Новые возможности
Разработка крепких горных пород гидравлическими экскаваторами

На горных предприятиях основным способом рыхления крепких горных пород перед экскавацией является проведение буровзрывных работ. На протяжении многих лет разработчики, пытаясь найти альтернативу взрывному рыхлению, предлагают различные способы механического воздействия на породный массив, однако, как показывает практика, эффективной альтернативы взрывному рыхлению пока нет. Тем не менее повысить порог крепости отрабатываемых горных пород без взрывного рыхления вполне возможно, и гидравлические экскаваторы позволяют это делать.

Применительно к экскаваторам можно утверждать, что эффективное резание массива происходит при разработке относительно слабых пород (глины, бурый уголь, мягкие грунты при промерзании на глубину не более 1 м и др.) с пределом прочности на сжатие до 10 МПа. Разработка экскаватором более крепких пород резанием уже нецелесообразна. Возрастающие усилия вынуждают уменьшать толщину «стружки», ковш начинает просто царапать поверхность забоя, наполняемость ковша резко снижается, растет износ инструмента и нагрузка на узлы машины.

Структура породного массива не всегда однородна. В нем могут существовать системы трещин, слоистость, которые разбивают массив на отдельности – блоки разного размера. Это особенно присуще осадочным породам, таким как известняк, доломит, мергель – в них трещины возникли при уменьшении объема горных пород при «усыхании». Естественно, что по границам трещин и слоев связи значительно ослаблены и массив можно разбирать по уже существующим отдельностям. Рабочее оборудование гидравлического экскаватора благодаря дополнительной степени свободы ковша позволяет вырывать данные отдельности из массива, т. е. разбирать забой без предварительной взрывной подготовки.

При соответствующих геологических условиях (крупность блоков-отдельностей, крепость связей и крепость породы) применение мощных гидравлических экскаваторов для безвзрывной выемки может быть весьма целесообразным. Примером может служить карьер известняка в Альмендингене (Германия), где добывают сырье для местного цементного завода. Экскаватор RH-120-E «обратная лопата» производства Terex O&K, оборудован специально изготовленным скальным ковшом вместимостью 8,4 м³, при вместимости стандартного ковша, равной 17 м³.

Экскаватор располагается на кровле уступа, высота которого 5 м, погрузка осуществляется в самосвалы грузоподъемностью 85 т. Производительность экскаватора – около 840 т/ч, расход топлива – 121,3 л/ч. Плотность известняка находится в пределах 2,0…2,2 т/м³. Раньше при проведении взрывных работ на этом участке расход взрывчатки составлял 120…140 г/т.

Ковш состоит из сварного корпуса, внутри дополнительно вварена перегородка, добавляющая жесткости всей конструкции. На режущей кромке установлены 4 зуба. Зубья по центру ковша выдвинуты вперед относительно боковых и играют роль рыхлителей. Вместимость ковша значительно уменьшена в первую очередь для снижения нагрузки на рабочее оборудование и увеличения усилия на режущей кромке. Снижение производительности экскаватора в данном случае больше связано с крепостью породы и скоростью наполнения ковша, чем с его вместимостью.

«Обратная лопата» конструктивно больше подходит для разбора не взорванного забоя, так как позволяет разгружать ковш опрокидыванием и не требует челюстного раствора, как у «прямой лопаты». Для таких условий ковш должен быть значительно более жестким, устройство разгрузки здесь нежелательно, а с точки зрения кинематики движения ковша значимых преимуществ у «обратной лопаты» не имеется.

Успешная работа этой машины на относительно крепких известняках обеспечивается прежде всего неоднородностью массива, слоистостью и наличием системы эндогенных трещин, а также размерами отдельностей. Однако такой опыт не дает гарантии успешной работы подобных машин на других месторождениях известняка. Важно учитывать технологическую цепочку дальнейшей переработки добываемого ископаемого. Например, если речь идет о вскрышных работах и фракционный состав горной массы не имеет значения, то мощными экскаваторами можно разбирать крупноблочные массивы на негабариты и вывозить их в отвал. А если добываемая масса подлежит дальнейшему дроблению и измельчению и размер кусков уже имеет важное значение, то экскавация должна проводится без образования негабарита.

В прошлом году на карьере Щуровского цементного завода была внедрена безвзрывная технология разработки карбонатного массива Приокского месторождения с использованием гидравлического экскаватора «обратная лопата» Hitachi EX1900 (мощность двигателя 765 кВт). В этом массиве существует несколько систем вертикальных эндогенных трещин и слоистость, при этом слои известняка перемежаются слоями мергелей и доломитов. Трещины в массиве составляют сложные секущие друг друга сети (ширина от долей миллиметра до 1 см). Частота трещин увеличивается с уменьшением мощности пласта. Размер отдельностей, образованных трещинами, составляет от 300 мм до 1,2 м.

Экскаватор был оснащен специально изготовленным скальным ковшом с пятью зубьями и центральной перегородкой. Перегородка плавно переходит в центральный зуб-рыхлитель, который выступает вперед на 1 м относительно других зубьев. Кроме этого на торцы боковых стенок и в пространство между зубьями режущей кромки ковша установлены предохранительные плоские зубья (в виде лопаток). Вместимость ковша – 6 м³.

Несмотря на геологические предпосылки (наличие системы трещин и слоистости), испытания показали низкую эффективность новой технологии. Экскаватор работал в режиме перегрузки, что вызывало периодические отказы оборудования, повреждения шарниров стрелы и рукояти. Масса машины оказалась недостаточной для стабилизации во время черпания, гусеницы скользили по поверхности уступа при внедрении ковша. В то же самое время выход негабарита (более 800 мм) составлял менее 2%, а фракция от 32 до 300 мм составляла более 70% от всего объема выработанной горной массы.

Весной этого года на известняковом карьере Жигулёвского комбината строительных материалов – Яблоновском месторождении карбонатных пород провели испытания по внедрению безвзрывной технологии с иcпользованием двух гидравлических экскаваторов RH-90 Terex O&K «прямая лопата». Экскаваторы были оборудованы стандартными скальными ковшами вместимостью 8 м³.

В геологическом строении месторождения представлены различные по составу ярусы с переслойками известняков и доломитов. Изначально планировалось отрабатывать третий пласт известняков (крепость 7…8 по шкале М.М. Протодьяконова, плотность 2,3 т/м³). Ранее при взрывании данного известняка расход взрывчатки составлял 500 г/м³ (сравните с расходом взрывчатки на карьере в Германии около 300 г/м³). В течение первых дней после запуска экскаваторов в работу разработка проходила удовлетворительно ввиду наличия перебура, оставшегося после предыдущего взрывания. Но по мере завершения отработки ослабленного слоя нагрузки на машины резко возросли, и экскаваторы стали не справляться с разборкой забоя. Ситуация развивалась по «щуровскому» сценарию, оборудование начало отказывать, в частности начали выходить из строя шарнирные соединения рабочего оборудования. Ковш стал «царапать» поверхность забоя, для его наполнения требовалось многократно «сдирать» некое подобие породной стружки значительно удлиняя тем самым продолжительность рабочего цикла.

В настоящий момент отработка известняка проводится при взрывном «встряхивании» массива с расходом взрывчатки 120 г/м³. Встряхивание порождает систему трещин в массиве, что позволяет вести качественную экскавацию. Второй экскаватор используется на отработке скальной вскрыши, составленной пермским доломитом. Крепость f = 4…5 по шкале М.М. Протодьяконова, также с предварительным взрывным встряхиванием.

Опыт показывает, что внедрение безвзрывной технологии с применением экскаваторов рабочей массой менее 300 т неэффективно. Обе модели экскаваторов RH-90 и EX1900 являются слишком легкими для такого вида работ.

Для создания нужного усилия на режущей кромке ковша необходимо уменьшать площадь контакта рабочих поверхностей с забоем, т. е. уменьшать число зубьев при одновременном их усилении и сохранении оптимального шага установки. С учетом сохранения базового силового оборудования машины это ведет к уменьшению геометрических размеров самого ковша, а значит, его вместимость в среднем сокращается более чем вдвое. Это условие не было выполнено на RH-90, где использовался стандартный скальный ковш. Перед внедрением подобных технологий необходимо детально изучить структуру массива планируемых к разработке пород. Уже на этой стадии можно оценить, насколько эффективно будет справляться экскаватор с такими породами, предугадать примерный фракционный состав материала после экскавации. Следует учитывать и снижение срока эксплуатации экскаватора, так как разборка не взорванного забоя приводит к работе машины в сверхнагруженном режиме и износ оборудования многократно усиливается. Только трезво взвесив все «за» и «против», можно принимать решение о внедрении новой технологии.