В современной мировой практике открытой добычи полезных ископаемых основные объемы горных работ выполняются по транспортной системе разработки и частично - по бестранспортной. В бестранспортных системах выемку горных пород в забоях осуществляют экскаваторы-драглайны, в транспортных - экскаваторы-мехлопаты (в последнее десятилетие и гидравлические экскаваторы).
Изначально, драглайны создавались исключительно для совмещения функций выемочной и доставочной машин при выемке горных пород вскрыши, размещенных ниже уровня стояния экскаватора, их доставке в ковше на расстояние не более радиуса разгрузки во внутренние отвалы. По мере развития технологических схем бестранспортной системы разработки и усложнения горно-геологических условий месторождений увеличивались рабочие параметры драглайнов (вместимость ковша, длина стрелы), их технологические параметры (глубина черпания, радиусы разгрузки и черпания), а вместе с ними возросли технологические параметры системы разработки (высота уступа и ширина заходки).
В результате эволюционного развития бестранспортных схем сегодня на карьерах мира эксплуатируются драглайны, оснащенные стрелой 35-100 м и более и ковшом вместимостью 6-40 м3 и 35-100 м3 и более. И основным итогом стала возросшая до 40-45 м и более высота уступа, отрабатываемого нижним черпанием драглайнами самых крупных размеров. Долевое участие транспортной системы разработки постоянно увеличивается, а бестранспортной - сокращается в связи с усложнением горно-геологических условий и увеличением глубины отработки месторождений.
Тем временем развитие технологических схем транспортной системы разработки сопровождалось увеличением вместимости ковша мехлопат как карьерного, так и вскрышного типов, и ростом грузоподъемности карьерного транспорта цикличного действия. В результате интенсивного и динамичного развития открытых горных работ по транспортной системе разработки вместимость ковша карьерных мехлопат выросла с 3-5 м3 до 15-25 м3 и более, вскрышных мехлопат - до 35-40 м3 и более. Отдельно следует сказать о вскрышных мехлопатах, которые в свое время были созданы для перевалки вскрыши во внутренние отвалы по бестранспортным схемам.
На фоне восьмидесяти кратного роста вместимости ковша мехлопат (с 4 до 35-50 м2) и 10-13-ти кратного роста грузоподъемности карьерных самосвалов (с 25 до 320 т), всего лишь 1.5-кратное увеличение высоты отрабатываемых уступов (с 10 до 15-17 м) стало главным препятствием, сдерживающим улучшение технико-экономических показателей открытого способа добычи. Казалось бы логически ожидаемого влияния темпов кратного возрастания параметров экскаваторов и карьерного транспорта на пропорциональное увеличение основных параметров системы разработки не наблюдается. Поэтому на современных карьерах с транспортной системой разработки высота уступов составляет 10-12 м - по мягким массивам и 12-15 м (редко 18-20 м) -по взорванным породам вскрыши.
Как известно, высота отрабатываемых драглайнами уступов (заходок) нижним черпанием зависит в основном от длины стрелы и физической возможности машиниста экскаватора вести постоянное визуальное наблюдение за операциями черпания и разгрузки ковша.
Технологические предпосылки к созданию драглайнов выемочно-погрузочного типа
Растущий мировой спрос на минеральное сырье привел к стремительному увеличению производственной мощности карьеров за счет освоения крупномасштабных месторождений глубокого залегания и со сложными горно-геологическими условиями, требующих выполнения больших объемов вскрышных и добычных работ. Поэтому можно без всякого преувеличения утверждать, что первыми острую потребность в драглайнах погрузочного типа для отработки высоких уступов нижним черпанием с прямой погрузкой горной массы в средства карьерного транспорта стали ощущать в 1990-е годы крупные и глубокие разрезы и рудные карьеры страны.Мощное стимулирующее воздействие на этот процесс оказал рост грузоподъемности отечественных и зарубежных средств карьерного автотранспорта, особенно интенсивный в последние два десятилетия, который открыл техническую доступность прямой погрузки драглайном автосамосвалов, думпкаров и полувагонов.
Карьерный транспорт при загрузке находится на одном горизонте с экскаватором. Низкое рабочее давление на грунт драглайна (0.6-0.8 кг/см2) позволяет обходиться без специальных мер по обеспечению устойчивости драглайна на слабонесущих, сильнообводненных породах. При отработке таких пород мехлопатами (с удельным давлением на грунт >2кг/см2) поверхность установки экскаватора устилается слоем прочных пород или экскаватор устанавливается на специальных металлических щитах. Работа драглайнов при максимально возможной ширине заходки по вскрышному уступу позволяет обеспечить большой шаг переноса автодорог по вскрышному уступу и, соответственно, меньшие удельные расходы на их переустройство и постоянное поддержание в эксплуатационной готовности.
В угольной промышленности хорошо известен опыт использования драглайна в качестве выемочно-погрузочной машины, осуществляющей прямую погрузку в авто- и ж.-д. транспорт. Достигнутая суточная производительность ЭШ 6.45 составила 4.5-5 тыс. м3. Вместе с тем делались попытки применить в такой схеме драглайны ЭШ 10.70. Однако от их использования для прямой загрузки карьерного транспорта пришлось окончательно отказаться. Главные причины: большая длина стрелы и большие габариты ковша (10 м3) затрудняли точное выведение ковша на разгрузку, которое сопровождалось большими просыпями грунта при выгрузке в кузов машины. Эти два фактора стали следствием увеличенного времени цикла экскавации и повышенной утомляемости машиниста во время работы, что в конечном итоге выразилось в существенном снижении производительности ЭШ 10.70.
На железорудном карьере Михайловского ГОКа (КМА) уже в течение ряда лет в забоях мягкой вскрыши в качестве выемочно-погрузочной машины используются 8 драглайнов ЭШ 10.50 (ЭШ 10.70 с укороченной на 20 м стрелой), загружающих локомотивосоставы по 12 думпкаров. На верхнем вскрышном уступе высотой 12-15 м ЭШ 10.50 работает заходкой 40-50 м при угле поворота на разгрузку 60-80° (время цикла - около 48 с), подготавливая площадку для отработки драглайном нижележащего уступа. Просыпи породы, образующиеся при разгрузке ковша в думпкары, устраняются драглайном с помощью специального, навешиваемого на ковш устройства.
Один ЭШ 10.50, работая по взорванной вскрыше в забое высотой 30 м (с углом откоса груди забоя не менее 40-42°), ведет ее погрузку в автосамосвалы. По принятой на руднике технологической схеме автосамосвал устанавливается сзади драглайна, практически в створе оси заходки, поэтому средний рабочий угол поворота экскаватора на разгрузку ковша составляет около 120°, что определяет время цикла и производительность машины. По отзывам машинистов драглайнов, погрузка в автосамосвалы - более трудная и напряженная, чем в ж.-д. думпкары. Отсюда - меньшая производительность экскаватора и существенно большая утомляемость машинистов при работе. Попытки использования драглайнов со стрелой 70 м для прямой загрузки транспорта не увенчались успехом по причине неудовлетворительной видимости ковша при его выведении на разгрузку (и полном отсутствии его видимости - в период туманов в карьере) и обусловленной этим малой производительности экскаватора. Также неудачей окончились попытки использовать ЭШ 15.90 для прямой загрузки транспорта. Основная причина - очень длинная стрела, не позволяющая точно выводить ковш на разгрузку в кузов транспорта при выше отмеченных условиях.
Несмотря на отмеченные недостатки, использование драглайнов оправдывалось в каждом конкретном случае достижением одной или нескольких технологических целей:
- бестраншейное вскрытие очередного горизонта в карьере с производством выемочно-погрузочных и транспортных работ в стесненных технологических условиях;
-отработка обводненной части месторождения без заведения на нижнюю площадку уступа транспортных коммуникаций, с расположением транспортного средства на горизонте стояния драглайна;
- исключение перегрузочного звена (обычно экскаваторов типа ЭКГ-5, ЭКГ-8), осуществляющего перегрузку горной массы из навала, созданного драглайном, в транспортное средство;
- уменьшение высоты подъема полезного ископаемого автосамосвалами по наклонным выработкам и повышение производительности карьерного транспорта.
Невзирая на выявленные технологические недостатки, обусловленные конструктивными особенностями драглайна, спрос на технологию выемочно-по-грузочных работ драглайнами с прямой погрузкой в транспортные средства медленно, но неуклонно возрастает.
Вместе с тем, практика локального применения драглайнов в качестве выемочно-погрузочной машины на угольных и рудных карьерах объективно поставила перед конструкторами заводов горного машиностроения задачу по созданию и налаживанию выпуска выемочно-погрузочной машины, сочетающей достоинства драглайнов и мехлопат.
Несмотря на общий положительный опыт использования драглайнов в качестве выемочно-погрузочного оборудования, широкое их применение сдерживается следующими причинами:
- невозможностью для машиниста установления момента точного выведения груженого ковша над кузовом самосвала и связанных с этим увеличением времени цикла экскавации;
- повышенной травмоопасностью при нахождении водителя в кабине самосвала и высоким риском повреждения автосамосвала;
- большой инерционностью груженого ковша при развороте на разгрузку и большой амплитудой его раскачки перед разгрузкой, что обусловливает малые скорости поворота экскаватора и связанные с этим увеличение времени цикла и снижение производительности экскаватора.
Вследствие перечисленных недостатков, заложенная конструкцией драглайна техническая производительность не могла быть достигнута при работе в транспортной системе разработки.
3.2 Конструктивные отличия кранлайна
Два обстоятельства: с одной стороны, практически сформировавшийся запрос карьеров на драглайны для прямой погрузки в карьерный колесный транспорт, с другой, - недостижимость конструктивно заложенной технической производительности драглайнов в транспортной системе разработки стали главными мотивами к началу исследований по созданию экскаватора нового типа, сочетающего технологические достоинства мехлопаты и драглайна.
Первые НИР были начаты в 1990-е годы по заказу АО «Росуголь» объединенной группой специалистов ИПКОН РАН и ННЦ ГП-ИГД им. А.А. Скочинского. В целях реализации столь мощного и до сих пор не использованного резерва улучшения экономических показателей открытых горных работ, который заключен в существенном увеличении высоты отрабатываемых вскрышных и добычных уступов, разработан новый тип экскаватора, названный кранлайном.
За период 1998-2003 гг. были разработаны и запатентованы несколько технических решений по конструкции экскаваторов, в числе которых один получил название «кранлайн» за аналогию с кинематикой подъема груза по вертикали к подъемным блокам краном, и с драглайном, ковш которого поднимается и протягивается в забое канатами.
Кранлайн - это гибридная выемочно-погрузочная машина, предназначенная для отработки высоких забоев нижним черпанием с прямой погрузкой горной массы в средства карьерного транспорта. В конструкции кранлайна реализовано сочетание технологических достоинств мехлопаты (точная и безударная разгрузка ковша в транспорт) и драглайна (отработка нижним черпанием уступов высотой до 30 м и более при малом удельном давлении опорной базы на грунт). Конструкция кранлайна и его рабочего оборудования не имеют мировых аналогов и защищены патентами РФ №2186178 и №2182971.
Создание кранлайна предусматривается на платформе и ходовой базе драглайна. Конструктивное отличие: на платформе размещена третья (дополнительная) одноканатная лебедка для заброса порожнего ковша в забой; рабочее оборудование (стрела и ковш) изменены коренным образом: на конце стрелы закреплен одинарный головной блок, через который проходит канат для заброса порожнего ковша, двойные блоки подъема груженого ковша перенесены в среднюю часть стрелы, на ее нижний пояс. При этом часть стрелы (примерно 1/3 ее длины), от опор на платформе до оси подъемных блоков воспринимающая максимальные нагрузки, возникающие при подъеме груженого ковша, выполняется максимально упрочненной.
Конструкция стрелы: рассмотрены различные варианты исполнения, отличающиеся конфигурацией нижнего пояса стрелы, определяемой заданными конструктивно-технологическими параметрами кранлайна - радиусом и высотой разгрузки ковша в транспортное средство.
Ковш кранлайна имеет открывающуюся заднюю стенку, оснащенную запорным механизмом, срабатывающим при выведении ковша в вертикальное (или близкое к нему) положение для разгрузки.
Предварительно намеченный типоразмерный ряд кранлайнов - драглайнов шагающих погрузочных (ДШП) включает 7 базовых моделей, оснащаемых ковшом от 6 до 50 м3. Технологически кранлайн осуществляет заброс порожнего ковша в забой уступа с помощью третьей лебедки на канате, проходящем через одинарный головной блок, укрепленный на конце стрелы. Подъем груженого ковша из забоя осуществляется двумя подъемными канатами, переброшенными через спаренные подъемные блоки, закрепленные в средней части стрелы, с участием тяговых канатов. Тяговые канаты, как у традиционного драглайна, протягивают ковш в забое до его заполнения грунтом и после вывода ковша из забоя, в процессе подъема и переноса к месту разгрузки, поддерживают его в горизонтальном положении.
Применение кранлайнов в карьерах позволяет увеличить в 2 и более раза высоту отрабатываемого уступа, обеспечивая 2-3-х кратное уменьшение числа уступов и протяженности транспортных горизонтов, а также прямо пропорциональное уменьшение объема работ по прокладке и содержанию транспортных коммуникаций в эксплуатационной готовности, при соответствующем уменьшении доли этих расходов в себестоимости добычи полезного ископаемого. Увеличение высоты уступа в 2 и более раза позволит поддерживать рабочий борт карьера под более крутым углом (см. рис. 2), что приведет к некоторому снижению текущего коэффициента вскрыши, к уменьшению объема вынимаемой в контуре карьера вскрыши и сокращению площади земель под горный отвод и внешние отвалы.
3.3Возможные области применения кранлайнов
Выполненные исследования позволили разработать классификацию условий эффективного применения кранлайнов в транспортной системе разработки и выделить главные признаки их перспективности для отработки природных месторождений:
- наличие пластов полезного ископаемого горизонтального и пологого залегания мощностью 15-25 м и более, а также кратных этим величинам;
- наличие породных междупластий мощностью 10-20 м и более;
- наличие покрывающей толщи мягких и сыпучих пород мощностью 20-30 м и кратной им;
- большая обводненность карьерного поля вне зависимости от глубины залегания месторождения.
С использованием вышеприведенных признаков выделены природные месторождения России, стран СНГ и дальнего зарубежья, перспективные к отработке кранлайнами в транспортных системах. Изучение опыта применения драглайнов на прямой погрузке горной массы в карьерный транспорт,во-первых, подтвердило востребованность и своевременность создания нового экскаватора, а, во-вторых, позволило разделить потенциальных потребителей кранлайнов на три большие группы: I - первоочередные потребители; II - перспективные потребители; III - специальные потребители.
В I-ю группу сведены действующие горные предприятия, для которых выполнены проектные проработки, содержащие прямые указания на необходимость применения драглайнов, оснащенных «устройством для прицельной разгрузки ковша в кузов автомобильного и железнодорожного карьерного транспорта».
Предварительная потребность в кранлайнах только для названных угольных предприятий до 2005 г. составляет не менее 8 ед., из них 7 - с ковшом 10-15 м3 и один - с ковшом 6.5 м3. К первоочередным для внедрения кранлайнов следует отнести и разрез на Яман-Юшатырском месторождении, разработка которого отложена до окончания эксплуатации Тюльганского месторождения. Согласно проекту «Уралгипрошахт» здесь предусмотрены пять драглайнов ЭШ-15.50 для выемки основного (95%) объема вскрыши с прямой погрузкой в карьерный железнодорожный транспорт.
Во II-ю группу предприятий отнесены как проектируемые, так и действующие карьеры и разрезы, для которых предусматривается реконструкция рабочей зоны в целях улучшения технико-экономических показателей добычи полезного ископаемого, в т. ч. за счет увеличения высоты уступов. К этой группе относятся действующие карьеры, осуществляющие плановое техническое переоснащение парка вы-емочно-погрузочной техники и также связанного с ним увеличения параметров системы разработки.
К II-й группе отнесены карьеры, эксплуатирующие свиты пластов полезного ископаемого, моноклинально падающих, имеющих меж-дупластья мощностью 10-15 м и более, и для которых характерно постоянное нарастание объемов вскрыши, отрабатываемой по транспортной системе разработки.
Выделенные в III-ю группу, специальные потребители, объединены особыми требованиями к выемочно-погрузочно-му оборудованию, определяемыми свойствами разрабатываемых природных и техногенных полезных ископаемых: большой водонасыщенностью (влажностью); слабой устойчивостью в откосах как в сухом, так и влажном состоянии.
Примерами таких потребителей являются предприятия по отработке обезвоженных лежалых хвостов обогатительных фабрик, угольные и рудные карьеры, верхние уступы которых ставятся в предельное положение, а также песчаные карьеры, на которых применение гусеничной и колесной вы-емочно-погрузочной и транспортной техники технологически весьма затруднено. Такие потребители предъявляют к экскавационной машине, прежде всего, требования, во-первых, безопасной и надежной работы вне призмы возможного обрушения откосов слабонесущих грунтов; во-вторых, беспрепятственной возможности совершения маневров (поворотов, разворотов) в забоях и, в-третьих, способности прямой и точной погрузки в средства автомобильного и железнодорожного транспорта. Кранлайны, имеющие достаточно большой радиус черпания и возможность прямой разгрузки ковша в кузов, а также меньшее удельное давление на грунт как при работе, так и при передвижении отвечают таким требованиям. Они представляют собой оборудование, которому на сегодня нет равных для отработки перечисленных видов месторождений.
Отдельную и довольно значительную группу специальных потребителей кранлайнов составят карьеры, отрабатывающие техногенные месторождения, сформированные при складировании мокрых хвостов обогащения угля и руд. К главному признаку, характеризующему техногенное месторождение как благоприятное и в высшей степени перспективное к отработке кранлайнами, относится слабая несущая способность его массива и сильная его обводненность, не допускающие применения мехлопат, колесных видов погрузочной и транспортной техники. Способность кранлайнов вести выемку нижним черпанием при существенно большем, чем у мехлопат, радиусе черпания, обеспечивает безопасные условия для отработки, например, хвостохранилищ обогатительных фабрик цветных и редких металлов, угля, руд черных металлов, все чаще вовлекаемых в повторную отработку как альтернатива природным месторождениям.
Низкая несущая способность хвостов и невозможность использования подсыпки и привозных пород предопределили выбор в пользу драглайнов ЭШ-8/30 (с удельным давлением на грунт 0.6 кг/см2 при работе и 1.1 кг/см2 при шага нии) и автосамосвалов БЕЛАЗ-7548 (42 т). Предпочтение драглайнов объясняется еще возможностью их размещения на кровле отрабатываемого уступа, что особенно важно в условиях неопределенности с влажностью и несущей способностью отрабатываемых хвостов. В упомянутом ТЭО, по существу, запроектирована технология отработки техногенного месторождения с использованием кранлайнов. Прогнозируемое расширение масштабов вовлечения таких месторождений в хозяйственный оборот дает все основания для ожидаемого роста спроса на кранлайны.
Кроме того, к техногенным месторождениям, благоприятным к отработке кранлайнами, следует отнести отвалы мягких и несвязных (песчаных и песчано-глинистых) пород, отсыпанных гидравлическим способом. На сегодняшний день такие отвалы становятся если не единственным, то практически легко доступным и весьма перспективным источником природных песков для строительных отраслей промышленности, испытывающих дефицит в природных месторождениях этого сырья.
