Анализ влияния режимов работы канатных пил на эффективность добычи блоков природного камня

Добычные горные машины с гибким режущим инструментом к настоящему времени на каменных карьерах всего мира получили доминирующее положение. Это связано с возможностью выпиливать из массива породы монолиты больших размеров (свыше 500 м3), необходимость в которых обусловлена повышением выхода товарных блоков на трещиноватых месторождениях. Применение на данных машинах канатно-алмазного инструмента позволило вести добычные работы и на высокопрочных месторождениях природного камня (породы типа гранит). Разработка и применение на карьерах канатно-алмазных пил (такое название утвердилось у горняков) взамен ранее применяемых канатно-абразивных пил, где в качестве абразивной пульпы использовался кварцевый песок с водой, позволило повысить производительность резания в десять и более раз на породах средней прочности и расширить диапазон прочности добываемого камня до уровня гранитов, долеритов и т. д.

К началу XXI в. канатно-абразивные пилы безвозвратно ушли в прошлое, поэтому нет необходимости современные горные машины с гибким режущим рабочим органом называть как канатно-алмазные пилы, выделяя алмазный инструмент по отношению к абразивному, который уже не применяется в настоящий период времени.

Отделение больших по объему монолитов камня предполагает применение высокоуступной технологии отработки месторождения, когда все линейные параметры монолита обосновываются по условию максимального выхода товарных блоков в зависимости от природной трещиноватости массива. Независимо от прочности камня теоретическими исследованиями и практикой обоснована двухстадийная схема добычи товарных блоков, когда на первой, самой трудоемкой стадии отделяется монолит обоснованных размеров с помощью канатных пил (КП). На второй стадии монолит разделывается на товарные блоки различными способами и реализующими их техническими средствами в зависимости от прочности камня. Для пород типа мрамор применяют баровые камнерезные машины либо пассировочные КП для оквар-цованных месторождений. На породах типа гранит используется шпуровой способ с применением клиньев (механических, гидравлических), а также невзрывчатых разрушающих составов (НРС).

Цель данной работы заключается в исследовании влияния режимов работы КП на основные технико-экономические показатели процесса отделения монолитов камня от породного массива.

Основная часть

На технико-экономические показатели отделения монолита от массива влияют его линейные размеры (H, L, B), режимы работы КП и прочность камня [1-4]. Экономическая оценка работы КП производится с учетом производительности резания, удельного расхода электро- энергии и алмазного инструмента. Удельные эксплуатационные затраты (руб/м2) на отделение монолита от массива с помощью КП при этом определяются по зависимости

С * =      +^Ь'^А" С э +b'R'^ a • С и ,                                (1)

ио где Со, Сэ, Си – стоимости соответственно работы канатной пилы (руб/ч), электроэнергии (руб/ кВтч), алмазного инструмента (руб/карат); Kио = 0,75 - расчетный коэффициент использования КП во времени; П - техническая производительность КП, м2/с; b - ширина пропила (диаметр алмазорежущей втулки гибкого инструмента), м; А – удельная работа резания, Дж/м3; R - удельный расход алмазного инструмента, м3/м3; Ya — содержание алмазов в единице объема алмазонесущего слоя инструмента, карат/м3.

Первое слагаемое уравнения представляет затраты на амортизационные отчисления камнерезного оборудования с учетом затрат на обслуживание и ремонт и заработную плату оператору КП С _АО+ЗП; второе слагаемое – это затраты на электроэнергию, потребляемую двигателем в процессе резания С ЭЭ , а третье - затраты, связанные с расходом алмазного инструмента С АИ .

Применяются две схемы управления работой КП. В первой схеме через задание на пульте управления силы тока определенной величины выдерживается постоянной мощность главного привода ( N = const), но изменяется скорость подачи тележки машины ( V_{п =} var). Существующая обратная связь отслеживает изменение мощности энергии основного двигателя и сводит это изменение к нулю за счет увеличения или уменьшения скорости вращения двигателя механизма подачи. С изменением скорости подачи прямо пропорционально изменяется и силовой режим резания, т. е. величина контактного давления инструмента на породу (σ _{n =} var). Во второй схеме тележке КП путем использования реостата в электрической схеме привода подачи задается постоянная скорость перемещения ( V_{п =} const). При этом на пульте управления амперметр показывает силу тока на главном приводе машины. Так как в режиме постоянной скорости подачи обеспечивается неизменным контактное давление инструмента на породу (σ _{n =} const), то величина силы тока будет изменяться прямо пропорционально изменению длины контакта инструмента с породой, что вызовет аналогичное изменение мощности энергии главного привода КП.

Как видим, применяемые схемы управления работой КП влияют только на силовой режим резания. По первой схеме силовой режим переменный во времени, во второй схеме - постоянный. Силовой режим определяет и производительность резания, и мощность главного привода камнерезной машины, влияющие на расход дорогостоящего алмазного инструмента и удельное энергопотребление. Среди технико-экономических показателей любой камнерезной машины определяющей является производительность (так как остальные показатели во многом производны от нее). Применительно к существующим схемам управления работой КП рассмотрим методики оценки производительности, энергопотребления и расхода алмазного инструмента.

В случае применения схемы управления с постоянной скоростью подачи средняя производительность КП рассчитывается согласно работе [5]:

П р = К м • П ^^ах ,                                                     (2)

где К м <  1 - коэффициент влияния геометрии плоскости отделения монолита на среднюю производительность резания от ее максимального значения.

Максимальная производительность определяется выражением

П

max V

_«_.(------■----V'5

Ь-820 \Црас "к п '^'^^^^ g }'^ np '^v p)

,

где h _пр - высота пропила, м; ф_д - дополнительный угол охвата, рад; ц_рас и к п - коэффициенты распиловки и прерывистости режущей поверхности; b - диаметр режущей втулки, м; V_p - скорость распиловки (скорость движения гибкого режущего органа), м/с.

Для продольного пропила ( к ф = L/H > 1), h _пр = H y , а значение коэффициента К м ^пр рассчитывается по формуле

■ ■■     .. (» „, /« , )),                             (4)

где D шк – диаметр ведущего шкива, м; H у – высота уступа, м.

Для поперечного пропила, отделяющего монолит камня от массива, выполняется условие k ф = B/H ≤ 1. В этом случае максимальная высота пропила не равна высоте уступа и находится из уравнения

= ^,•^>•(2-^--^ )/(1- — 1                      (5)

пр у ф V ф                       , что в итоге определяет расчетную величину коэффициента Кмп для поперечного пропила:

К Мп -(з-^ ^-М*^.

Зависимость производительности КП, соответствующей схеме управления ею в режиме постоянной мощности резания, когда k ф = B/H ≤ 1, определяется по выражению

ТТ N /   2^N

У , i ■ : ,

0,5"

\ °⁵    / 1           /     1

J    I ®^dJ    Ц^п + ^фд>^пр/    .

При отделении монолита по продольной плоскости ( к ф =Ь/И>1, h _пр = H y ) необходимо учитывать стационарность процесса пиления по отношению к длине контакта инструмента с породой. В этом случае производительность в режиме постоянной мощности находится как средневзвешенная величина

П Р = № • t

нест

+ П ™^ах

• t cm )/(t

нест

+ t cm ),

где (нест = (кф • ну- - 0,5 • (кф - 1) • Н2)/Пм - время нестационарного пиления плоскости отделения, ч; (ст = (0,5 • (кф — 1) • Яу?)/П™ах - время стационарного пиления плоскости отделе- ния, ч.

Отношение производительностей при двух режимах для k ф ≤ 1 запишется в виде

П У

П у

1 f ( ^{п + ф} д)^ км • ^ п. шк ;

0,5

1,

а для к ф >  1

П д р _ ________ ⁽²^ ^П к) ________

П ур = ^ Мр ^((к ф +1)^ П }? ^ах+(к ф -1)^ П ^ ) ’

На рис. 1 представлено отношение производительностей резания КП (9), (10), управляемой по рассмотренным выше силовым режимам.

При этом, начиная с высоты уступа 2-4 м, производительность резания в режиме N=const по отношению к режиму V П =const возрастает по степенной зависимости в соответствии с формой плоскости отделения.

Для реализации алмазосберегающего режима распиловки необходимо, чтобы а ™ ^ о ™ (т. е. отвечало условию минимального удельного расхода алмазного инструмента), где а™^т -величина контактного нормального напряжения, когда в процессе резания выдерживается постоянная скорость подачи (рис. 2).

Реализуемое в процессе резания энергопотребление ( А ) для расчета удельных затрат по формуле (1) определяется для режима работы КП с постоянной скоростью подачи следующим образом:

A_v = К^™^.

Для режима постоянной мощности резания удельное энергопотребление в случае k ф ≤1 находится как средняя интегральная величина по следующей зависимости:

Рис. 1. Зависимость отношения производительностей резания при различных режимах работы КП от высоты уступа

Рис. 2. Зависимости удельного расхода ( R ) алмазного инструмента и удельной работы резания ( A ) от нормального контактного давления ( σ n ) для пород с σ сж = 100-120 МПа

An = (2 • к • (Т^ - V^))/^ - ^in),               (12)

где о ™^ax - максимальное значение нормального напряжения, соответствующее минимальной длине контакта инструмента с породой, Па.

При отделении монолита по продольной плоскости ( k ф >  1) удельная работа резания в режиме постоянной мощности вычисляется как средневзвешенная величина:

АС = (А» • t

нест

+ Av • ^tV (tHecm + tCT)-

Отношение удельных работ резания при двух режимах для поперечной плоскости отделения можно записать в следующем виде:

а для продольной плоскости отделения

(A^*t нест

+ЛуС ст )

)

Av          (К-^ нест+^т ))

На рис. 3 в графическом виде показаны зависимости (14) и (15). Расчеты в данном случае выполнены при следующих данных: N =25,47 кВт, μ рас = 0,25, k п = 0,16, b = 0,01 м, D шк = 0,8 м, V р = 30 м/с.

Средняя удельная работа резания (в режиме N = const) по отношению к удельной работе резания, соответствующей о ™^1П = о ™ (в режиме V _n = const), возрастает в соответствии с формой плоскости отделения.

Удельный расход алмазного инструмента ( R ), как и удельная работа резания ( A ), может быть получен на основе стендовых испытаний. Для дальнейших расчетов были приняты экспериментальные данные К.Г. Лусиняна по резанию алмазным инструментом природного камня различной прочности [6]. В результате обработки экспериментальных точек получена следующая аппроксимирующая зависимость R от σ _n :

Рис. 3. Зависимость отношения среднего (в режиме N = const) и соответствующего а ™^1п = с ™ (в режиме V П = const) значений удельной работы резания от высоты уступа

Д = Го+^ + г2.0п ,

решение которой при условии dR/do_n = 0 дает оптимальное контактное давление

< = ^тт₂ . Его подстановка в (1^б) и определяет расход алмазного инструмента в режиме

V _{П =} const:

Rr = r0+^+^^7r

Численные значения аппроксимирующих коэффициентов r ₀ = -1,46-10^-5, r ] = 0,37640^-5 МПа, r 2 = 10,540^-5 1/МПа получены при резании природного камня с о_с ж = 120-140 Мпа [7-14]. Для режима N = const удельный расход может быть получен как средняя интегральная величина:

.•..■■■■•..■■■•■•..•<...■.■.•.•..■-■•..■-■•

Rn=------------ ------------

°п   ^п

Тогда их отношение для поперечной плоскости отделения запишем в следующем виде:

~ max       ,

„ j-max_-min^ , - 1. Лп    , _п J r^max^f^minV 1

=

« ^min           (a m^ax _a mⁱⁿ ).(r_o+-=s=+r₂.vK7^)

.

При отделении монолита по продольной плоскости удельный расход инструмента в режиме постоянной мощности находят как средневзвешенную величину:

рср _ гр . f । pmin KN = (KN 1нест + KV

• t cmW

нест

+ tcm).

Тогда отношение удельных расходов инструмента при двух режимах для продольной плоскости отделения будет таким:

^ =______ к^с нест +й у'н ^с ст ______ .

^К™^1П (( нест +( ст ⁾^(г о +7^=+Г₂^Т^ 1 ^/^ Г ^

-Jr^rt

На рис. 4 в графическом виде показаны зависимости (20) и (21) при различном значении коэффициента k ф.

Среднее значение удельного расхода алмазного инструмента (в режиме N = const) по отношению к минимальному (в режиме V П = const) возрастает в соответствии с формой плоскости отделения.

Экономические показатели при различных параметрах и режимах распиловки алмазноканатным инструментом гранодиорита Нижне-Санарского месторождения (линейные размеры монолита: Н м = 5,6 м, L м = 8,4 м, B м = 1,7 м) приведены в табл. 1, 2.

Время, затраченное на резание плоскостей, для условий юго-восточного участка Нижне-Санарского месторождения гранодиоритов в случае работы КП в режиме N = const в 1,5 раза меньше, чем в режиме V _{П =} const. Результаты оценки доли пиления во всем процессе подготовки камня к выемке в зависимости от режима работы КП приведены в табл. 3.

Рис. 4. Зависимость отношения среднего (в режиме N = const) и минимального ( V П = const) значений удельного расхода алмазного инструмента от высоты уступа

Таблица 1. Расчетные параметры и технико-экономические показатели работы КП в режиме VП = const

Режим	V П = const, σ n = const, σ n min =0,2 МПа, А = 1833,58 МДж/м3
Вид плоскости отделения ( k ф )	Горизонтальная (0,2)	Поперечная (0,3)	Продольная (1,5)
N max, кВт	8,24	12,18	25,47
R min∙γ а , карат/м3	55,31
К М	0,63	0,60	0,70
Пmax , м2/ч	1,62	2,39	5,00
Пср , м2/ч	1,01	1,42	3,48
N уд , кВт•ч/м2	18,34
С АО+ЗП , руб/м2	391,69	279,69	114,36
С ЭЭ , руб/м2	15,80
С АИ , руб/м2	158,07
С S , руб/м2	565,56	453,56	288,23
S , м2	14,11	9,41	47,04
t пиления , ч	14,1	6,7	13,5
∑ t пиления , ч	34,4
С , тыс. руб.	7,98	4,27	13,56
∑С (по монолиту), тыс. руб.	25,81

Таким образом, время, затраченное на выполнение пропилов КП, в процессе подготовки к выемке камня занимает 51,5 и 61,5 % для режимов N = const и V _{П =} const соответственно.

По формуле (1) были рассчитаны удельные эксплуатационные затраты на резание плоскостей отделения монолита от массива. Это позволило представить в графическом виде отношения удельных эксплуатационных затрат при различных режимах работы КП от высоты уступа (рис. 5).

Удельные эксплуатационные затраты на резание плоскостей в режиме N = const по отношению к режиму V П = const возрастают начиная с высоты уступа 4,5 м (рис. 5, 6) в соответствии – 935 –

Таблица 2. Расчетные параметры и технико-экономические показатели работы КП в режиме N = const

Режим	N = const, σ n = var
Вид плоскости отделения (k ф )	Горизонтальная (0,2)	Поперечная (0,3)	Продольная (1,5)
N , кВт	8,24	12,18	25,47
σ n max, МПа	0,57	0,81	1,69
Аср , МДж/м3	1364,34	1219,42	1185,90
R ∙γа, карат/м3	78,21	103,20	158,61
П , м2/ч	1,10	2,41	8,28
N уд , кВт•ч/м2	13,64	12,19	11,86
С АО+ЗП , руб/м2	362,96	165,00	47,99
С ЭЭ , руб/м2	11,75	10,51	10,22
С АИ , руб/м2	223,54	294,94	453,30
С S , руб/м2	598,26	470,45	511,51
t пиления , ч	13,0	4,0	5,7
∑ t пиления , ч	22,7
С , тыс. руб.	8,44	4,43	24,06
∑ С (по монолиту), тыс. руб.	36,93

Таблица 3. Доля времени выполнения пропилов КП в процессе подготовки к выемке гранодиорита Нижне-Санарского месторождения при различных режимах резания

Вид работ Время выполнения, ч VП = const, σn = const N = const, σn = var Бурение горизонтальной продольной скважины (8,4 м) 3,5 Поиск отметок для стыковки скважин 3,0 Бурение горизонтальной поперечной скважины (1,7 м) 2,0 Горизонтальный пропил КП (14,28 м2) 14,14 13,0 Поиск отметок для стыковки скважин 3,0 Бурение вертикальной скважины (5,6 м) 2,5 Вертикальный поперечный пропил КП (9,52 м2) 6,70 4,0 Вертикальный продольный пропил КП (47,04 м2) 13,52 5,68 Отсыпка подушки 0,5 Опрокидывание монолита на рабочую площадку 3,0 Разделка опрокинутого монолита и пассировка блоков шпуровым способом с применением механических клиньев 4,0 Время подготовки к выемке блоков природного камня, ч 55,9 44,1 Время пиления, ч (в % от общего) 34,4 (61,5 %) 22,7 (51,5 %) с формой плоскости отделения. Так, при высоте уступа Н™ = 5,6 м отношение значений себестоимости Сs(N)/Сs(V) составляет 1,0-1,8 в зависимости от величины коэффициента kф.

Основным результатом проведенных исследований и полученных зависимостей (1), (9), (10), (14), (15), (19), (21) влияния силового режима на технико-экономические показатели явля- – 936 –

Высота уступа, м

Рис. 5. Зависимость отношения удельных эксплуатационных затрат на резание плоскостей при

различных режимах работы КП от высоты уступа

Высота уступа, м

Рис. 6. Зависимость отношения удельных эксплуатационных затрат на резание плоскостей и времени, затраченного на пиление (по монолиту) при различных режимах работы КП от высоты уступа

ется вывод о неоднозначном вкладе в эксплуатационные затраты производительности, энергопотребления и расхода алмазного инструмента при резании. Так как силовой режим в пределах заданной мощности главного привода канатной пилы связан с высотой пропила (уступа), то с практических позиций целесообразнее полученные технико-экономические показатели представлять в виде функциональных зависимостей от высоты уступа для различных режимов работы КП.

Анализ таких итоговых показателей, как производительность отделения монолита от массива (рис. 7 а ) и эксплуатационные затраты на отделение (рис. 7 б ) в зависимости от высоты уступа для различных режимов работы КП, не позволяет выделить преимущества одного режима работы КП от другого, так как повышение производительности отделения монолита сопровождается повышением эксплуатационных затрат на его отделение при работе в режиме постоянной мощности резания и, наоборот, когда снижению эксплуатационных затрат соответствует понижение производительности, если КП работает в режиме постоянной скорости подачи.

В этом случае корректная оценка зависимости режима работы КП от высоты уступа может быть дана на основе комплексного технико-экономического показателя:

с » =2C/(W/t),                                           (22)

где S C - эксплуатационные затраты на отделение монолита от массива, тыс. руб.; W / 1 - производительность отделения монолита от массива, м³/ч.

Тогда выбор режима работы КП в зависимости от высоты уступа осуществляется по минимальной величине предложенного комплексного показателя (рис. 7 в ).

Как видно из рис. 7 в , при отделении монолита с высотой добычного уступа менее 4,5 м предпочтение следует отдавать режиму с постоянной скоростью подачи КП на забой. При высоте уступа более 4,5 м, когда показатель с_w изменяется незначительно от режима работы КП, целесообразен режим работы с постоянной мощностью резания, обеспечивающий более высокую производительность отделения монолита.

а

Высота уступа, м

б

в

Рис. 7. Зависимость от высоты уступа (при различных режимах работы КП): а – производительности отделения монолита от массива с помощью КП ( W/t , м³/ч); б – эксплуатационных затрат на отделение монолита от массива ( £ C, тыс. руб.); в - комплексного технико-экономического показателя (C w , руб/ч/м³)

Выводы

• 1.    Получены зависимости отношения производительностей резания при различных режимах работы КП от высоты уступа. При этом, начиная с высоты уступа 2-4 м, производительность резания в режиме N = const по отношению к режиму V П = const возрастает по степенной зависимости в соответствии с формой плоскости отделения.

• 2.    Предложены зависимости показателя удельной работы резания ( А , МДж/м³) от высоты уступа при различных схемах управления КП и величине коэффициента k ф . Средняя удельная работа резания (в режиме N = const) по отношению к удельной работе резания, соответствующей o ™ⁱⁿ = о ™ (в режиме V_n = const), возрастает в соответствии с формой плоскости отделе -ния.

• 3.    Установлены зависимости показателя R∙ γ (карат/м³) от высоты уступа при различных ^а

• схемах управления КП и величине коэффициента kф. Среднее значение удельного расхода алмазного инструмента (в режиме N = const) по отношению к минимальному (в режиме VП = const) возрастает в соответствии с формой плоскости отделения.

• 4.    Время, затраченное на резание плоскостей, для условий юго-восточного участка Нижне-Санарского месторождения гранодиоритов в случае работы КП в режиме N = const (22,7 ч) в 1,5 раза меньше, чем в режиме V _{П =}const (34,4 ч). При этом доля времени, затраченного на выполнение пропилов КП, в процессе подготовки к выемке камня занимает 51,5 и 61,5 % для режимов N = const и V _{П =} const соответственно.

• 5.    Удельные эксплуатационные затраты на резание плоскостей в режиме N = const по отношению к режиму V _{П =} const возрастают в соответствии с формой плоскости отделения. Отношение значений удельных эксплуатационных затрат C s( _N)/C_S ( _V) при высоте уступа Н ™ = 5,6 м составляет 1,0-1,8 в зависимости от величины коэффициента k ф .

• 6.    Производительность отделения монолита от массива с помощью КП, работающей в режиме постоянной мощности резания, при высоте уступа 5-13 м повышается в 1,2-3 раза по отношению к режиму постоянной скорости подачи КП на забой. Одновременно повышаются во столько же раз и эксплуатационные затраты на отделение монолита, что не дает основания по данным показателям выявить преимущества одного режима от другого. Поэтому за критерий оценки принимается комплексный технико-экономический показатель ( с_w ), характеризуемый затратами, отнесенными к интенсивности отделения объемов камня от массива. Выбор рационального режима работы КП от высоты уступа достигается путем минимизации величины этого комплексного показателя.

• 7.    Для отделения монолитов камня от породного массива при высоте добычного уступа менее 4,5 м следует выбирать режим резания с постоянной скоростью подачи КП на забой. При высоте уступа более 4,5 м, когда показатель C_w изменяется незначительно в зависимости от режима работы КП, целесообразен режим работы с постоянной мощностью резания, обеспечивающий более высокую производительность отделения монолита.