Характерными признаками бестранспортной системы разработки являются экскавация, перемещение и укладка вскрышных пород непосредственно в выработанное пространство одним или несколькими экскаваторами, а основным оборудованием здесь являются экскаваторы-драглайны. Шагающие экскаваторы-драглайны – мощная и дорогостоящая техника, что требует особого, внимательного подхода к самым различным вопросам ее применения в условиях открытых разработок.
Наиболее значимые исследования в области бестранспортной технологии связаны с расширением области применения бестранспортной технологии на открытых горных работах, обоснованием параметров бестранспортной системы разработки, совершенствованием технологических схем, исследованием эффективности работы экскаватора-драглайна во взаимосвязи с различными факторами, автоматизацией технологических процессов экскаватора, оптимизацией параметров бестранспортной технологии с помощью экономико-математического моделирования и др.
Так, например, вопросы оптимизации и управления временем рабочего цикла драглайна рассмотрены в работах [1, 2], а авторами [3] моделировалась и исследовалась динамика наполнения ковша драглайна во взаимосвязи с его размерам и крупностью материала.
В настоящее время актуальны исследования в области автоматизации технологического процесса драглайна, а также связанные с созданием современных интеллектуальных алгоритмов управления технологическими операциями шагающих экскаваторов-драглайнов [4–6].
В области программного обеспечения заслуживает внимания информационно-программный комплекс Minecalc, основной задачей которого является моделирование бестранспортной технологии отработки взорванного массива горной породы [7, 8].
Особенностями ведения открытых горных работ в криолитозоне являются наличие многолетней мерзлоты и суровые климатические условия, которые оказывают значительное влияние на эффективность горнодобывающих предприятий. По результатам исследований, ранее выполненных в ИГДС СО РАН, установлено, что наличие мерзлоты и склонность взорванной горной массы ко вторичному смерзанию значительно осложняют работу экскаваторов-драглайнов, ведут к увеличению времени рабочего цикла и соответственно к снижению производительности. При этом производительность экскаватора-драглайна в различные природно-климатические периоды также значительно изменяется.
Поэтому адаптация бестранспортной технологии к условиям криолитозоны, достоверный прогноз эффективности работы оборудования являются актуальными научными задачами в области планирования показателей открытой разработки.
Целью исследования, представленного в данной статье, является разработка специализированной программы расчета параметров бестранспортной системы разработки, позволяющей вычислять производительность экскаватора-драглайна в зависимости от температуры породы в забое.
Материалы и методы исследования
Для прогноза производительности драглайна ранее была разработана программа расчета параметров бестранспортной системы разработки. Основой для разработки программы послужили исследования влияния смерзания взорванных вскрышных пород на производительность экскаватора. Это позволяло приближенно оценить производительность драглайна во взаимосвязи со средней температурой породы. Современная версия программы, о которой идет речь в данной статье, позволяет более точно вычислить производительность экскаватора, так как учитывает эффективную технологию отработки смерзающейся горной массы и распределение температуры по высоте развала взорванной породы.
Основные методы, используемые для решения поставленной задачи: натурные наблюдения (исследования), математическое моделирование и расчеты температурного режима в целике вскрышного уступа и развале взорванной породы.
Результаты исследования и их обсуждение
Исходными данными для оценки производительности драглайна являются результаты предварительного расчета температуры в развале взорванной породы на конкретную дату взрыва. Для расчетной модели прогноза температурного режима при описании деформации массива породы при взрывных работах была принята схема А.В.Гальянова [9] (рис.1).
Для получения необходимых данных о температурном режиме в развале взорванной породы была разработана специальная программа расчета, учитывающая теплофизические показатели породы и параметры технологической схемы работы экскаватора.
Характерный результат расчета теплового режима в развале взорванной породы применительно к условиям Кангаласского буроугольного месторождения представлен на рис.2.
а)б)
Рис. 1. Схема деформации вскрышного уступа при взрывных работах: а) до взрыва; б) после взрыва
Рис. 2. Расчетные изолинии температур в развале взорванных пород вскрышного уступа
Эти данные служат основой для определения средней температуры породы в выемочном слое при работе экскаватора-драглайна. Как видно из рисунка, температура по высоте развала различна, что и определяет эффективность работы экскаватора на каждом выемочном слое.
Первое и второе рабочие окна программы служат для ввода исходных данных геометрических параметров рабочей зоны и свойств пород, что является основой графического представления схемы расчета бестранспортной технологии вскрышных работ (рис.3 и 4).
Рис. 3. Первое рабочее окно ввода данных программы расчета производительности драглайна
Рис. 4. Второе рабочее окно ввода данных программы расчета производительности драглайна
Вначале осуществляется ввод геометрических параметров экскаваторной заходки, включающих поперечное сечение рабочей зоны. Вводятся следующие данные: ширина выработанного пространства, ширина вскрышной заходки, угол откоса и высота вскрышного уступа, мощность верхнего и нижнего пластов полезного ископаемого, мощность породного прослоя, угол отсыпки предотвала, угол откоса пластов полезного ископаемого, угол залегания угольных пластов, берма безопасности для технологической схемы экскавации, угол откоса отвала, а также на установленную дату задается толщина выемочного слоя, характеризующая понижение поверхности забоя драглайна. Здесь же вводятся следующие показатели: категория пород по крепости, расчетная плотность пород, коэффициенты разрыхления, наполнения ковша и экскавации.
На втором этапе ввода расчетных данных задаются параметры буровзрывных работ, такие как: удельный расход ВВ, плотность ВВ, длина скважины, длина забойки, высота колонки заряда, высота недобура, угол скважины к горизонту, угол откоса пласта, коэффициент разрыхления породы. После ввода параметров забоя и параметров БВР из базы данных задается модель экскаватора.
Программой предусмотрены 4 характерных варианта формирования конфигурации развала породы взорванного вскрышного уступа для расчета объемов экскаваторных работ: с подсыпкой контура отвала, без подсыпки контура отвала, с открытой поверхностью откоса уступа и без подсыпки внутреннего отвала, с открытой поверхностью откоса уступа и подсыпкой внутреннего отвала.
Принятая в программе для расчета производительности драглайна усложненная схема экскавации адаптирована к условиям криолитозоны и предназначена для отработки по бестранспортной технологии взорванного массива вскрышных пород, который подвержен повторному смерзанию [10] (рис.5).
Рис. 5. Схема работы экскаватора на блокеHу – высота уступа; h0, h01 – выемочные слои
Отработка взорванного массива горной породы ведется слоями, по всей длине экскаваторного блока. При этом шагающий экскаватор-драглайн находится на поверхности блока и, перемещаясь вдоль блока, последовательно снимает поверхностный слой породы. Производительность экскаватора при отработке каждого слоя и время отработки каждого слоя зависят от температуры породы в этих слоях.
Такой порядок отработки блока позволяет обеспечить максимально возможную производительность экскаватора-драглайна в условиях повторного смерзания взорванной породы, так как экскаватором снимается поверхностный слой, уже подвергшийся некоторой оттайке под воздействием солнечной инсоляции.
Для расчета показателей данной бестранспортной усложненной схемы экскавации вначале вводятся параметры экскаваторной заходки в целике, затем задаются параметры буровзрывных работ, определяющие конфигурацию развала взорванной горной массы, и задается модель экскаватора-драглайна.
Влияние вторичного смерзания на эффективность работы экскаватора учитывается специальным алгоритмом расчета производительности драглайна, который предполагает обособленный расчет производительности и времени отработки по каждому отрабатываемому слою экскаваторного блока.
Основными вводными данными для расчета производительности драглайна являются размеры экскаваторной заходки, толщина снимаемого слоя породы с поверхности забоя экскаватора за определенный промежуток времени и средняя температура породы в каждом выемочном слое. Для расчета производительности экскаватора при отработке каждого слоя используются ранее установленные зависимости между температурой породы в забое и временем рабочего цикла драглайна. Во взаимосвязи с температурно-климатическим периодом ведения горных работ рассчитываются производительность экскаватора, время отработки каждого выемочного слоя, а затем и время отработки экскаваторного блока.
На рис. 6 представлено рабочее окно программы с результатами расчета.
Рис. 6. Рабочее окно программы расчета производительности драглайна
Выводы
Разработана программа расчета производительности драглайна при послойной экскавации смерзающейся взорванной горной массы, комплексно сочетающая результаты моделирования температурного режима развала многолетнемерзлых пород и порядок отработки экскаваторного блока. Отличительной особенностью программы является возможность прогноза производительности драглайна на всех стадиях отработки взорванного блока в условиях изменения его температурного режима по глубине.