Главная Учебники - Геология Лекции (геология) - часть 1
Механическое рыхление - послойное отделение породы от массива и разделение ее на куски при помощи механических рыхлителей. Размеры кусков породы, отделенных от массива, должны обеспечивать высокую производительность выемочно-погрузочного и транспортного оборудования при разработке пластов различной мощности. Применяемые рыхлители по способу крепления рабочего органа разделяются на навесные и прицепные. Основным преимуществом навесных рыхлителей по сравнению с прицепными является возможность использования массы тягача для заглубления рабочего органа рыхлителя. Прицепные рыхлители осуществляют рыхление на глубину не более 0,5 м, а навесные - на глубину до 2 м. Техническая характеристика рыхлителей приведена в табл. 1, а бульдозерно-рыхлительных агрегатов (тракторы, комплектно поставляемые с навесным оборудованием бульдозеров и рыхлителей) - в табл. 2. Техническая характеристика отечественных рыхлителей. Таблица 1 Базовый трактор Т- 180КС ДЭТ- 250М - Конструктивная схема навесного рыхлителя показана на рис. 1. Основными параметрами, характеризующими рабочий угол рыхлителя, являются угол резания γ, угол заострения ω, задний угол φ, толщина и длина зуба и расстояние между зубьями (рис. 2). Угол резания оказывает существенное влияние на силу резания. Увеличение угла резания (рыхления) с 40 до 60° повышает лобовое сопротивление режущему органу (зубу) в 2 раза. Чрезмерное уменьшение угла резания (до 30° и менее) может сопровождаться увеличением сопротивления породы рыхлению (особенно при резании вдоль напластования). Рациональные значения угла рыхления при разработке скальных, полускальных и мерзлых пород находятся в пределах 30 - 45°. При разработке глин с включением валунов угол рыхления несколько увеличивается. Угол заострения наконечников находится в пределах 20 - 30°. Во всех случаях угол заострения должен быть таким, чтобы при любом заглублении зубьев задний угол Ф был не менее 5° при рыхлении полускальных и скальных пород. При меньшем значении заднего угла ф происходит смятие породы задней гранью наконечника, в результате чего возрастает сопротивление породы рыхлению и повышается износ наконечника. Техническая характеристика бульдозерно-рыхлительных агрегатов отечественного производства. Таблица 2 ДЗ-116А; ДЗ-116В ДЗ-117; ДЗ-117А ДЗ-35С; ДЗ-22С ДЗ-126; ДЗ-126А ДЗ-94С; ДЗ-95С ДЗ- 129ХЛ ДЗ- 141ХЛ ДЗ- 159УХЛ; ДП-35УХЛ Базовый трактор Тяговый ДЭТ- 250М ТТ-ЗЗОР- 1-01 ДЗ-110А ДЗ-110B ДЗ-109; ДЗ-109Б ДЗ-59С; ДЗ-59ХЛ ДЗ- 124ХЛ ДЗ- 141ХЛ ДЗ- 159УХЛ ДП- 9ВХЛ 59ХЛ ДП-10С ДП- 29АХЛ ДЗ- 141ХЛ ДП- 35УХЛ Габариты, мм: длина ширина высота Рис. 1 - Конструктивная схема навесного рыхлителя: 1 - наконечник зуба: 2 - стопорное устройство; 3 - стойка: 4 - поворотная скоба; 5 - тяга; 6 - рабочая рама: 7 - гидроцилиндр привода; -V- опорный кронштейн: 9 - болты крепления на базовом тракторе: 10 – тягач Рис. 2 - Параметры рыхления при заглублении прямого наконечника Толщина стоек рыхлителя должна быть минимальной при достаточной прочности. У рыхлителей она составляет 60-100 мм. Длина стоек должна быть на 250 - 300 мм больше максимального заглубления зуба рыхлителя, что обеспечивает беспрепятственный проход рамы рыхлителя над разрыхленной породой. Вынос стоек относительно гусениц тягача Lc
= (1,5-2)
h
3
, где h
з
- максимальное заглубление зуба рыхлителя. Механическое рыхление пород осуществляется при движении тягача с заглубленным зубом. При создании значительных усилий на режущей кромке зуба происходит отрыв кусков породы от массива и разрушение породы в пределах трапециевидной прорези (рис. 3). Разрушение породы происходит в результате развития в ней сложного напряженного состояния. В разных частях прорези разрушение идет разными путями. Порода разрушается преимущественно путем сжатия и сдвига перед лобовой гранью зуба, отрыва и сдвига - в боковых расширениях прорези и среза - у боковых ребер зуба возле режущей кромки. Кроме того, затупленной режущей кромкой или изношенным наконечником осуществляется смятие породы. Рис. 3 - Сечения одиночных борозд рыхления: а, б - соответственно фактическое и теоретическое для монолитного массива; в, г – соответственно фактическое и теоретическое для трещиноватого массива. Удельное сопротивление породы разрушению при рыхлении K
' изменяется в зависимости от свойств породы и формы наконечника. Его значение близко к пределу сопротивления пород растяжению, т.е. К' =
(1,3- 1,5)σр
, что свидетельствует о том, что данный способ разрушения наименее энергоемкий. При рыхлении монолитного массива в нижней его части образуется щель (рис. 4), ширина которой соответствует ширине применяемого наконечника, а глубина составляет 15-20 % от заглубления зуба. Угол наклона боковых стенок борозды α
изменяется в зависимости от состояния рыхлимого массива в пределах 30 - 80°. При рыхлении сложнотрещиноватого массива (см. рис. 4) разрушение происходит по плоскостям ослабления его трещинами. Внедрение зуба в массив при этом сопровождается интенсивным разрушением стенок по всей глубине борозды. Рыхление массива производится параллельными смежными проходами рыхлителя. Расстояние между двумя смежными проходами Сс.п
выбирается из условия обеспечения требуемой кусковатости и глубины рыхления массива. При параллельных проходах рыхлителя между двумя смежными бороздами в нижней части последних образуются целики, которые затрудняют выемку породы на полную глубину внедрения (см. рис. 4). Поэтому глубина эффективного рыхления массива h
э
меньше заглубления зуба h
з
. Разрушение целиков может производиться перекрестными проходами рыхлителя, перпендикулярными (диагональными) к первоначальным (параллельным смежным) проходам. Рис. 4 - Сечения борозд рыхления при параллельных проходах рыхлителя: α – в монолитном массиве; б - в трещиноватом массиве; 1 - целики Расчёт параметров механического рыхления
Эффективность рыхления горных пород зависит от тяговых характеристик трактора, параметров рыхлителя, физико-механических свойств пород и структуры массива. Существенное влияние на производительность рыхлителя оказывают глубина погружения зуба и скорость движения рыхлителя. Эти параметры не могут приниматься произвольно, а должны рассчитываться по тяговой характеристики тяговой машины с учётом свойств рыхлимых пород. Область применения и эффективность механического рыхления определяются степенью рыхлимости массива. Быстрое и сравнительно недорогостоящее получение необходимой информации о свойствах разрабатываемого массива дают сейсмоакустические методы исследований, основанные на изучении характера распространения упругих колебаний в массиве. Установлено, что скорость распространения упругих волн достаточно полно коррелируется с прочностью и трещиноватостью массива и может служить в качестве обобщенного показателя, учитывающего изменение этих факторов. С увеличением прочности породы скорость распространения упругих волн увеличивается, а с увеличением трещиноватости - уменьшается. Скорость распространения упругих волн в массиве горных пород и в образцах существенно различается. Это различие обусловлено структурой массива, и, прежде всего, трещиноватостью. Учитывать структурную характеристику массива рекомендуется через параметр, называемый акустическим показателем: где υс
– скорость распространения продольных упругих волн в массиве, м/с; υу
– скорость распространения продольных упругих волн в монолитном образце рыхлимой породы, м/с. По величине акустического показателя и тягового класса трактора оптимальное заглубление зуба можно определить по предлагаемой номограмме (рис. 5) [1]. Породы вскрыши Зашуланского каменноугольного месторождения представлены четвертичными отложениями, включающими в себя почвенно-растительный слой мощностью от 0,2 до 0,6 м, суглинками мощностью от 15 до 18 метров, песчано-галечниковыми образованиями мощностью от 0,5 до 15 метров и коренными породами, состоящих из аргиллитов и алевролитов. Удельный вес вскрышных пород составляет 2,2 т/м3
. Согласно геологического отчёта породы вскрыши в талом состоянии хорошо поддаются прямой экскавации и не требуют предварительного рыхления. Породы вскрыши находящиеся в мёрзлом состоянии и уголь могут разрабатываться только после предварительного рыхления. Коэффициент крепости мёрзлых пород находится в пределах 3-5 и данные породы можно отнести к классу средне- и труднорыхлимых, характеризуемых скоростью распространения продольных упругих волн в массиве в среднем 3000 м/с при акустическом показателе 0,4. С целью оптимизации параметров подготовки пород к выемке механическим рыхлением рассмотрим три типоразмера бульдозерно-рыхлительных агрегатов различного тягового класса, в том числе ДЗ-35С (150 кН), ДЗ-94С (250 кН), ДЗ-141ХЛ (350 кН). Характеристики базовых тракторов приведены в таблице 1. По данным номограммы величина заглубления зуба рыхлителя соответственно будет составлять 0,35; 0,51; 0,69 м. Рис. 5 - Номограмма для определения возможного заглубления h
з
зуба рыхлителя в зависимости от акустических характеристик массива υу
и R
, мощности тягача N
и силы тяги F
рыхлителя: 1,2,3,4 -
при значениях υу
соответственно 1000, 2000, 3000 и 4000 м/с Выполним расчёт основных параметров рыхления для бульдозера-рыхлителя ДЗ-35С. Определим ширину прорези понизу в = Кз
× вз
,
м; где вз
– ширина коронки, м; Кз
– (1 - 1,1) – коэффициент в = 1,05×0,086 =0,09
м. Определим ширину прорези поверху В= в+2×Кт
×
h
з
×
ctg
α
, м; где Кт
= 0,85
коэффициент трещиноватости; α=500
– угол наклона стенок прорези; h
з
– возможное заглубление зуба рыхлителя, м. В=0,09+2×0,85×0,35×
ctg
50=0,59
м. Определим глубину эффективного рыхления h
э
=0,6 ×
h
з
, м; h
э
=0,6 × 0,35 = 0,21
м. Определим расстояние между соседними проходами рыхлителя С=в+[(
h
з
-
h
э
)×2
ctgα
]×Кт
, м; С=0,09+[(0,35-0,21)×2
ctg
50]×0,85=0,29
м; Для других бульдозеров-рыхлителей расчёт параметров механического рыхления выполнен аналогично, результаты расчётов приведены в таблице 3. Расчёт параметров механического рыхления Таблица 3 Технология отработки уступа
Необходимость разработки уступов слоями небольшой мощности и, как следствие этого, незначительная высота забоя погрузочного механизма несколько ограничивают область применения рыхлителей и оказывают существенное влияние на выбор рациональных средств комплексной механизации и технологии добычных работ. С одной стороны, незначительная высота забоя затрудняет непосредственную выемку разрыхленной горной массы механическими лопатами, так как для производительной их работы в данном случае требуется предварительное ее штабелирование. С другой стороны, механическое рыхление, обеспечивая высокое качество подготовки скальных и полускальных пород, позволяет повысить эффективность работы и расширить область применения таких выемочно-погрузочных механизмов, как скреперы, бульдозеры, одноковшовые погрузчики, многочерпаковые и роторные экскаваторы, погрузочные машины непрерывного действия и др. Рыхление массива навесными рыхлителями можно вести горизонтальными или наклонными слоями. При работе горизонтальными слоями по мере рыхления и погрузки породы высота уступа в зоне погрузки постоянно уменьшается, что приводит к снижению производительности экскаватора и требует дополнительных объёмов бульдозерных работ. Поэтому наиболее рациональной при рыхлении горизонтальными слоями является подъуступная схема, при которой разрыхленная порода сталкивается бульдозером по выположенному откосу на подошву уступа, где и производится её погрузка в транспортные средства (рис 6). При рыхлении наклонными слоями откос уступа выполаживается до 20-25о
, что позволяет значительно увеличить производительность рыхлителей и бульдозеров. Объём готовых к выемке запасов (V
з
) в зимний период должен соответствовать 7-10 дневной производительности выемочно-погрузочной машины. Для условий Зашуланского разреза, при суточной производительности экскаватора 3900 м3
/сут, этот объём будет составлять 39 тыс.м3
. Параметры блока определяются исходя из высоты уступа, ширины заходки и нормативного объёма готовых к выемке запасов. В соответствие с этим, размеры блока принимаются равными: высота (H
у
) – 10 м; ширина (B
) – 27 м; длина (L
) - Рис. 6 - Схема производства добычных работ с применением рыхлителей: а - разработка уступа наклонными слоями; б - разработка уступа горизонтальными слоями с нормальным откосом уступа; в - то же, с выположенным откосом; 1 - экскаватор; 2 – бульдозер; 3 - погрузчик Для рыхления мёрзлых откосов уступов необходимо провести их выполаживание до угла 20о
. Рыхление верхней площадки уступа производится поперечными ходами с предварительным созданием вдоль фронта работ зоны ослабления мёрзлого массива, которая выполняется заездами рыхлителя продольными параллельными полосами и служит для снижения усилия при заглублении зуба. Рыхление откосов осуществляется в направлении уклона по мере понижения уступа. Разрыхленная порода очередного слоя бульдозером транспортируется к забою экскаватора. На работах по рыхления и транспортированию пород применяем бульдозерно-рыхлительный агрегат. Схема ведения работ приведена на рисунке 7. Расчёт производительности рыхлителя
Выполним расчёт производительности бульдозерно-рыхлительного агрегата ДЗ-35С. Определим время на рыхление мёрзлых пород в пределах одного заезда где t
з
,
t
в
– время заглубления и выглубления зуба рыхлителя, мин (принимается равным соответственно 0,15 и 0,1); t
р
–
время рыхления пород в пределах одного заезда, мин: где В
– ширина верхней площадки уступа, м; H
у
– высота уступа, м; α
– угол откоса уступа, град; υр
– скорость движения рыхлителя, м/мин; Рассчитаем время заезда рыхлителя на новую борозду где t
м
,
t
п
– время на маневры рыхлителя и переключение передач, мин, соответственно принимаются равными 0,3 и 0,15 мин; t
д
– время движения холостым ходом, мин где υХХ
– скорость движения рыхлителя на холостом ходу, м/мин; Определим часовую производительность рыхлителя где k
и
– коэффициент использования рыхлителя в течение смены. В пределах подготавливаемого блока объём рыхления мёрзлых пород равен где H
м
– мощность слоя мёрзлых пород, м. Определим время необходимое для рыхления мёрзлых пород в блоке Расчёт производительности бульдозера
Определим время цикла бульдозера где L
н
– расстояние набора породы бульдозером, м; L
г
– расстояние на которое перемещается порода, м; υн
– скорость движения бульдозера при наборе породы, м/с; υг
и υп
– установленная скорость хода соответственно гружёного и порожнего бульдозера, м/с; t
п
– время на переключение скорости, с. Определим объём призмы волочения перемещаемой бульдозером где h
о
и l
– соответственно высота и длинна отвала бульдозера, м; a
– угол откоса развала, град. Определим часовую производительность бульдозера по формуле где Тц
– время цикла бульдозера, с; V
– объём призмы волочения, м3
; k
в
– коэффициент использования машины во времени в смену; k
р
– коэффициент разрыхления породы. Определим время необходимое для перемещения мёрзлых пород в блоке Время необходимое для подготовки пород к выемке в границах рассматриваемого блока составит Для других бульдозеров-рыхлителей расчёт производительности выполнен аналогично, результаты расчётов приведены в таблице 4. Расчёт производительности бульдозеров-рыхлителей Таблица 4 Расчёт затрат на механическое рыхление пород
Затраты на механическое рыхление мёрзлых пород выполним на основании расчёта стоимости одного машино-часа работы бульдозера. В общем случае в данном расчёте рассматриваются следующие статьи затрат: - оплата труда (ЗОТ
); - амортизация (А
); - стоимость ГСМ (ЗГСМ
); - затраты на текущий ремонт (ЗТР
); - стоимость запасных частей (ЗЗЧ
); - стоимость малоценных предметов (ЗМЛ
); - прочие неучтённые затраты (ЗПР
), т.е. Базовую часовую ставку (СБ
) оплаты труда машиниста бульдозера назначаем в зависимости от мощности и производительности оборудования для принятых типоразмеров соответственно 68,2; 85,2; 102,3 руб. Определим часовую ставку оплаты труда машиниста бульдозера с учётом дополнительных выплат: - районный коэффициент (кР
= 1,2
); - надбавка за выслугу лет (кл
= 1,3
); - дополнительные выплаты за работу в ночное время и праздничные дни (кД
= 1,4
); - стимулирующая надбавка за выполнение плановых объёмов работ (кП
= 1,4
); - единый социальный налог (кс
= 1,268) Амортизационные отчисления рассчитаем исходя из нормативного срока окупаемости оборудования (T
ОК
= 7 лет
) и годовой наработке бульдозерно-рыхлительного агрегата (ТН
= 4320 ч), при балансовой стоимости машин (ЦБ
) соответственно 4,2; 9,0; 11,9 млн.р. Стоимость дизельного топлива (ЦДТ
) при цене за 1 килограмм 29,4 руб определим из нормативного удельного расхода топлива (g
УД
)отечественными бульдозерами 3,24 грамма на 1 кВт мощности двигателя (N
) в минуту. Расходы на моторное, трансмиссионное и гидравлическое масла и густые смазочные материалы принимаем в размере 20% от затрат на дизельное топливо, что учтём через коэффициент дополнительных затрат (кДЗ
= 1,2
). Затраты на текущий ремонт для гусеничной техники в среднем составляют 20% от величины амортизационных отчислений, т.е Стоимость запасных частей в среднем составляет 30% от величины затрат на текущий ремонт оборудования, т.е Стоимость малоценных предметов принимается в размере 10% от величины затрат на текущий ремонт оборудования, т.е Величина неучтённых затрат принимается в размере 20% от суммы затрат на эксплуатацию оборудования Определим сумму затрат на рыхление мёрзлых пород бульдозером-рыхлителем ДЗ-35С
|