Механическое рыхление

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

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

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 L_c

= (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)σ_р
, 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 С_с.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 υ_с

– скорость распространения продольных упругих волн в массиве, м/с;

υ_у

– 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 υ_у

и R
, мощности тягача N
и силы тяги F
рыхлителя: 1,2,3,4 -
при значениях υ_у

соответственно 1000, 2000, 3000 и 4000 м/с

Выполним расчёт основных параметров рыхления для бульдозера-рыхлителя ДЗ-35С.

Определим ширину прорези понизу

в = К_з
× в_з
,
м;

где в_з

– ширина коронки, м;

К_з

– (1 - 1,1) – коэффициент

в = 1,05×0,086 =0,09
м.

Определим ширину прорези поверху

В= в+2×К_т
×
h
_з

×
ctg
α
, м;

где К_т
= 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
]×К_т

, 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 20-25^о
, 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
) - м.

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 20^о
. 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

, мин;

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:

,мин;

где В
– ширина верхней площадки уступа, м;

H
_у

– высота уступа, м;

α
– угол откоса уступа, град;

υ_р

– скорость движения рыхлителя, м/мин;

мин.

мин.

Рассчитаем время заезда рыхлителя на новую борозду

, мин;

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

, мин;

где υ_ХХ

– скорость движения рыхлителя на холостом ходу, м/мин;

мин.

мин.

Определим часовую производительность рыхлителя

, м³
/час;

где k
_и

– коэффициент использования рыхлителя в течение смены.

м³
/час;

В пределах подготавливаемого блока объём рыхления мёрзлых пород равен

,м³
;

где H
_м

– мощность слоя мёрзлых пород, м.

тыс.м³
.

Определим время необходимое для рыхления мёрзлых пород в блоке

ч.

Расчёт производительности бульдозера

Определим время цикла бульдозера

где L
_н

– расстояние набора породы бульдозером, м;

L
_г

– расстояние на которое перемещается порода, м;

υ_н

– скорость движения бульдозера при наборе породы, м/с;

υ_г

и υ_п

– установленная скорость хода соответственно гружёного и порожнего бульдозера, м/с;

t
_п

– время на переключение скорости, с.

с.

Определим объём призмы волочения перемещаемой бульдозером

где h
_о

и l
– соответственно высота и длинна отвала бульдозера, м;

a
– угол откоса развала, град.

м³
.

Определим часовую производительность бульдозера по формуле

где Т_ц

– время цикла бульдозера, с;

V
– объём призмы волочения, м³
;

k
_в

– коэффициент использования машины во времени в смену;

k
_р

– коэффициент разрыхления породы.

м³
/час.

Определим время необходимое для перемещения мёрзлых пород в блоке

ч.

Время необходимое для подготовки пород к выемке в границах рассматриваемого блока составит

ч.

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 (З_ОТ

);

- амортизация (А
);

- стоимость ГСМ (З_ГСМ

);

- затраты на текущий ремонт (З_ТР

);

- стоимость запасных частей (З_ЗЧ

);

- стоимость малоценных предметов (З_МЛ

);

- прочие неучтённые затраты (З_ПР

), т.е.

,
руб/ч

Базовую часовую ставку (С_Б

) 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 (к_Р
= 1,2
);

- надбавка за выслугу лет (к_л
= 1,3
);

- дополнительные выплаты за работу в ночное время и праздничные дни (к_Д
= 1,4
);

- стимулирующая надбавка за выполнение плановых объёмов работ (к_П
= 1,4
);

- единый социальный налог (к_с
= 1,268)

;

руб/ч.

Амортизационные отчисления рассчитаем исходя из нормативного срока окупаемости оборудования (T
_ОК

= 7 лет
) и годовой наработке бульдозерно-рыхлительного агрегата (Т_Н
= 4320 ч), при балансовой стоимости машин (Ц_Б
) соответственно 4,2; 9,0; 11,9 млн.р.

руб/час.

Стоимость дизельного топлива (Ц_ДТ

) 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 (к_ДЗ
= 1,2
).

руб/ч.

Затраты на текущий ремонт для гусеничной техники в среднем составляют 20% от величины амортизационных отчислений, т.е

руб/ч.

Стоимость запасных частей в среднем составляет 30% от величины затрат на текущий ремонт оборудования, т.е

руб/ч.

Стоимость малоценных предметов принимается в размере 10% от величины затрат на текущий ремонт оборудования, т.е

руб/ч.

Величина неучтённых затрат принимается в размере 20% от суммы затрат на эксплуатацию оборудования

руб/ч.

Определим сумму затрат на рыхление мёрзлых пород бульдозером-рыхлителем ДЗ-35С

руб/ч