Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Обоснование параметров технологии открытых горных работ с применением бункерных установок

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат диссертации по теме "Обоснование параметров технологии открытых горных работ с применением бункерных установок"

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

РГ6 ОД

РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ДРУЖБЫ НАРОДОВ

¡-и.:, ■.>

На правах рукописи Бычков Анатолий Яковлевич

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИИ ОТКРЫТЫХ ГОРНЫХ РАБОТ С ПРИМЕНЕНИЕМ БУНКЕРНЫХ УСТАНОВОК

Специальность 11.00.11 "Охрана окружающей среды и

рациональное использование природных ресурсов" 05.15.03 "Открытая разработка месторождений полезных ископаемых"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва 1998

Работа выполнена в Российском университете дружбы народов.

Научный руководитель:

-доктор технических наук, профессор Л.Н. Кашпар Научный консультант:

-кандидат технических наук И.В. Деревяшкин

Официальные оппоненты:

-доктор технических наук, профессор, заслуженный изобретатель РФ Низамов X. Н.

-кандидат технических наук, доцент Размыслов Ю.С.

Ведущая организация - Московской государственный горный университет.

заседании дидееудоцпишили 1л>ьеш л. ujj.xz.zu а п«л;пиСКОМ

университете дружбы народов. Адрес : 117302, г. Москва, ул. Орджоникидзе, 3.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Российского университета дружбы народов (117198, г.Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. 6)

на

Автореферат разослан

Учёный секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

В.Д. Долгушин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. Анализ публикаций по технологии открытых горных работ показывает, что сегодняшнее положение в карьерах предопределяет широкое внедрение циклично-поточной технологии (ЦПТ). ЦПТ требует внедрения промежуточного звена-бункера, обеспечивающего независимую работу смежных процессов. Вместе с тем в печати отсутствуют материалы по исследованию и выявлению закономерностей движения горной массы в бункере при различных режимах загрузки и выгрузки горной массы во взаимосвязи с параметрами выемочно-погрузочных машин и транспортных средств и их влиянием на окружающую среду. На кафедре горного дела РУДН была утверждена и принята к исполнению госбюджетная тематика по разработке новых технологических решений и технических средств добычи полезного ископаемого открытым спосо-бом.("Разработка и обоснование концепции эффективной технологии открытой разработки полезных ископаемых с учетом ресурсосбережения и экологии." №113710) Изложенные в диссертации материалы исследований технологии выемочно-погрузочных работ в забое являются результатами изыскания и обоснования прежде всего рациональных режимов работы бункера, которые ранее не исследовались, но являются весьма важным звеном в ЦПТ открытых горных работ: геометрических параметров бункерной установки и его принципиальных конструктивных решений во взаимосвязи со смежными технологическими процессами и экологическим воздействием.

В карьерах бункерные установки применялись и применяются из условия приёма одно го-двух думпкаров или 3-5 ковшей экскаватора. При этом не учитываются особенности работы

последующего транспорта, рациональности и полноты его загрузки, не установлены оптимальные или рациональные геометрические параметры бункера и бункерной установки, обеспечивающих устойчивую работу технологического комплекса. Поэтому обоснование режимов загрузки и истечения горной массы из бункерной установки, её рациональных параметров и конструкции во взаимосвязи с выемочно-погрузочным и транспортным оборудованием при рациональном, использовании природных ресурсов, а также экологическими факторами является актуальной научной задачей.

Шея работы заключается в том, что при определении параметров технологии открытых горных работ с применением бункерных установок должны учитываться режимы заполнения и истечения горной массы из бункера, крупность частиц загружа-емо-разгружаемой горной массы, соотношение размеров выпускного устройства и максимального размера куска, геометрических параметров бункера и техническими средствами его заполнения, влияние технологии выемочно-погрузочных работ с использованием бункеров на экологию карьера и прикарьерных площадей.

Цель работы. Выявить влияние режимов заполнения бункера и истечения из бункера горной массы в транспортное средство на параметры бункерной установки, а также установить закономерности движения горной массы по откосу разрабатываемого уступа, позволяющие разрабатывать уступы в заданных объёмах при минимальных капитальных и эксплуатационных затратах и значительном снижении выброса пыли в атмосферу карьера.

Задачи исследований. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести анализ и обобщение основных технологических схем горных работ в карьере с использованием бункерных установок;

2. Выявить и обобщить принципиальные конструктивные решения бункерных установок и границы их применения;

3. Исследовать влияние режимов загрузки бункеров, крупности частиц загружаемой горной массы, параметров бункеров на режимы истечения из бункера;

4. Обосновать рациональность и экономичность использование бункерных установок при безэкскаваторной разработки уступов.

Методы исследования. Обобщение и анализ публикаций (при решении первой и второй задач), физическое и математическое моделирование (при решении третьей задачи), метод вариантов (при решении первой, второй и четвертой задач). Научные положения, выносимые на защиту:

1. Принципы группирования технологических схем производства работ в карьере с использованием бункерных установок. Классификация бункеров, используемых на открытых горных работах.

2. Экспериментальное обоснование сегрегации загружаемой горной массы в бункерах различных форм и размеров. Обоснование влияния действующего коэффициента неравномерности горной массы, формы и места загрузки бункера на истечение горной массы из бункера.

3. Экспериментальное обоснование соотношения размера выпускного отверстия к максимальному куску 6,6 и более, которое не оказывает влияния на возможность зависания сухой горной массы в бункере.

4. Теоретическое обоснование снижения негативного воздействия открытых горных работ на окружающую среду при безэкскаваторной погрузке взрываемой горной массы. Апробация работы. " Первый Съезд гидромеханизаторов России". М., 1998. XXXII, XXXIII, XXXTV Научно-технические конференции инженерного факультета РУДН. М., 1996, 1997, 1998. VIII Международное совещание работников нерудной промышленности. М., 1996.

Достоверность научных положений. Высокая сходимость результатов экспериментов с расчётными значениями параметров истечения и загрузки горной массы в бункере, использование большого количества публикаций, явившихся основанием предложенной классификации, многофакторными и полномасштабными экспериментами в безразмерных и масштабных величинах, математической обработкой результатов экспериментов по нескольким, методикам с использованием компьютерной техники (программ EXCEL и MATCAD ) и их высокой сходимостью. Научное значение работы.

- в выявлении сегрегации во время загрузки бункера горной массой;

- в теоретическом обосновании параметров бункерной установки;

- в разработке методики расчета параметров бункерной установки, режимов загрузки и истечения горной массы из бункера на основе многофакгорного и полномасштабного экспериментов;

- в обосновании резкого снижения выброса пыли в атмосферу за счет рационального сочетания безэкскаваторной разработки забоя и бункерных установок.

Практическое значение работы состоит:

- в значительном снижении негативного воздействия на окружающую среду предлагаемых технологических и технических решений;

- снижении удельных затрат энергии, труда, материалов, достигаемом при применении предлагаемых решений;

- разработке методики расчета технологии, параметров бункеров и режимов загрузки и истечения горной массы из бункера, что повышает мобильность перемещения, производительность и экономичность работы лризабойного оборудования.

Реализация выводов и рекомендаций работы: выводы и рекомендации включены в читаемые студентам дисциплины и приняты к внедрению проектировщиками института Центргипроруда. Публикации. По материалам выполненных исследований опубликовано одиннадцать работ.

Объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения, содержит 219 страниц машинописного текста, 90 рисунков, 36 таблиц, списка использованной литературы из 159 наименований и 1 приложение.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Анализ работы действующих карьеров и разрезов предсказывает большую перспективу циклично-поточной технологии (ЦПТ) ведения открытых горных работ. На основе проведенного анализа и обобщений внедренных и предлагаемых к внедрению технологических схем в работе предложено пять групп ЦПТ. Каждая группа включает обязательный элемент - бункерную установку или промежуточный склад. К исследованиям в качестве основного технологического звена, от которого зависит эффективность ЦПТ, приняты бункерные установки. Все бункерные установки классифицированы по семи классам и

трем признакам в классе. В ЦПТ бункерные установки имеют тесную взаимосвязь с видом (способом) загрузки и типоразмером транспорта, на который идет выгрузка горной массы из бункера.

КЛАССИФИКАЦИЯ ПЕРЕГРУЗОЧНЫХ УСТРОЙСТВ И

УСТАНОВОК ГОРНОДОБЫВАЮЩИХ ПРЕДПРИЯТИЙ

____ таблица №1

№ признак индекс класса I 11 111

1 объём и длительность нахождения в бункерном устройстве горной массы А силос бункер пересыпные устройства

2 стационарность В стационарк ый полу ста ционарн передвижной (мобильный)

3 форма С круглая прямоуголь пая многогранная

4 конструкция загрузочной части в закрытая комбиниро ван. открытая

5 способ разгрузки Е принудит ел ьный комбиниро ванный гравитационный

6 форма выпуска Б конусообра зные прямоуголь ные многогранные

7 назначение С хранение технолог, звено сопряжение смежных звеньев технологических схем

Впервые предлагаемая классификационная схема позволяет быстро представить структуру и взаимосвязь смежных процессов посредством бункера. Указанные классификации дополняются обобщениями по формам собственно бункера, выпускных воронок, загрузочных отверстий, которые в определенной степени влияют на форму истечения. Из публикаций следует, что на форму истечения так же оказывают существенное влияние фи-зикомеханические свойства горной массы и полнота загрузки бункера, но отсутствуют математические формулы и зависимости.

Многочисленные публикации показывают, что минимальный размер выпускного отверстия определяется максимальным

размером куска, перегружаемой через бункер несвязной горной массы, размер выпускного отверстия колеблится в пределах от четырёх до десяти размеров максимального куска рагружаемой горной массы. Авторы не указывают границ или условий, при которых проводились эксперименты или наблюдения, что затрудняет практическое использование их рекомендаций. Ряд авторов характеризует соотношение ширины выпускного отверстия и максимальный размер куска, проходящего через бункерную установку через коэффициент проходимости. Величина коэффициента колеблется от 2,5 до 15. Пропускная способность бункера описана математически, где учитывается скорость истечения материала, насыпная плотность и площадь отверстия. Акад. В.В. Ржевский наиболее полно учитывает факторы, влияющие на пропускную способность, в частности: физикомеханические свойства, конструкция затвора выпускного отверстия, коэффициент сужения струи, коэффициент использования люка во времени.

Многочисленные публикации выделяют три формы истечения и указывают на качественную взаимосвязь места положения загрузочной точки и фигуры истечения. Однако конкретных математических моделей они не дают. Вместе с тем в публикациях отсутствуют указания на влияние бункерной установки форм и видов загрузки и выгрузки горной массы из бункера на окружающую среду. На основе проведенного анализ публикаций (проанализированы публикации по выпуску руды из очистных блоков при подземной разработке, а также из рудоспусков, перепускных стволов, силосов на ДСФ и ОФ) приняты к лабораторным исследованиям для решения горной задачи выявления факторов, влияющих на режимы движения массы при загрузке

и истечении. Применяя теорию размерности и методы подобия в качестве основных масштабов лабораторной установки, на которой исследовались закономерности процесса движения горной массы в бункере, приняты линейный масштаб, масштаб времени, масштаб плотности, масштаб сил, масштаб объемных весов.

Рис. 1. Модель бункера. 1- фигура массового истечения; 2- фигура вторичного разрыхления-, 3- траектория движения точек одной горизонтальной оси, 4 - секундомер, 5 - выпускное отверстие, 6 - масштабная линейка,. 7 -данные эксперимента, 8 - навал горной массы, 9 - угол естественного откоса.

Лабораторная установка (рис. 1) представляет собой плоскую модель сектора бункера по осевой линии через выпускное отверстие. Наклонные стенки модели бункера выполнены таким образом, что угол наклона можно изменять при жестком закреплении от 30° до 80°. Высота навала горной массы в модели бункера позволяла моделировать максимальную высоту 40м, что по расчетам на 25-30% превышает возможную высоту навала в бункере для серийно выпускаемого экскаваторного оборудования. Моделирование проводилось на гематитовой руде трёх видов фракций: (0-Змм, 3-8мм, 0-8мм) и на кварцевом песке фракции 0-2мм. Результаты эксперимента фиксировались телекамерой, фотоаппаратом, хронометром.

Результаты эксперимента показали, что время ^истечения горной массы при равном объёме загружаемой в бункер руды оказывается наименьшем при соотношении ширины выпускного отверстия к максимальному размеру куска 6,6, дальнейшее увеличение соотношения не оказывает влияния на скорость истечения. Наибольшая длительность истечения при прочих равных условиях выявлена при уменьшении соотношения выпускного отверстия к максимальному размеру куска от 6,6 до 2,5. Способ загрузки также оказывает влияние на длительность истечения горной массы. Веерная загрузка обеспечивает несколько ускоренное истечение руды из бункера в сопоставлении с точечным. Увеличение скорости истечения при веерной загрузке 1,2 -1,3 раза по сравнению с точечной за1рузкой для фракций различных кусков в 6,6 раз меньше ширины отверстия истечения.

На основе анализа публикаций выявлены четыре основных фактора, влияющие на скорость истечения горной массы из бункера. С целью выявления влияния исследуемых факторов и сокращения количества лабораторных работ на основе закономерностей планирования экспериментов принята матрица 4x4=16 (таблица №2).

На основе матрицы эксперимента составлен план эксперимента, который позволяет провести опыты при различном сочетании четырёх факторов.

Для обработки данных лабораторного эксперимента создана ма- , трица в системе EXCEL.

На основе первичной математической обработай результатов экспериментов матричных данных построены графики зависимости времени истечения от влияющего фактора (рис.2). Эти графики необходимы для выявления значения постоянных ко-

эффициентов в обобщающих формулах (четырёхфакгорная зависимость).

МАТРИЦА ЭКСПЕРИМЕНТА

таблица № 2

а >. мм 10 15 20 25

ЧЯД <«. w, мм^Ю5 2 4 6 8 2 4 6 8 2 4 в 8 2 4 б 8

1

40 н

3 МП

4

1 т

50 2 т

г №

4

1 мая

60 2 щ

3

4 ш

1 м

70 г на и

г №й

4

Из анализа графиков (рис. 2,) приходим к выводу, что зависимости являются прямыми первого порядка. Для составления уравнения характеризующего влияния четырёх факторов (угол наклона стенок бункера, ширина выпускного отверстия, размер фракции и о&ьём горной массы) рассчитываем коэффициенты общего уравнения по формулам (1,2).

Расчитываются значения коэффициентов каждого из исследованных факторов:

- общий вид уравнений, по которым вычисляются коэффициенты:

п*а +Ь*£Х| = ЭД (1)

а * £Х { +Ь * ГХ2| = £Х¥ (2)

Где: П - количество изучаемых факторов, я,Ь - коэффициенты влияющих факторов.

Рис. 2. Графики многофакторного эксперимента по программе EXCEL.

Вычисление значения коэффициентов а и b производим на компьютере по разработанной методике и предлагаемой на её основе программе вычислений в EXCEL. Обработка результатов экспериментов обобщена в виде формулы времени истечения горной массы из бункера функцией угла наклона стенок бункера (а), объёма горной массы в бункере (W), ширины выпускного отверстия (в) и размера макмнмального куска (d):

t=31,24-0,85tt-0,209B-0,283d+0,2W

u

По этой зависимости можно расчитывать производительность бункерной, установки.

Экспериментами установлено, что в процессе загрузки бункерной установки происходит сегрегация загружаемой горной массы. Наиболее крупные куски скатываются к стенкам бункера а мелочь-к осевой линии загрузки. Указанный результат играет существенную роль в разработке как вскрышных пород так и полезного ископаемого. Сегрегация горной породы наталкивает на мысль разработки бункерных установок, монтируемых из стандартных секций. Размер стандартной секции определяется прежде всего видом транспорта из-под бункерной установки и типоразмером экскаватора или загрузочного средства.

Установлено, что применение многосекционных бункерных установок, высота которых не должна превышать 7м, обеспечивает приемную способность в 1,5 раза большую по сравнению с максимально возможной для данного типа экскаватора высотой бункерной установки.

Наибольшие линейные размеры бункера в плане необходимы при загрузке бункера драглайном и они могут достигать 40-б0м.

Фактически эти размеры должны быть несколько выше, так как в процессе работы драглайна точки разгрузки ковша на 5-7м по кругу могут быть смещены в любую сторону от центральной точки бункера.

В настоящее время разрабатываемые в карьере горные породы, коэффициент крепости которых превышает 3, подготавливаются к выемке буровзрывным способом. При этом взрывные работы проводятся с учетом уборки взорванной массы за 2-5 недель. В блоке экскаваторного забоя взрывается до 200т взры-

вчатого вещества. При массовом взрыве в атмосферу на большую высоту поднимается большое облако пыли и вредных газов (СО, N0 и др.). Резкое снижение массового выброса газов и особенно пыли в атмосферу возможно при взрывании в забое только одной скважины. Разрушенная взрывом горная масса по откосу уступа будет скатываться в бункер. Одна из стенок бункера прислонена к откосу, по длине которого происходит обрушение. За один взрыв будет разрушено до 6 тыс. м3 горной массы и взорвано до 4т ВВ. Взрывы могут производится на уступе в любой час светлого времени суток с выставлением охраны в радиусе 200м от забоя. Такая технология и организация взрывных работ, кроме резкого снижения негативного воздействия на окружающую среду за счет уменьшения объёма газа и пыли в 40-50 раз, уменьшает мощность воздушной волны и радиус сейсмических волн, обеспечивает резкое снижение удельных затрат на электроэнергию при погрузке, что приводит к повышению производительности транспортных средств, вывозящих горную массу из забоя.

Проведенные исследования и расчёты, позволяют определить основные параметры бункерной установки, забоя и транспортных средств для взрывонавалочной технологии. Предлагаемые решения снижают вредное воздействие горных работ на окружающую среду.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ: 1. Основным связующим звеном выемочно-погрузочных работ и транспорта является бункер, обеспечивающий гибкую связь и независимую работу смежных процессов. При ДТП в карьере наиболее рационально применение передвижных бункерных установок монтируемых из стандартных секций. Размер стандарт-

ной секции позволяет вести выгрузку горной массы на принятый вид транспорта. Количество секций в бункерной установке определяется технологией производства работ в забое, типоразмером выемочно-погрузочного оборудования и принятым способом загрузки транспортного средства.

2. Установлено, что форма и скорость истечения зависят от технологии загрузки бункерной установки, а также от соотношения размера выпускного устройства и диаметра максимального куска, разгружаемой горной массы. При соотношении 6,6 и более процесс выгрузки идет без сбоев.

3. Выявлена закономерность и взаимосвязь смежных операций режимов загрузки и разгрузки бункеров; разработанная многофакторная зависимость позволяет вычислять основные параметры бункеров, производительность погрузочного устройства.

4. Анализ влияния технологии подготовки породы и выемке, режима загрузки и вьпрузки горной массы из бункера позволили рекомендовать к применению в промышленности беззкс-каваторную (взрыво-навалочную) погрузку разрабатывемой горной массы на уступе. Использование секционных бункерных установок рациональных размеров в плане и предлагаемой безэкскаваторной погрузки позволит снизить вредное воздействие взрывных работ на окружающую среду.

5. Для обеспечения эффективной работы погрузочного и транспортного оборудования предложенные усовершенствования технологических схем отражают особенности, определяющие выбор технического оборудования и технологии горных работ в карьере и требования концепции ООН по охране окружающей среды.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Кашпар Л.Н., Деревяшкин И. В., Бычков А.Я.,Кристиан Уэдра-го. Направление совершенствования технологии выемочно-погрузочных работ в карьерах по добыче строительных горных пород. Сборник тезисов докладов VIII Международное совещания работников нерудной промышленности. М., 1996

2. Деревяшкин И.В., Бычков А.Я. Обоснование параметров забоя при разработке высоких уступов с бункерной отгрузкой горной массы. Труды XXXII научной конференции профессорско-преподавательского состава инженерного факультета РУДН.1996.

3. Деревяшкин И.В., Бычков А.Я. Теоретические основы геометрии и параметров бункерных установок призабойного пространства на высоких уступах . Труды XXXIII научной конференции РУДН.1997

4. Бычков А.Я., Фролов Л.В. Технологические решения безэкскаваторной разработки несвязных строительных горных пород.Труды XXXIII научной конференции РУДН.1997

5. Л.Н. Кашпар Л.Н., Деревяшкин И.В., Бычков А.Я. Связь параметров бункера и типоразмера драглайна. М., ВИНИТИ, деп. 3156-97, 18 сгр.

6. Деревяшкин И.В., Бычков А.Я. Технологические бункерные системы на горных предприятиях и горно-перерабатывающих предприятиях. М., ВИНИТИ деп. 3153-97, 8стр.

7. Деревяшкин И.В., Бычков А.Я Режимы загрузки и разгрузки бункера. М., ВИНИТИ деп. 3154-97, 7стр.

8. Деревяшкин И.В., Бычков А.Я Основные закономерности истечения сыпучих материалов из бункеров. М., ВИНИТИ деп. 3155-97, 10стр.

9. Бычков А.Я Влияние места загрузки несвязной горной массы на вместимость бункера. М., ВИНИТИ деп. 3157-97, 13стр.

10. Бычков А.Я. Режимы движения горной массы в бункере. Труды XXXIV научной конференции РУДН.1998.

11. Бычков А.Я, Рациональные параметры и режимы работы бункерных установок - основа бесперебойной работы технологического оборудования смежных процессов. Первый Съезд гидромеханизаторов России. Изд. МГГУ, 1998г.

БЫЧКОВ АНАТОЛИЙ ЯКОВЛЕВИЧ (РОССИЯ)

""Обоснование параметров технологии открытых горных работ с применением бункерных установок".

Анализ показателей эксплуатации технологического оборудования карьеров России и стран СНГ показывает незначительное их улучшение за последние 30 лет. Применение нового оборудования и рост его единичной мощности не сопровождались соответствующим увеличением производительности технологически взаимосвязанных машин и улучшением экономических показателей. Предлагаемая гибкая связь технологической цепочки с использованием бункера позволит увеличить производительность забоя.

BITSHKOV ANATOLI JAKOVLIEVICH (RUSSIA)

"Substantiation of the technological parameters of the opencast using the bunker".

The analysis of operation indices of technological eguipment in Russian and CIS countries open pits shows their insignificant for the last 30 years. The application of the new equipment and growth of its unit power has not lead to the substantial increase in productivity of the technologicffle coherent machinery and to improvement of economic indices. The proposed flexible technological chain with using the bunker affords increasing productivity

Подписано в печать 20.07.98 г. Формат 60x84/16. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,16. Усл. кр.-отт. 1,29. Уч.-изд. л. 0,84. Тираж 100 экз. Заказ 515.

Издательство Российского университета дружбы народов 117923, ГСП-1, Москва, ул. Орджоникидзе, 3

Типография ИПК РУДН 117923, ГСП-1, Москва, ул. Орджоникидзе, 3