Лекции по "Геологии"

Лекция 4. – 8 часов

 

Технология  выемки горных пород. Типы выемочно-погрузочного оборудования, типы забоев и технологические  схемы работы выемочного оборудования в мягких и скальных породах. Производительность и парк экскаваторов.

1. Общие сведения

Непосредственная разработка горных пород на карьере, представляющая собой выемку и погрузку называют выемочно-погрузочными работами или экскавацией. Экскавация образовано от слова экскаватор. В свою очередь экскаватор образован от латинских слов "ех" и "caveo" и означает выкапыватель.

Экскавацией называется выемка и перемещение горной породы посредством рабочего органа машины с последующей разгрузкой в средства транспорта либо в отвал.

Или: процессы, включающие выемку горных пород посредством механизмов, погрузку на транспортное средство или разгрузку в отвал называют процессом экскавации.

Экскаватор – основное средство механизации при открытой добыче угля, руды и строительных материалов.

Экскаваторы предназначены  для зачерпывания горной массы, перемещения  ее на относительно небольшие расстояния и погрузки в транспортные средства или отсыпки в отвал

В создании современных  экскаваторов большую роль сыграли  изобретения русских ученых и  инженеров. Впервые в мире в 1809 г. был создан "копательный ковш" с ручным приводом, который применялся при разработке песка на Днепре и является прототипом современных экскаваторов

В России в 1812 году на Ижорском заводе по проекту инженера А. Беканкура  была построена паровая землечерпалка, применявшаяся в Кронштаде.

Американский инженер В. Оттис получил в 1833 г. патент на "крановую лопату", в 1836 г. по его чертежам был построен первый одноковшовый экскаватор.

Экскаваторы делятся на две большие группы: машины периодического (цикличного) действия; машины непрерывного действия.

Группу машин периодического действия составляют одноковшовые экскаваторы, непрерывного действия – многоковшовые экскаваторы.

Любой экскаватор, одно-или  многоковшовый, состоит из силового оборудования, механизмов управления, рамы и кузова.

Процесс копания включает резание стружки и перемещение срезанной породы по поверхности в экскавирующем органе – ковше, ноже и др. Площадь поперечного сечения стружки (S_P) определяется глубиной внедрения экскавирующего органа t_P и ширины стружки понизу b: S_P = t_Pb.

Для осуществления процесса копания необходимо создать усилие Р_Н выемочной машины, которое должно быть больше силы сопротивления копанию Р_К:

Р_Н ≥ Р_К

 

Сила копания (в мПа) в свою очередь определяется из выражения Р_К = k_F S_P,

где k_F – удельное сопротивление копанию, которое зависит от физико-технических показателей породы. Например, для тяжелых влажных глин k_F = 0,2 – 0,3 мПа, для полускальных 1мПа, и более.

В качестве физико-технической  основы сопоставления пород по экскавируемости, зависящей только от свойств и  состояния пород, используется относительный показатель трудности экскавации породы П_Э. Для мягких, плотных и полускальных пород (выемка из массива) этот показатель определяется по эмпирической формуле:

 

(П_Э)´ = 3λ(0,2σ_сж .+ σ_сдв + σ_раст.) + 0,0003γ,

 

где λ – коэффициент структурного ослабления пород в массиве в направлении копания; γ – в кг/м³.

Горные породы по величине показателя трудности разделены на Х классов. Мягкие породы характеризуются показателем (П_Э)´= 3 – 6, плотные и полускальные сильнотрещиноватые - (П_Э)´= 9 – 12, прочные плотные и скальные среднетрещиноватые - (П_Э)´= 12 – 15 и (П_Э)´= 18 – 24. полускальные монолитные и малопрочные скальные - (П_Э)´ = 24 – 30.

При экскавации скальных пород требуемое  усилие экскаватора (у канатной мехлопаты  подъемное) зависит прежде всего от кусковатости взорванной породы. Чем больше размер среднего куска и плотность пород, чем меньше коэффициент разрыхления, тем больше удельное сопротивление копанию.

 

Показатель трудности  экскавации разрушенных пород

 

(П_Э)"= 22[А + 10А/ k_Р],

где А = γd_СР + 0,1 σ_сдв; d_СР – средний размер кусков разрушенной породы; м; γ – в кг/дм³; k_Р – коэффициент разрыхления породы.

Аналогично горным породам  в массиве разрушенные породы по величине показателя трудности экскавации также делятся на Х классов. К I – III классам с показателем трудности экскавации (П_Э)" от 3 до 9 относятся в основном породы мелкой кусковатости, к IV – VI классам с (П_Э)" от 9 – 12 до 15 – 18 – породы средней кусковатости, к VII – X классам с (П_Э)" до 27 – 30 – породы крупной кусковатости.

Для разработки мягких вскрышных  пород в умеренных климатических  условиях при высокой производительности карьера применяют роторные многоковшовые  экскаваторы и драглайны. При  очень коротком периоде работы выемочного оборудования целесообразно применение скреперов с большой емкостью ковша. При малой производительности карьера, особенно при сезонном режиме, возможно применение в летнее время бульдозеров. Скреперов с небольшой емкостью ковша и башенных экскаваторов.

Для разработки полускальных и скальных горных пород с предварительным рыхлением в любых климатических условиях применяют механические лопаты. В умеренных климатических условиях – погрузчики, драглайны с большой емкостью ковша.

Для разработки полускальных горных пород, особенно на добыче угля, применяют роторные экскаваторы с повышенными усилиями резания, бурошнековые установки и добычные комбайны.

 

Одноковшовые  экскаваторы

Одним из главных принципов  различия одноковшовых экскаваторов, определяющих их назначение и область  применения, является рабочее оборудование.

В зависимости от назначения рабочее оборудование одноковшовых экскаваторов имеет различную конструкцию  и кинематику. На универсальных экскаваторах могут применяться до 10 видов  сменного оборудования. Однако экскаваторы, применяемые на открытых горных работах, имеют один основной вид специализированного рабочего оборудования.

Для лучшего использования  в различных горнотехнических условиях одноковшовые экскаваторы выпускают  в конструктивном различном исполнении и делят на четыре типа: строительные, карьерные, вскрышные и шагающие.

Строительные  экскаваторы. К ним относят одноковшовые экскаваторы с вместимостью ковша до 4 м³. Индекс названия экскаватора состоит из буквенной и цифровой частей. Буквенная: ЭО –экскаватор одноковшовый универсальный. Цифровая состоит из четырех цифр: первая номер размерной группы, вторая тип-номер ходового устройства, третья – исполнение рабочего оборудования, четвертая порядковый номер модели. Буквы, добавленные к названию, означают модификацию модели.

 

Размерные группы строительных экскаваторов

 

Размерная группа	1	2	3	4	5	6	7	8
Вместимость экскаватора, м3	0,15 – 0,2	0,21 – 0,25	0.3 – 0,4	0.4 – 0,63	0,75 – 1,0	1.25 – 1,6	2.0 – 2,5	3,0 – 4,0

 

Индексация типовых  ходовых устройств экскаваторов производится по номерам: 1 – гусеничное (нормальное); 2 – гусеничное с увеличенным опорным контуром (болотное); 3 – пневмоколесное; 4 – шасси грузового автомобиля; 5 – специальное шасси автомобильного типа; 6 – автомобильное или тракторное (навесная машина); 7 – прицепное.

Исполнение рабочего оборудования строительных экскаваторов определяется также номерами:

1 – канатное; 2 – жесткое; 3 – телескопическое.

Параметры основных типов  строительных экскаваторов, которые  применяются на карьерах, приведены  в справочной литературе.

Пример записи строительного  экскаватора ЭО – 3311Г

Экскаватор одноковшовый, емкость ковша 0,4 м³, на пневмоколесном ходу, канатное оборудование, первая модель, модификация Г.

Строительные экскаваторы  имеют в основном ковши небольшой  емкостью, универсальное рабочее оборудование (прямую или обратную мехлопату, драглайн и др.), дизельный или дизель-электрический двигатель, часто изготовляются на пневмоходу и отличаются значительной маневренностью. Выпускаются с канатном или гидравлическим приводом.

Небольшие экскаваторы строительного типа предназначены для погрузки мягких горных пород. Эти экскаваторы преимущественно применяют при добыче песка, глин и на земляных работах в строительстве. Строительные экскаваторы с емкостью ковша 1,5 – 2.0 м³ применяют на небольших карьерах для выемки мелкоразрушенных скальных пород, а с ковшами емкостью до 4 м³ – для погрузки взорванных скальных пород. На более крупных карьерах экскаваторы строительного типа применяют при раздельной выемке руд, для погрузки угля на конвейеры и для вспомогательных работ.

Одноковшовые  экскаваторы с вместимостью ковша  более 4 м³ относятся к карьерным.

Их  подразделяют на канатные и гидравлические.

Эти экскаваторы используют на карьерах для погрузки скальных и тяжелых руд и пород в  думпкары или в автосамосвалы. Эти экскаваторы имеют электрический двигатель и гусеничный ход.

Основные  виды рабочего оборудования одноковшовых экскаваторов для открытых горных работ  – прямая напорная лопата и драглайн. Более ограниченно используют кран, грейфер, копер.

Выпускают три вида рабочего оборудования прямой лопаты: напорная с выдвижной рукоятью, напорная колено-рычажная и безнапорная. Безнапорная лопата применяется только в экскаваторах с небольшой (до 2 м³) вместимостью ковша.

Прямая  напорная лопата с выдвижной рукоятью (рис.4.1) в зависимости от системы напорного механизма и конструкции стрелы подразделяется на напорную с зубчато-реечным механизмом и на напорную с канатным механизмом напора.

Напорно колено-рычажная (рис.4.2.) также подразделяется на напорную с зубчато-реечным механизмом и на напорную с канатным механизмом напора.

Экскаватор  драглайн (рис. 4.4.) имеет ковш с упряжью, тяговый канат и подъемный  канаты, стрелу с направляющими блоками. Для перемещения ковша служат лебедки подъема и тяги. Угол подъема стрелы во время работы не изменяется и определяется длиной стрелового полиспаста.

Кроме перечисленных выпускаются гидравлические карьерные экскаваторы (рис. 37). Их отличительной особенностью является соединение рукояти со стрелой и дополнительный механизм поворота ковша на конце рукояти. Соединение выполнено виде поршней, в которых перемещаются штоки под действием гидравлики.

В типаже карьерных экскаваторов приняты следующие обозначения.

ЭКГ – экскаватор электрический, на гусеничном ходу. Цифры, стоящие после дефиса, обозначают вместимость основного ковша в кубических метрах. Буквы А, И, М, С, добавленные к названию, обозначают модификацию экскаваторов; Ус – экскаватор с удлиненным рабочим оборудованием для погрузки транспорта, расположенного на уровне стояния экскаватора; У – экскаватор с удлиненным рабочим оборудованием для верхней погрузки. Пример записи: ЭКГ – 5 А – вместимость ковша 5,2 м³, экскаватор карьерный, прямая лопата.

ЭВГ – экскаватор электрический  карьерный вскрышной по сравнению  с ЭКГ имеет удлиненные стрелы и рукоять. Емкость этих ковшей достигает 150 м³. Вскрышные экскаваторы с ковшами емкостью до 10 – 20 м³ применяют для погрузки породы в транспортные средства, расположенные выше уровня стояния экскаватора, а с ковшами большей емкости – для перевалки породы при бестранспортных системах разработки.

ЭШ – экскаватор шагающий. Цифры стоящие до точки, - номинальная  вместимость основного ковша  в кубических метрах. Цифры, стоящие  после точки, - длина стрелы в метрах. Например, ЭШ 20.90 – экскаватор драглайн, шагающий, емкость ковша 20 м³, длина стрелы 90 м.

Шагающие экскаваторы  отличаются гибкой канатной связью ковша  с приводом. Они обычно имеют ковши емкостью от 6 – 8 до 100 м³ и более. Длина стрелы обычно- от 60 до 150 м.

Шагающее ходовое оборудование состоит из опорной базы и механизма шагания. Последний предусматривает опорные лыжи, механизм перемещения и привод.

ЭГ – экскаватор карьерный гидравлический, на гусеничном ходу, прямая лопата. Цифры, стоящие после дефиса, обозначают вместимость основного ковша в кубических метрах.

ЭГО – экскаватор карьерный гидравлический, на гусеничном ходу, обратная лопата. Цифры, стоящие после дефиса, обозначают вместимость основного ковша. Обратная лопата применяется на тех же породах, что и прямая, при черпании ниже уровня его стояния и погрузке в транспортный сосуд, расположенный на нижележащем уступе или на уровне стояния экскаватора или при проходке траншей.

Технические характеристики экскаваторов приведены в справочных материалах.

Зарубежные одноковшовые экскаваторы имеют названия, определяемые фирмой производителем. Номенклатура их чрезвычайно широка. Порядок выбора зарубежных экскаваторов такой же, как и отечественных. Обслуживание зарубежных экскаваторов весьма своеобразно и при отечественном менталитете требует специального подхода и, как правило, применяется на богатых карьерах, которые могут позволить себе дорогое сервисное обслуживание.