Эколого-экономическое сравнение применения в глубоких карьерах дизель-троллейвозов и циклично-поточной технологии

Карьеры угольных, рудных и нерудных месторождений стран СНГ в результате длительной и интенсивной разработки, превышающие глубину 300-500 м, в настоящее время обеспечивают добычу 90 % минерального сырья, извлекаемого открытым способом.

Основным видом транспорта в таких карьерах в настоящее время является – автомобильный. Как у нас в стране, в странах СНГ, так и за рубежом, им перевозится до 80% горной массы.

Опыт эксплуатации показывает, что с понижением горных работ снижается производительность    автотранспорта,    увеличивается энергоемкость транспортного процесса. Так на каждые 100 м понижения уровня ведения горных работ себестоимость транспортирования горной массы возрастает в 1,4 - 1,5 раза [1].

Эксплуатация мощных автосамосвалов с дизельными двигателями сопровождается выбросами в атмосферу токсичных веществ, содержащих окись углерода – 0,01 - 0,5 %, окислы азота – 0,002 - 0,5 %, углеводороды – 0,009 - 0,5 %, альдегиды – 0,001 - 0,009 % и сажи 0,1 %, а также большого количества нетоксичных газов, таких, как азот, двуокись углерода и др.

На рис. 1 показана зависимость концентрации вредных веществ в рабочей зоне карьера от его глубины. Расчеты были проведены для глубины 250 м. Дальнейшее увеличение глубины карьеров, как правило, обуславливает концентрацию техники в ограниченном пространстве, а, следовательно, происходит ухудшение естественного воздухообмена. Таким образом, еще более ухудшается экологическая ситуация при ведении горных работ.

Рис. 1. Зависимость концентрации вредных веществ в рабочей зоне карьера от его глубины.

Альтернативой автомобильному транспорту является, как известно, комбинированный автомобильно-конвейерный транспорт, в частности с крутонаклонными ленточными конвейерами с прижимной лентой на подъеме.

Комбинированный автомобильно-конвейерный транспорт показал высокую экономическую эффективность на Ковдорском ГОКе, карьере Мурунтау (Узбекистан), Майданпеке (Сербия) и ряде других.

Улучшение экологической ситуации в связи с резким уменьшением количества автосамосвалов и изменения режимов их работы достаточно очевидно. Вместе с тем внедрение циклично-поточной технологии на карьерах предопределяет некоторые изменения в технологии ведения работ и, что особенно важно, значительные единовременные инвестиции, которые оправдываются при сравнительно длительной последующей эксплуатации.

Другим решением проблемы может явиться применение автосамосвалов двойного питания – дизель - троллейвозов, работающих на забойных и соединительных путях от дизеля, а на крутых и затяжных подъемах и на поверхности карьеров на электрической тяге (рис. 2)

Рис. 2. Схема работы дизель-троллейвоза.

Идея применения дизель - троллейвозов не новая. Всегда стояла задача создания такого транспортного средства, которое могло бы отклоняться от контактной сети на какое - то расстояние, то есть оснащенные двумя системами привода — от электродвигателя и от двигателя внутреннего сгорания.

С 30-х годов прошлого века такие машины эксплуатировались и во многих случаях эксплуатируются в настоящее время (в том числе и на карьерах) в России, Италии, США, Замбии, ЮАР и других странах

При эксплуатации дизель - троллейвозов скорость движения по уклону -70-80%о увеличилась с 10 -12 до 22 -24км/ч, производительность машин повысилась на 23-25 % при одновременном снижении расхода топлива (на участках подъема трассы) на 87%, срок службы мотор-колес и дизельных двигателей увеличился на 16% и 20% соответственно, а коэффициента технической готовности -до 90% [1].

Первый дизель-троллейвоз с маркой БЕЛАЗ был изготовлен на Белорусском автомобильном заводе в 1964 году (экспериментальная модель дизель-троллейвоза БелАЗ-7524-Э792 грузоподъемностью 65 тонн конструктивно выполнена в виде автопоезда, рис. 2) . Испытания машина проходила на разрезе «Красногорский» в Кузбассе.

Белорусский автозавод вернулся к данному вопросу в 1986 г., а в 1987 г. были изготовлены два    дизель- троллейвоза            БелАЗ-75195

грузоподъемностью 110 т с электромеханической трансмиссией.

Рис.2 Дизель-троллейвоз

Испытания     проводились     на

Куржункульском           руднике

Соколовско-Сарбайского      ГОКа.

Расстояние транспортирования горной массы составило 2950 м, из них в троллейном режиме - 1650 м (450 м — на участке с уклоном 8-10 %, 1200 м — на горизонтальном участке). При этом расход дизельного топлива на перевозку горной массы сократился на 80 % на подъеме и на 55 % — на горизонтальном участке (общая экономия топлива составила 35 % расхода в дизельном режиме). Было принято решение о создании дизель-троллейвозов, но эти планы не были осуществлены.

В настоящее время при достижении карьерами глубины 400 - 500м и, следовательно, увеличении длины подъема до 10-11 км вновь следует вернуться к вопросу создания дизель - троллейвозов.

Специалисты ОАО «БелАЗ» определили работы в этом направлении:

создание дизель-троллейвозов грузоподъемностью 130-136, 170, 220 или 320 т на базе самосвалов с электромеханической трансмиссией.

Поэтому возникла необходимость рассмотреть эффективность применения дизель - троллейвозов с экологической и экономической точек зрения.

Для примера был взят рудный карьер глубиной 450 м и производительностью 20 млн. тонн горной массы. Длина забойных путей составляет ≈ 0,5 км, подъемных – ≈ 7 км (при величине уклона 80‰), а поверхности –1,1 км. В качестве автосамосвала был принят широко применяющийся в данных условиях – БелАЗ-7513. Эта модель в настоящее время предполагается к выпуску в качестве дизель - троллейвоза.

Расчеты показали, что для данных условий необходимо ≈ 50 автосамосвалов со сменной производительностью ≈900 т/см и временем рейса≈80 мин.

Расчетные значения среднесуточной концентрации вредных веществ в атмосфере для данных условий, рассчитаны по общепринятой методике и приведены в табл. № 1 [2].

Таблица 1.

Расчетная среднесуточная концентрация вредных веществ в атмосфере при работе автотранспорта и их предельно допустимая концентрация (ПДК).

№,п/п	Вредные вещества	Фактическая среднесуточная концентрация (с учетом природоохранных мероприятий), мг/м3( Cn )	ПДК, мг/м3 среднесуточная
1	CO x	11х(0.25)	20
2	NO x	42х(0,2)	50
3	C n H m	4х(0,3)	49
4	C	1,24Х(0,2)	3
5	Пыль	103,343х(0,1)	100

Известно, что при содержании в атмосферном воздухе нескольких вредных веществ однонаправленного действия должно соблюдаться условие:

£"=1сг/пдк,=C1/ПДК1+C2/ПДК2+…+Cn/ПДКn≤ А, где  С1,С2……Сn – фактическая среднесуточная концентрация вредных веществ     в атмосфере (с учетом природоохранных мероприятий)

n– количество    вредных веществ, выделяемых в атмосферу, учитываемых в данном расчете;

А– доля выбросов вредных выбросов, приходящаяся на транспортные машины в карьере.

Доля вредных выбросов, приходящаяся на транспортные машины в карьере, зависит от многих факторов и в частности от глубины карьера, достигая в глубоких карьерах─ 50-60%.В рассматриваемом случае получилась величина, превышающая 0,5, что указывает– экологическая ситуация на карьере близка к критической.

Расчеты показали, что при замене автосамосвалов на дизель-троллейвозы аналогичной грузоподъемности, число машин снизится более чем на 20 % , то есть будет составлять 39 единиц. Что касается величины концентрации вредных веществ в воздухе, то их величина, как показали расчеты, резко снизится, и только содержание пыли останется прежним, табл. 2.

Таблица 2.

Расчетная среднесуточная концентрация вредных веществ в атмосфере при работе дизель - троллейвозов и их предельно допустимая концентрация (ПДК).

№, п/п	Вредные вещества	Фактическая среднесуточная концентрация (с учетом природоохранных мероприятий), мг/м3( C i )	ПДК, мг/м3 среднесуточная
1	CO x	5х(0.25)	20
2	NO x	5,25х(0,2)	50
3	C n H m	1,33х(0,3)	49
4	C	0,005х(0,2)	3
5	Пыль	103,343х(0,1)	100

Это объясняется тем, что дизель дизель- троллейвоза более чем 90% времени работают на холостом ходу и выбросы вредных веществ на этом режиме минимальные, табл. 3.

Расчетная величина Е?=1с,/пдК(составила ≈ 0,2.

Таблица 3.

Удельные выбросы вредных веществ дизельными двигателями автомобиля БелАЗ-7513.

Марка автомобиля и двигателя	Вредные вещества	Значения удельных выбросов вредных веществ дизельными двигателями автомобилей, кг/ч, с различными режимами работы
		Холостой ход	50% мощности	100% мощности
БелАЗ-7513	CO	0.494	1.081	1.108
(8ДМ-21А)	NO n	0.363	2.660	4.876
(130 т)	C n H m	0.121	0.242	0.443
	C	0.023	0.079	0.144

Таким образом, экологическая целесообразность применения дизель – троллейвозов просматривается достаточно ясно.

Сравним экономические показатели при автомобильном и дизель-троллейвозном транспорте. Затраты на дизель-троллейвоз по данным Белорусского автозавода на 5-10%, а по зарубежным данным на ≈10 % (данные приводились при переделке автосамосвала на дизель-троллейвоз) выше чем на автосамосвал.

Даже приняв за основу увеличение стоимости дизель - троллейвоза на 8 %, получается экономия на подвижной состав равная затратам на ≈ 8 автосамосвалов, то есть ≈ 5,6 млн. долл. США. При этом затраты на создание инфраструктуры карьера (подстанции, троллейные линии) превышают эту величину. В пересчете на 1 км трассы стоимость инфраструктуры карьера составляет более 1,13 млн. долл. США. А на предполагаемые 8 км трассы─ более 9 млн. долл. США. Таким образом, экономия на машинах не покрывает затрат на создание инфраструктуры.

Что касается эксплуатационных затрат, то здесь можно ожидать большую экономию по затратам на топливо и электроэнергию.

При движении в режиме автосамосвала расход дизельного топлива в год составит:

^Рд = Т∙ Qy∙К ис ∙N а =5000∙262∙0.8∙ 50=52400000 л/год, где

Т-число часов работы машин в год, Т=5000ч,

Чу - удельный расход дизельного топлива автосамосвалом, л/ч (q_у= 262л/ч)

К ис - коэффициент использования машины во времени, К ис =0,8

N а - число работающих автосамосвалов

При стоимости 1литра зимнего дизельного топлива 26,5 рублей затраты составят ≈42 300 000 долл. США

При движении дизель - троллейвоза расход дизельного топлива, учитывая, что в дизельном режиме дизель-троллейвоз в год двигается только 10% времени (по забойным дорогам), а все остальное время дизель работает на оборотах близких к холостым ( повышение на 100-120 об/мин обусловлено необходимостью нормального функционирования гидравлических систем самосвала), с удельным расходом топлива Qy =26,7 л/ч, составит

Рд =(0,9∙Т∙Qy+0,1∙Т∙qу)∙Кис∙Nт=(0,9∙5000∙26,7+0,1∙5000∙262)∙0,8∙39=783 5880 л/год, где

N т – число работающих дизель - троллейвозов.

При стоимости 1литра зимнего дизельного топлива 26,5 рублей затраты составят ≈6 922 000 долл. США.

Расход электроэнергии дизель-троллейвозом составит

Э= Т∙0,9∙N у ∙ N т ∙К ис =5000∙0,9∙840∙39∙0,8=117936000кВтч где

N у -мощность генератора дизель-троллейвоза.

При стоимости 1 кВт ч электроэнергии 2 ,5 рублей затраты составят ≈10 млн. долл. США.

Итого затраты на энергию дизель троллейвоза составят ≈17 млн. долл. США.

Даже оставляя все остальные статьи эксплуатационных расчетов одинаковыми (снижение количества водителей компенсируется увеличением персонала на обслуживание инфраструктуры), годовой экономический эффект будет значительным (таблица 4 ).

Если сравнить (по укрупненным показателям) полученные данные с затратами на циклично- поточную технологию, то следует учитывать, что затраты на линейный метр крутонаклонного конвейера достаточно велики (15-17 тыс. долл. США), но длина конвейера на подъем составляет всего ≈550 м, а по горизонтали 1км. (затраты 3000 долл.США за 1 линейный м).

Значит капитальные затраты на конвейерную линию, включая (необходимые для перегрузочного комплекса ) вибропитатели, 200 000 долл. США, щековые дробилки, 2,64 млн. долл. США, с учетом неучтенных     расходов,     составляющих     ≈10-15%,     будут

─(17000∙550+1000∙3000+200 000+2 640 000)∙1,1=16,709    млн.долл.США.

Затраты на 22 автосамосвала составят─15,4 млн.долл. США.

Число обслуживающего персонала резко снижается, так как на обслуживание 1км конвейерной линии по нормам полагается всего 4 человека. Все расчетные данные приведены в табл. 4.

Таблица 4.

Показатели	Единицы	Значения показателей
		Автосамосвалы	Дизель-троллейвозы	Цикличнопоточная технология
Капитальные затраты	млн. долл.США	35	29,485	32,109
Заработная плата	млн. долл.США	2,093	2,093	1,088
Затраты за электроэнергию	млн. долл.США	-	17	16,5
Затраты на топливо	млн. долл.США	42,3	6,92	4,1
Амортизационн ые отчисления	млн. долл.США	5,25	4,42	3,8
Годовой экономический эффект	млн. руб./год		14,16	19.39

Таким образом, несмотря на увеличение затрат на создание дизель-троллейвозов и их инфраструктуры, экономический эффект от их применения превышает 14 млн. долл. США за счет частичной замены тепловой энергии на электрическую. При этом предотвращенный экономический ущерб от загрязнения окружающей среды также является значительным.

При замене автомобильного транспорта на циклично поточную технологию с крутонаклонным конвейерным подъёмом эффект превышает 19 млн. долл. США. Предотвращенный экономический ущерб от загрязнения окружающей среды будет значительнее, чем в первом случае.

экологическая ситуация, автосамосвал, дизель-троллейвоз крутонаклонный конвейер с прижимной лентой, инфраструктура карьера ecological situation, dump truck, diesel-electric truck, sandwich high angle conveyor, open pit infrastructure