Лекции по "Геологии"

Типы забоев и технологические схемы работы выемочного оборудования в мягких и скальных породах

Забои механической лопаты с канатным приводом

Как уже отмечалось, на карьерах погрузка породы осуществляется в мягких породах  без предварительного рыхления взрывом  и с предварительным рыхлением  взрывом или рыхлителями. При  этом погрузка может осуществляться на уровне стояния экскаватора и с верхней погрузкой (когда средства транспорта располагаются на верхней площадке уступа). Кроме этого может быть нижнее и верхнее черпание (отработка драглайном).

В мягких породах

К экскаваторному забою и призабойному пространству относятся: часть поверхности массива или развала, из которой производится выемка породы или полезного ископаемого; площадка на которой стоят экскаваторы и загружаемые транспортные средства.

Прямая механическая лопата может  работать в боковом (торцевом) и тупиковом забое (рис. 39).

Нормальным считается боковой  забой, в котором благодаря более удобной подаче транспортных средств и меньшему углу поворота экскаватора (90 – 110^о) его производительность на 30 – 40 % выше, чем в траншейном.

Конфигурацию и размеры забоя определяют технологические параметры экскаватора: емкость ковша, рабочие параметры, габариты, преодолеваемый уклон, масса, удельное давление. К рабочим параметрам относятся радиус и высота черпания и разгрузки, которые зависят от длины рукояти и стрелы, угла наклона последней, а также от положения пунктов черпания и разгрузки (рис. 4.4. – Хохряков).

Радиус  черпания R_Ч – горизонтальное расстояние от оси вращения экскаватора до режущей кромки ковша при черпании. Различают: максимальный радиус черпания R_{Ч. max} – при максимально выдвинутой горизонтальной рукояти, минимальный радиус черпания R_{Ч. min.} – при подтянутой к гусеницам рукояти с ковшом на горизонте установки экскаватора, R_{Ч. У} – максимальный радиус черпания на горизонте установки экскаватора, а также радиус черпания при максимальной высоте черпания.

Высота черпания Н_Ч - вертикальное расстояние от горизонта установки экскаватора до режущей кромки ковша при черпании. Максимальная высота черпания Н_{Ч. max.} соответствует максимально поднятой рукояти. Различают также высоту черпания при максимальном радиусе черпания и максимальную глубину черпания ниже горизонта установки экскаватора h_Ч.

Радиус  разгрузки R_Р – горизонтальное расстояние от оси вращения экскаватора до оси ковша при разгрузке; максимальный радиус разгрузки R_Ч.max. – соответствует максимально выдвинутой горизонтальной рукояти.

Высота  разгрузки Н_Р – вертикальное расстояние от горизонта установки экскаватора до нижней кромки открытого днища ковша; максимальная высота разгрузки Н_Р.max. соответствует максимально поднятой рукояти. Минимальные значения радиусов черпания и разгрузки не  совпадают с соответствующими максимальными значениями высот разгрузки.

Сфера рабочего действия  экскаватора определяется радиусом и высотой черпания и разгрузки. При этом обычно угол наклона стрелы α_с = 45^о. У некоторых мехлопат угол может меняться в пределах 30 – 50^о. С увеличением угла α_с увеличивается высота и уменьшаются радиусы действия экскаватора.

Габариты экскаватора  определяются радиусом вращения задней части кузова R_К, высотой экскаватора Н_Э (вертикальное расстояние от горизонта установки экскаватора до верхнего края наиболее выступающей вверх несъемной его части), высотой кузова экскаватора h_k.

Скорость движения мехлопат на гусеничном ходу составляет 0,9 – 3,7 км/ч. Преодолеваемый подъем достигает 12^о при массе экскаватора до 100 т и до 7^о для более крупных моделей.

Максимальное удельное давление на грунт не должно превышать  несущей способности основания, которая изменяется от 0,2 мПа для  мягкого песка до 0,5 – 0,6 мПа для плотной глины и до 0,8 – 1,0 мПа для мергеля.

Во время работы мехлопата  черпает породу из заходки снизу  вверх и по мере отработки перемещается вперед.

Рабочий цикл экскаватора состоит из четырех основных операций: наполнения ковша (черпания), поворота на выгрузку, выгрузку породы из ковша и поворота в забой. Дополнительные движения обычно совмещаются с основными: вынос и опускание ковша для разгрузки с поворотом экскаватора из забоя, а опускание ковша для черпания с поворотом экскаватора в забой.

Средняя продолжительность  цикла экскаватора ЭКГ – 4,6 и  распределение его во времени  по отдельным операциям (в с) составляет

Черпание – 5 – 7

Поворот для выгрузки ковша – 7 – 9

Выгрузка – 4 – 6

Поворот для черпания – 7 – 9

Итого – 23 – 31

Как видно из таблицы, наибольшее время (около 60 %) продолжительности цикла при нормальных условиях работы занимают повороты экскаватора. Поэтому с уменьшением угла поворота экскаватора β уменьшается рабочий цикл экскаватора и увеличивается его производительность.

Профиль забоя мехлопаты в мягких и плотных породах соответствует траектории движения ковша и имеет угол откоса 70 – 80^о. Толщина стружек t, срезаемых ковшом, определяется его размерами и плотностью породы и составляет 0,2 – 1 м.

Высота забоя определяется высотой черпания экскаватора и по условию безопасности работы в связных породах не должна превышать максимальной высоты черпания. В противном случае на кровле уступа будут оставаться козырьки и нависи, которые могут обрушиться.

Минимальная высота забоя должна обеспечивать полное наполнение ковша экскаватора за одно черпание. Для соблюдения этого условия она должна составлять не менее 2/3 высоты напорного вала.

Максимальная ширина забоя ограничивается радиусом черпания экскаватора на уровне стояния. Расстояние от оси перемещения экскаватора при работе в забое до откоса уступа не может превышать радиуса черпания экскаватора на уровне стояния R_{Ч. У}. В противном случае у подошвы будет оставаться порода. Поэтому ширина внутренней части забоя принимается равной радиусу черпания экскаватора на уровне стояния.

Во внешней части забоя порода может быть захвачена ковшом лишь тогда, когда угол поворота экскаватора  в сторону выработанного пространства не превышает 45^о. В противном случае порода при черпании будет отодвигаться ковшом в выработанное пространство и не зачерпываться. Поэтому в мягких породах ширину внешней части забоя принимают равной не более (0,5 – 0,7) R_{Ч. У}.

Таким образом, по условию  нормального черпания ширина забоя  в мягких породах не должна превышать (1,5 – 1,7) R_{Ч. У}.

Минимальное расстояние экскаватора от забоя выбирается из условий безопасности и возможности отработки нижней бровки.

Удобная и безопасная отработка нижней бровки забоя возможна при свободном расстоянии между  гусеницами и навалом не менее 1,5 длины ковша. При более близком расположении для выравнивания подошвы необходимы передвижки экскаватора.

В скальных породах (рис. 4.5. – Хохряков) на работу экскаватора влияют: предварительное разрыхление пород буровзрывным способом; значительные ударные нагрузки на рабочие органы экскаватора; сложность устройства ровных площадок для расположения экскаватора при плохо взорванном забое, вследствие чего появляются неравномерные нагрузки на ходовые устройства; неодинаковая высота забоя (развала) в пределах одной заходки.

При работе экскаватора  в скальных породах большое значение имеет качество их разрыхления. Мелкораздробленная порода экскавируется без затруднений, так как ковш заполняется на небольшом участке, черпание можно производить толстой стружкой, а сыпучесть материала обеспечивает быструю и полную разгрузку ковша. При работе в плохо взорванном забое значительно возрастают нагрузки на оборудование, приводящие к его износу и поломкам. Снижается производительность.

Негабариты вынимают селективно и располагают у подошвы уступа для вторичного дробления.

Высота  забоя зависит от кусковатости и связности взорванной породы. При однорядном и двухрядном взрывании высота уступа в крепких породах не должна превышать более чем 1,5 максимальную высоту черпания экскаватора, т.е должно соблюдаться условие:

 

Н _max ≤ 1,5 Н_{Ч. max};

 

Ширина забоя в скальных хорошо взорванных породах может  быть несколько больше, чем в мягких породах, так как экскаватор при  работе во внешней части забоя  может подгребать ближе к себе разрыхленную породу, находящуюся на расстоянии более 0,7R_{Ч. У} В этом случае ширина забоя может достигать 2 R_{Ч. У}.

На большинстве карьеров при одно-двухрядном взрывании ширина развала составляет 20 – 40 м и отрабатывается в два полных прохода. При многорядном  расположении взрывных скважин она составляет 50 – 80 м и отрабатывается за три – четыре прохода экскаватора.

Черпание в нижней части развла сопровождается периодическим  обрушением породы из средней и верхней  частей развала. Угол откоса забоя в  развале, определяющий конфигурацию поперечного сечения заходки в хорошо разрыхленных (К = 1,5) сыпучих с равномерной кусковатостью скальных породах составляет 35 – 40^о, а в неравномерно разрыхленных – 65 – 70^о.

При сотрясательном взрывании  плотных и сильнотрещиноватых полускальных пород и использовании железнодорожного транспорта развал должен быть таким, чтобы его можно было отработать одной заходкой.

При взрывании среднетрещиноватых полускальных пород без подпорной  стенки развал обычно отрабатывают за две заходки экскаватора. После отработки первой заходки путь переносят на новую трассу и отрабатывают вторую заходку, после чего взрывают новый блок. При взрывании сильно-и среднетрещиноватых скальных пород с подпорной стенкой на рудных карьерах выемку взорванных пород ведут двумя – четырьмя заходками также без предварительной разборки путей. Для ограждения путей на подошве уступа часто оставляют специальные породные валы. При взрывании крупноблочных скальных пород без подпорной стенки ширина развала взорванных пород может достигать 50 – 70 м. Железнодорожные пути перед взрывом разбирают на звенья и переносят краном за ожидаемую границу развала или, чаще, вывозят на платформах за пределы взрываемого блока.

При автомобильном транспорте нет жесткой взаимосвязи между  элементами забоя и положением транспортных коммуникаций на уступе. Поэтому параметры забоя во взорванных породах принимают исходя из необходимости лучшего дробления пород, по условиям селективной выемки, для сокращения ширины рабочей площадки и т. п. Часто применяют поперечные или широкие продольные заходки, при которых развал при взрыве направлен вдоль, а не поперек рабочей площадки. Это позволяет уменьшению ширины рабочей площадки.

Выемка  вскрышных пород мехлопатами  с верхней погрузкой.

Вскрышные экскаваторы (мехлопаты) с удлиненным оборудованием грузят горную массу в транспортные средства, расположенные выше уровня стояния экскаватора (см. схему).

Работа вскрышного экскаватора  с верхней погрузкой широко применяется  при проведении траншей, нарезке  новых горизонтов и отработке уступов, на почву которых затруднены транспортные подступы. Применение верхней погрузки значительно повышает скорость проведения траншей и улучшает использование горно-транспортного оборудования, в тех случаях, когда при нижней погрузке необходима работа в тупиковом забое. Однако работа экскаватора с верхней погрузкой имеет существенные недостатки, заключающиеся в том. что в условиях одного и того же карьера и при одинаковой емкости ковша производительность экскаватора при верхней погрузке на 20 – 30 % меньше, а затраты на экскавацию в 1,5 раза выше, чем при нижней погрузке. Уменьшение производительности обуславливается увеличением продолжительности рабочего цикла на 25 – 50 % и больших амортизационных отчислений из-за более высокой стоимости таких экскаваторов. Поэтому применение экскаваторов с верхней погрузкой эффективно в тех случаях, когда повышается эффективность производства горных работ на карьере в целом.

Параметры забоя при  работе экскаватора с верхней  погрузкой устанавливаются в  зависимости от его рабочих параметров и устойчивости уступа. Более полное использование экскаватора обеспечивается при максимальной высоте уступа, которая ограничивается максимальной высотой и максимальным радиусом разгрузки экскаватора.  Максимальная высота забоя Н (в м) при условии использования максимальной высоты разгрузки H_р.max определяется из высоты транспортного сосуда и безопасного расстояния между ковшом и кузовом  в момент разгрузки:

 

H = H_р.max + h_B – е.

 

Максимальная высота (в м) забоя при полном использовании радиуса разгрузки: H = (R_P – R_Ч.У. – с)tgα, где R_P – радиус разгрузки при максимальной высоте разгрузки экскаватора, м; с – безопасное расстояние от оси путей до верхней бровки уступа м; α – угол откоса уступа, градус.

Таким образом, допустимая высота забоя для данной модели экскаватора зависит от угла откоса, уступа, величина которого определяется устойчивостью пород. Чем больше угол откоса, тем больше может быть принята высота забоя.

В устойчивых породах, когда  угол откоса равен 60 – 70 градусов, высота уступа ограничивается высотой разгрузки , а в мягких породах, когда α = 45^о и меньше, - радиусом разгрузки.