Современное состояние и перспективы развития конструкций карьерных комбайнов для безвзрывной послойной выемки прочных пород

Технология выемки полезных ископаемых на современных карьерах основана на применении вскрышных и добычных машин большой единичной мощности. Производительность этих машин постоянно наращивают путем увеличения конструктивных элементов без изменения их принципа работы. Например, производительность экскаваторов, основного выемочного оборудования карьеров, наращивают путем увеличения вместимости ковшей, длин рукоятей и стрел при нелинейном увлечении их габаритов, массы и энерговооруженности. Однако в настоящее время эти машины достигли такого технического уровня, при котором возможности их дальнейшего развития стали близки к предельным.

При разработке месторождений полезных ископаемых, представленных скальными и полускальными породами, традиционным является буровзрывной способ подготовки пород к выемочно-погрузочным работам. Наряду с определенными преимуществами буровзрывные работы (БВР) имеют ряд недостатков, важнейшими из которых являются значительная опасность ведения горных работ, как по сейсмике, повышенному пыле- и газовыделению, так и по разлету осколков. Одновременно при разработке разнопрочностных массивов качество взрывания низкое и высок выход негабаритов, что приводит к значительным затратам на подготовку горной массы к выемочнопогрузочным работам.

Невозможность обеспечить традиционной техникой послойную выемку приводит к тому, что в настоящее время значительные по мощности (0,5 ÷ 3,0 м – в зависимости от горно-геологических условий) пропластки с худшим качеством полезного ископаемого или вообще пустые породы включаются в полезную толщу.

Поэтому, при отработке полезного ископаемого выемка без потери качества невозможна, в результате чего при традиционной технологии в процессе подсчета запасов слои потенциально полезного ископаемого относятся к низшему сорту или вообще считаются некондиционными. При этом ограниченные возможности раздельной выемки тонких породных слоев приводят к валовой отработке сложных в структурном отношении месторождений или отработке с невысокой глубиной селекции, сопровождающейся значительным повышением потерь и разобужеванием.

Создание и внедрение на открытых разработках нового поколения машин, обеспечивающих замену традиционной технологии с применением БВР при разработке скальных и полускальных пород на безвзрывную, является прогрессивным направлением в совершенствовании выемочно-погрузочных работ [1, 2].

В конце 70-х, начале 80-х годов за рубежом заметно возрос интерес к оборудованию, позволяющему достичь высокой производительности и поточности, базирующемуся на принципах безвзрывного разрушения массива пород, которое выполняет технологические процессы отделения от массива, дробления и погрузки горной массы. В результате исследовательских и опытноконструкторских работ, проведенных рядом машиностроительных фирм США, Германии и Австрии, были разработаны и изготовлены промышленные образцы карьерных комбайнов различных типов для открытых горных работ. На основе опыта проектирования и эксплуатации шахтных добычных и проходческих комбайнов, а также оборудования для дорожного и аэродромного строительства был разработан ряд образцов комбайнов непрерывного действия для открытой разработки месторождений методом послойного фрезерования (такие комбайны получили название «Continuous Surface Miner», или сокращенно CSM) и многослойного фрезерования (стреловые комбайны).

Первые комбайны СSМ появились на рынке в начале 80-х годов прошлого столетия. Несколько позже были созданы комбайны с роторным рабочим органом ковшового типа (серия «Satterwhite Wheel» и струговым рабочим органом. Накоплен достаточно большой опыт практического применения различных моделей комбайнов на карьерах строительных материалов, угольных, фосфоритовых, бокситовых, гипсовых, при разработке вскрышных пород в США, Австралии, Канаде, Бразилии, ЮАР, Франции, Испании, Италии.

Карьерные комбайны, помимо высокой мобильности и селективной отработки забоев, обеспечивают высокий уровень поточности горного производства в сочетании с автоматизацией выемочных, погрузочных и транспортных операции с использованием дистанционного управления.

Технология отработки породного массива формирует целый комплекс предпосылок для достижения экологической чистоты и повышения экономической эффективности открытых работ, что обосновывается следующими факторами:

• •    возможностью управления параметрами отрабатываемых уступов в изменяющейся горнотехнической обстановке, поскольку при послойно-

• полосовой технологии производства горных работ высота уступа и ширина заходки не зависят от линейных параметров экскавационной машины типа «Surface Miner» (SМ);

• •    возможностью безвзрывной отработки горного массива, представленного весьма крепкими породами, позволяющей сократить эксплуатационные издержки, обусловленные необходимостью проведения буровзрывных работ при использовании традиционной выемочно-погрузочной техники, и минимизировать вредное воздействие на окружающую среду;

• •    отказом от проведения буровзрывных работ в совокупности с широкими технологическими возможностями машин типа SМ при селективной выемке сложно структурных и маломощных пластов полезного ископаемого;

• •    созданием необходимых предпосылок для уменьшения потерь и разубоживания полезного ископаемого, что повышает товарные свойства добываемого сырья.

Сопряженная работа машин типа SМ и перегружателей непрерывного действия различной модификации создает условия для формирования технологических схем с полной конвейеризацией транспорта, что особенно важно для повышения эффективности функционирования глубоких карьеров с большими грузопотоками горной массы.

В настоящее время подобная техника производится только зарубежными фирмами на машиностроительных заводах Германии, США, Англии, Австрии, Японии, Швеции. Принципиальные и компоновочные схемы карьерных комбайнов предусматривают несколько вариантов расположения рабочего органа (рис. 1):

• •    в передней части машины – модель MTS, изготовитель фирма «MAN TAKRAF» (рис. 1а) и модель KSM, изготовитель фирма «Krupp» (рис. 1б);

• •    на раме по центру – модель SМ, изготовитель фирма «Wirtgen» (рис. 1в);

• •    с консольным расположением рабочего органа на раме, вынесенного на стрелу – модель СМЕ, изготовитель фирма «RAHCO» (рис. 1г);

• •    с раздельным от приемного конвейера – модель VASM, изготовитель фирма «Voest Alpine» (рис. 1д).

При работе карьерных комбайнов всех вышеперечисленных типов забоем является поверхность площадки уступа. В отличие от роторных и одноковшовых экскаваторов, которые при выемке блоков работают почти стационарно. Комбайн послойной выемки породы представляет собой мобильное устройство с высокой скоростью передвижения. Эти машины рационально применять на любых относительно больших по площади месторождениях. При небольшой площади отработки производительность комбайна снижается из-за потерь времени на маневровые операции (разворот и переезд к следующей заходке). Наибольшую эффективность показали карьерные комбайны непрерывного действия с центральным и передним расположением рабочего органа, обеспечивающие послойную выемку пород прочностью до 150 МПа.

Сегодня фирма «MAN TAKRAF» выпускает два типа комбайнов фрезерные серии МТS и компактные серии МТS-С. Те и другие предназначены для разработки пород прочностью до 50 МПа (известняк, бокситы, фосфориты, крепкий бурый уголь, каменный уголь, соли и другие твердые осадочные породы) послойным фрезерованием без предварительного взрывания и первичного дробления с применением поточной технологии и селективной выемки полезного ископаемого. Все комбайны имеют модульную конструкцию (рис. 2 и 3), включающую ходовую часть с гусеничными тележками, шнекофрезерный рабочий орган с опорной рамой и приводными механизмами, эргономичную кабину управления с системами кондиционирования и видеоинформации. Комбайны могут оборудоваться системой распознавания границ слоев, глобальной системой навигации и определения положения (GPS), системами радиотелеуправления и пылеподавления. В настоящее время выпускаются 11 моделей комбайнов базовых серий МТS и МТS-С.

Исполнительный орган карьерного комбайна фирмы «MAN TAKRAF» (рис. 4), оснащенный дисковыми фрезами с армированными резцами округлой формы, также расположен на раме в ее передней части. Благодаря фронтальному расположению фрезерного барабана и трехгусеничному ходовому механизму комбайны МТS позволяют применять простые и гибкие выемочные технологии. За счет регулирования скорости движения фрезерного комбайна и возможности изменять положение разгрузочного конвейера в вертикальной и горизонтальной плоскостях по высоте и в горизонтальной плоскости обеспечивается эффективная работа комбайна при загрузке автотранспорта или на медленно передвигающийся забойный перегружатель для серии МТS, либо бестранспортная отсыпка штабеля для серии МТS-С.

Специально разработанное устройство распознавания границ пластов (рис. 5) и система управления шнекофрезерным рабочим органом обеспечивают высокую избирательность при селективной тонкослоевой выемке полезных ископаемых.

Компактные комбайны серии МТS-С выполнены с учетом специальных требований к процессу добычи и измельчения полезного ископаемого. Шнекофрезерный барабан обеспечивает хорошее измельчение материала и его укладку в валки для последующей перегрузки ковшовыми погрузчиками в самосвалы или через загрузочные воронки на конвейер. Конструкцией предусмотрена установка шнекофрезерного рабочего органа в передней или в задней части рамы. При работе передним барабаном обеспечивается высокая избирательность выемки слоев независимо от состояния поверхности перед фрезерным барабаном. Расположение барабана в хвостовой части машины эффективно в том случае, когда требуется ограничить выход мелких фракций и обеспечить максимальную производительность. Кроме того, шнекофрезерный барабан регулируется с помощью гидравлического устройства по высоте (вверх/вниз), а также в горизонтальной плоскости (влево/вправо) в диапазоне ±5%. Компактные комбайны серии МТS-С (рис. 3) оснащены двух гусеничным ходовым механизмом, смонтированным на жесткой опорной раме. Привод разгрузочного конвейера и шнекофрезерного барабана - дизель-гидравлический.

Новой разработкой фирмы «MAN TAKRAF» является карьерный комбайн МТS 250. С 2002 г. эта модель эксплуатируется на участке «Ташкура» Джерой-Сардаринского фосфоритового месторождения в Узбекистане (рис. 6), в сложных климатических условиях с температурными колебаниями от -20 до +50 °С. Мощность пласта крепкого фосфорита (карбонатистого фторопатита, содержащего пятиокись фосфора) прочностью на сжатие около 50 МПа составляет до 700 мм.

а           MTS б            KSM

в             WSM г            CME

д           VASM

Рис. 1. Принципиальные компоновочные схемы карьерных комбайнов

Машинное отдедение                                                4“™™P "°'"'™ П°ГР»3' СТР™                        Погрузочный конвейер

Рис. 2. Модульная конструкция карьерных комбайнов серии MTS

Рис. 3. Модульная конструкция компактных карьерных комбайнов серии MTS-С

Рис. 4. Шнеко-фрезерный рабочий орган

Рис. 5. Устройство распознавания

границ пластов

Рис. 6. Карьерный комбайн MTS 250 на участке «Ташкура» Джерой-Сардаринского фосфоритового месторождения в Узбекистане.