем на 8% степень его использования по расчетной производительности.

1ъз.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Результаты проведенных исследований в своей совокупности представляют научно обоснованные технические и технологические решения и разработки, обеспечивающие реализацию актуальной прикладной задачи повышения эффективности выемочно-погрузочных работ за счет использования карьерных гидравлических экскаваторов типа «ЬВ-М» нового поколения.