Обоснование способа повышения производительности и расширение области применения бульдозерно-рыхлительного агрегата при разработке карбонатных месторождений

Сидорков, Андрей Анатольевич

Автореферат диссертации по теме "Обоснование способа повышения производительности и расширение области применения бульдозерно-рыхлительного агрегата при разработке карбонатных месторождений"

На правах рукописи

005056291

СИДОРКОВ Андрей Анатольевич

ОБОСНОВАНИЕ СПОСОБА ПОВЫШЕНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ И РАСШИРЕНИЕ ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ БУЛЬДОЗЕРНО-РЫХЛПТЕЛЬНОГО АГРЕГАТА ПРИ РАЗРАБОТКЕ КАРБОНАТНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

Специальность 25.00.22 - «Геотехнология (подземная, открытая и строительная)»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

6 ДЕК 2012

Тула 2012

005056291

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Тульский государственный университет» (ТулГУ) на кафедре «Геотехнологий и строительства подземных сооружений».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор САФРОНОВ Виктор Петрович

Официальные оппоненты:

ЧИРКОВ Александр Степанович, доктор технических наук, профессор, Московский государственный горный университет/ кафедра «Технологии, механизации и организации открытых горных работ», профессор кафедры. ПРОХОРОВ Дмитрий Олегович, кандидат технических наук, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Тульский государственный университет»/ кафедра «Геоинженерии и кадастра», доцент кафедры.

Ведущая организация - ОАО «Тулагипрохим».

Защита диссертации состоится « 26 » декабря 2012 года в 12 часов 00 мин на заседании диссертационного совета Д 212.271.04 при Тульском государственном университете по адресу: 300012, г. Тула, просп. Ленина, 90, ауд. 220, 6-й уч. корпус.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тульского государственного университета.

Автореферат разослан » ноября 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Копылов Андрей Борисович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Разработка карбонатных месторождений, например, известняков, доломитов и их разновидностей в основном ведется с применением буровзрывных работ. По ряду причин, таких как, присутствие на балансовых запасах охранных зон от сейсмических воздействий взрывной волны или полезная залежь представлена прослойками пустых пород, необходимо внедрять безвзрывные технологии подготовки скальных горных пород к экскавации. Безвзрывные технологии позволяют отработать балансовые запасы без потерь качества полезного ископаемого. Существуют два альтернативных варианта безвзрывных технологий. Первый вариант -включение в добычной комплекс фрезерного комбайна. Второй вариант -включение в технологический комплекс горных работ бульдозерно-рыхлительного агрегата (БРА).

Фрезерный комбайн требует фронт добычных работ значительной протяженности. Для этого нужно иметь существенные опережения фронта вскрышных работ и приемные возможности отвального хозяйства. Многим горным предприятиям выдержать такое положение не под силу - по причине сезонности (нестабильности) спроса на производимое ими строительное сырье. Закарстованные карьерные поля также накладывают дополнительное ограничение на внедрение фрезерных комбайнов.

Разработка месторождений карбонатных пород с использованием мобильных комплексов оборудования, включающих БРА, является перспективным направлением механизации горных работ в карьерах, разрабатывающих массивы карбонатных пород. Основные достоинства БРА -возможность работы при небольшой протяженности фронта добычных работ; мобильность; возможность работы на наклонной поверхности забоя; регулирование фракционного состава полезной массы в широком диапазоне.

Несмотря на достоинства БРА, имеются и недостатки: область применения ограничивается прочностными особенностями карбонатного массива (до 60 МПа); по производительности добычные работы с применением БРА уступают результатам буровзрывных работ; для эффективной работы БРА базовая мощность трактора должна быть не менее 500 л.с. Однако, практика показала, что даже при такой мощности трактора БРА не возможно ее реализовать в максимальное тяговое усилие - по причине пробуксовки гусениц. Устранение этих недостатков является актуальной проблемой на современном этапе развития безвзрывного способа подготовки карбонатного массива к экскавации.

Поэтому повышение производительности БРА и расширение области его применения (породы прочностью более 60 МПа) при подготовке карбонатного массива к экскавации является актуальной проблемой на современном этапе развития горного дела.

Целью работы является установление новых и уточнение существующих закономерностей влияния на работу бульдозерно-рыхлительного агрегата

способа подготовки поверхности забоя к рыхлению для повышения производительности и расширения области его применения при подготовке

карбонатного массива к экскавации.

Идея работы заключается в том, что повышение производительности бульдозерно-рыхлительного агрегата и расширение области его применения при подготовке карбонатного массива к экскавации, обеспечивается реализацией максимального тягового усилия.

Основные научные положения, сформулированные в работе, состоят в следующем:

- повышение производительности БРА достигается путем увеличения коэффициента сцепления гусениц трактора с поверхностью забоя, что позволяет обеспечить максимальное тяговое усилие;

-на величину коэффициента сцепления влияют технологические параметры, оценивающие поверхность забоя, при этом управлять коэффициентом сцепления можно за счет мощности подготовительного технологического слоя из карбонатного материала, фракционного состава 20120 мм;

-эффективность использования БРА на базе трактора с паспортной мощностью менее 500 л. с. достигается за счет установления по природным слоям карбонатных пород шага глубины рыхления и увеличения тяговых усилий трактора за счет достижения максимального сцепления гусениц с поверхностью забоя, путем создания из природных слоев мощностью 100-300 мм подготовительного технологического слоя.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- получена зависимость значений коэффициента сцепления гусениц БРА от мощности подготовительного технологического слоя из карбонатного материала забоя при заданных значениях природного фракционного состава, позволяющая обосновывать мощность базового трактора, шаг глубины рыхления карбонатного массива при максимально достигаемом тяговом усилии БРА;

-усовершенствован алгоритм расчета мощности базового трактора в зависимости от технологических параметров, характеризующих поверхность забоя;

- установлено, что для рыхления массива карбонатных пород прочностью 60-80 МПа можно применять БРА на базе трактора с паспортной мощностью менее 500 л. с. (в нормах технологического проектирования мощность базового трактора рекомендована не менее 500 л.с.). Максимальное тяговое усилие БРА достигается за счет увеличения коэффициента сцепления гусениц трактора с поверхностью забоя. Увеличение коэффициента сцепления достигается путем создания из карбонатного материала забоя подготовительного технологического слоя мощностью не менее 120 мм при значениях мощности природных слоев 100-300 мм.

Метод исследований - комплексный, включающий научный анализ и обобщение практического опыта использования способов и средств

подготовки горных пород к экскавации; результаты ранее выполненных работ по механическому способу подготовки горных пород к экскавации; вычислительный и опытно-промышленный эксперименты; анализ и обработку экспериментальных данных с применением методов теории вероятностей и математической статистики.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов подтверждаются корректной постановкой задач исследования, обоснованным использованием классических методов математической статистики и современных достижений вычислительной техники; согласованностью результатов теоретических, экспериментальных исследований с положениями в рамках теории безраспорной и распорной зернистой среды; экспериментальными исследованиями в производственных условиях и сходимостью экспериментальных результатов с результатами, полученными теоретически (расхождение не превышает 14%).

Практическое значение работы заключается в разработке методических рекомендаций по проектированию технологических паспортов эффективной работы БРА при разработке карбонатного массива, путем достижения максимального тягового усилия трактора за счет максимального коэффициента сцепления траков гусениц с поверхностью забоя. Максимальный коэффициент сцепления гусениц БРА достигается за счет формирования после вскрышных работ на поверхности забоя, путем проходов рыхлителя по природным контактам напластований в интервале 100-300 мм. После создания на поверхности забоя первого подготовительного слоя следует основная технологическая операция по рыхлению. Шаг рыхления устанавливается по естественным контактам напластований с учетом мощности подготовительного слоя. После рыхления следует технологическая операция по штабелированию разрыхленной массы с учетом остатка последующего подготовительного слоя мощностью не менее 300 мм. Мощность каждого последующего подготовительного слоя устанавливается с учетом техногенного гранулометрического состава. Оценка техногенного гранулометрического состава производится с учетом природного гранулометрического состава слоя, подвергнутого рыхлению и последующему дроблению отдельностей слоя гусеницами БРА.

Усовершенствованная технология, основанная на природных особенностях карбонатного массива и конструкции траков гусениц ходовой части базового трактора БРА, позволяет расширить область применения БРА с прочностью пород до 80 МПа; повысить производительность БРА; сохранить прочностные свойства материала; снизить нагрузку на окружающую среду за счет уменьшения количества источников пылеобразования в карьере; увеличить промышленные запасы месторождения за счет исключения потерь в охранных целиках вблизи природных и техногенных объектов, где действие взрыва не допустимо.

Реализация работы. Результаты исследований использованы при разработке рекомендаций по повышению производительности БРА на

карбонатных карьерах Тульской, Калужской и Самарской областей, используются в учебном процессе Тульского государственного университета, приняты проектной организацией ООО «ГЕОТИМ-ПРОЕКТ» к внедрению в проектные работы.

Апробация работы. Основные результаты работы в период выполнения докладывались и обсуждались на российских и международных конференциях, симпозиумах, совещаниях и семинарах: на научных семинарах кафедры ГиСПС ТулГУ (г. Тула, 2010-2012 гг.), Международной конференции Геомеханики и механики подземных сооружений (ТулГУ), 2-ой международной заочной научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Современные проблемы освоения недр» (Белгород, 2012 г.), 8-ой Международной конференции по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики «Социально-экономические и энергетические проблемы горной промышленности, строительства и

энергетики» (Тула, 2012)».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 научных работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав и заключения, изложенных на 141 страницах машинописного текста; содержит 49 рисунков, 19 таблиц и список литературы из 73 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Общей теоретической базой данной работы послужили труды ученых России в области открытых горных работ, рационального использования природных ресурсов карьерного поля, прогрессивных технологий горного производства, академиков АН СССР и РАН Н.В. Мельникова, В.В. Ржевского, H.H. Мельникова, К.Н. Трубецкого; чл.-корр. АН СССР М.И. Агошкова; профессоров Ю.И. Анистратова, А.И. Арсентьева, ГШ. Томакова. Заметный вклад в развитие научного направления по совершенствованию технологических комплексов механизации горных работ внесли: A.C. Астахов, ГЛ. Гилевич, А.П. Аверченков, А.Н. Зеленин, В.И. Папичев, В.П. Сафронов, И.Б. Шлаин, A.C. Чирков, В.А. Захаров, Ю.В. Зайцев, Г.А. Токарев и др. Анализ основных научных и практических достижений, полученных в научных школах, показал, что для повышения производительности и расширения области использования БРА в технологических комплексах механизации горных работ при разработке, например, известняков или доломитов, требуются дополнительные исследования по данной проблеме. В рамках дальнейшего развития этого научного направления прикладного характера была поставлена цель: повысить производительность БРА и расширить область его применения по карбонатным породам с 60 МПа до 80 МПа. В основу идеи работы положено использование природных закономерностей карбонатного массива и получение максимальных тяговых усилий базового трактора за счет формирования на поверхности забоя

подготовительного технологического слоя из природных слоев карбонатных пород.

Цель, идея работы и современные научно-практические достижения знании по рассматриваемой проблеме обусловили необходимость постановки и решения следующих задач исследований:

1 По результатам анализа технологий подготовки карбонатного массива к экскавации с помощью БРА выбрать направление по совершенствованию способа рыхления массива карбонатных пород прочностью 60-80 МПа;

2. Установить способ достижений максимальных тяговых усилии БРА путем увеличения коэффициента сцепления гусениц трактора с поверхностью

зе6оя*

3 Получить зависимости: скорости рыхления, тягового усилия и коэффициент сцепления гусениц БРА с забоем от мощности подготовительного технологического слоя из карбонатного материала забоя, позволяющие обосновывать мощность базового трактора, шаг глубины рыхления карбонатного массива при заданном природном фракционном составе призабойной части породного массива;

4. Усовершенствовать алгоритм расчета мощности базового трактора в зависимости от технологических параметров, характеризующих поверхность забоя*

5. Разработать технологический паспорт рыхления карбонатных пород прочностью 60-80 МПа по природным послойным контактам породного массива и их укладкой в штабель с оставлением на поверхности забоя, определенной мощности, для повышения коэффициента сцепления гусениц трактора БРА.

Результаты анализа достижений и недостатков в области развития механического способа подготовки скального породного массива к экскавации с помощью БРА позволили сформулировать технологическое предложение: для повышения производительности БРА и расширения области его применения необходимо увеличить тяговое усилие базового трактора путем использования природных закономерностей карбонатного массива и получения на поверхности забоя, обеспечивающей максимальный коэффициент сцепления траков гусениц трактора с забоем.

При оценке карбонатных массивов, пригодных для механического рыхления, учитываются: слоистость, трещиноватость массива и прочностные свойства пород. Для оценки пригодности породного массива к механическому рыхлению широко используется акустический метод. Данный метод позволяет произвести раскройку карьерного поля на выемочные блоки и установить вектор направления. В зависимости от скорости прохождения звуковой волны через природный массив определяются пригодность пород и возможное направление рыхления (чем породы монолитнее, тем выше скорость звуковой волны и наоборот). Однако этот метод только косвенно определяет физико-механические свойства пород. Результатом раскройки тела залежи является паспорт технологических свойств карбонатного массива.

Паспортизация массива пород дает возможность установить участки месторождения, которые подходят для реализации механического способа подготовки породного массива к экскавации с применением БРА. К технологическим свойствам, которые наиболее существенно влияют на процесс рыхления породного массива, относятся: мощность слоя, размеры отдельностей в каждом слое, прочностные характеристики цементационных связей отдельностей. При паспортизации технологических свойств породного массива следует обращать внимание на то, что такие параметры как мощность слоя и размер отдельности слоя связаны между собой через зависимость: при мощности слоя И длина и ширина природной отдельности карбонатного массива соответственно равны 2к и Ь.

На практике, при рыхлении карбонатных массивов с прочностью пород до 60 МПа, себя зарекомендовали БРА на базе трактора более 500 л.с. Главные достоинства БРА - простота конструкций рыхлителя, не требуются большие площади забоев. Как показывает практика, область применения БРА ограничена не только мощностью базового трактора, но и невозможностью реализовать его паспортную мощность в максимальные тяговые усилия по причине недостаточного зацепления гусениц трактора с поверхностью забоя.

Условие работы БРА - это когда тяговое усилие (Г^) превышает сумму сил, таких как: Р, - сила сопротивления деформированию несущего основания; Рг'сила сопротивления движению опорных катков гусеничного хода по гусеничным цепям; Р3 - сила сопротивления от перемещения в породном массиве рыхлителя; Р4 - сила сопротивления от составляющей силы тяжести при движении машины в гору; Р, - сила сопротивления движению, обусловленная силами инерции при разгоне агрегата.

Т„>Р1+Р2+Ръ+Р4+Ъ (1)

Сила Р3 - это результат проявлений сил сопротивлений, действующих на зуб рыхлителя. Выделяются 3 основные силы: равнодействующая сила, действующая на рабочий орган рыхлителя (Д7); сила сопротивления рыхлению зубом рыхлителя (Ж,) и сила сопротивления перемещению рабочего органа от

действия сил реакции (Ж,) (рис. 1).

Равнодействующая сила (Я/), действующая на рабочий орган рыхлителя,

зависит от следующих параметров:

д с(Ф-/З) (2)

1 созу-8ту(ф-/3)'

где - равнодействующая сил, действующих на рабочий орган рыхлителя, МН; (р - коэффициент сцепления гусениц трактора с поверхностью забоя; /3 - коэффициент сопротивления движению,/3= 0,1-Ю,2 для гусеничного хода; V- угол к горизонтали, под которым действует Яг, С7 - вес БРА.

Рис. 1. Схема приложения сил, действующих на рабочий орган рыхлителя

(Яп, Я/2, К)з~ горизонтальная, вертикальная и нормальная составляющие реакции Я] соответственно; /3 — коэффициент трения породы по металлу; д-угол резания породы наконечником рыхлителя)

Из формул (1) и (2) следует, что коэффициент сцепления гусениц с поверхностью забоя влияет на тяговые усилия Ттяг БРА.

В классическом алгоритме расчета параметров механического рыхления значение коэффициента сцепления гусениц с поверхностью забоя принимается без учета структурных особенностей породного массива в контурах забоя.

По результатам анализа технологий подготовки карбонатного массива к экскавации с помощью БРА установлено, что производительность рыхлителя, при прочих равных условиях, зависит от скорости перемещения агрегата по забою. Скорость перемещения БРА зависит от трещиноватости, гипсометрии поверхности забоя, степени его увлажнения и содержания на его поверхности глинистого материала. Трещиноватая поверхность с ровной гипсометрией без присутствия по забою зон с глинистыми породами позволяет иметь рыхлителю более высокую производительность по сравнению с невыдержанной гипсометрией, малой трещиноватостью забоя и глинистыми включениями. Основная причина - это пробуксовка по забою гусениц базового трактора. Эти особенности работы БРА необходимо учитывать при обосновании мощности базового трактора и глубины рыхления.

Забой после рыхления, как правило, представлен неоднородной средой. Технологический слой влияет на коэффициент сцепления. Коэффициент сцепления зависит от следующих параметров: мощности технологического слоя и его фракционного состава. Для установления зависимости коэффициента сцепления от мощности технологического слоя и его фракционного состава был принят системный подход и расчетный аппарат И.И. Кандаурова (аппарат для определения деформации слоя безраспорного

зернистого основания ограниченной мощности от линейной нагрузки). Зависимости коэффициента сцепления от мощности технологического слоя и его фракционного состава позволили усовершенствовать алгоритм расчета по обоснованию мощности базового трактора и тяговых усилий.

Принято, что шпоры траков гусениц, проникая в породную безраспорную среду, становятся элементами системы «шпора-горная порода», а безраспорная среда приближается к состоянию среды распорной за счет уплотнения технологического слоя под действием веса БРА. В связи с изменяющейся мощностью слоя, вследствие его уплотнения, напряжения среза шпорами технологического слоя возрастают, и как следствие этого, увеличивается коэффициент сцепления гусениц трактора с забоем. Напряжения среза технологического слоя и коэффициент сцепления взаимосвязаны. Мощность слоя, за счет ее уплотнения под действием веса БРА, изменяется до И1 (рис. 2).

ш = (3)

Е J 1

На основании представлений о процессе перехода среды технологического слоя из бесраспорной в среду распорную под действием веса БРА получена зависимость (4) вертикального перемещения (осадки) поверхности забоя по линии приложения нагрузки Р от мощности к, технологического слоя:

№

Е V 2тс

где а - коэффициент характеризующий структуру среды.

Используя известный расчеты движения гусеничных машин и теории деформирования зернистой среды, получена система уравнений (5), характеризующая зависимость коэффициента сцепления <р гусениц от веса БРА, мощности подготовительного технологического слоя Ь].

трак гусеницы

1 V_______4

Рис. 2. Расчетная схема к определению осадки подготовительного технологического слоя ограниченной мощности от линейной нагрузки

ЬК 1 + п

к =

2<у п 1 + кЬш _в_

2 Р Г(

со =-л -

Е V

а й,„

9 =

26£

где А - коэффициент характеризующий качество поверхности забоя; - высота шпоры, м; д - среднее удельное давление на забой, Н/м2; п - число нагруженных шпор; т - напряжение среза отдельностей подготовительного технологического слоя, Н/м2;М1 - коэффициент трения опорной гусеницы по грунту; Ь - ширина гусеницы, м; 5 - расстояние между опорными катками, м; Бо - длина дуги осадки среды под действием траков гусеницы, мвес БРА, кг; со - осадка технологического слоя под действием силы тяжести БРА, м; Р - передаваемая траком на слой линейная нагрузка, Н; Е- модуль упругости породы технологического слоя, /¿V; а - коэффициент характеризующий структуру среды; И, - мощность технологического слоя, м ;Ь- длина опорной

поверхности гусеницы, м. „

Система уравнений, введенная в алгоритм расчета мощности базовой машины, учитывающая коэффициент сцепления гусениц БРА с поверхностью забоя, позволила усовершенствовать расчетный аппарат по обоснованию мощности базовой машины (рис. 3).

А' =

Тт9, 1000;

Л * М^!0^ + РРг0^

Г

X

п Г-И. " Г

ЧАУ - Л)

[Л = |

•М1-

Г-5) 5.

Г, = Д; |«й (£ + »Ом» 6 • к + 0,11 СО» V]

Рис.3. Алгоритм расчета мощности базовой машины с учетом коэффициента сцепления гусениц БРА с поверхностью забоя

Уточнений алгоритм позволил выполнить серию вычислительных экспериментов м. установить зависимости: влияние мощности подготовительного технологического слоя на тяговое усилие БРА, зависимость коэффициента сцепления траков БРА с забоем от мощности оставляемого разрыхленного слоя (рис. 4, а.) и график зависимости коэффициента сцепления гусениц БРА с забоем от глубины рыхления карбонатного массива и предела прочности карбонатных пород (рис. 4, б).

а)

0,9

| з 0,7

=г

Й 0,5

0,3

-е-

о и 0,1

о

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 Мощность подготовительного технологического слоя , м

б)

< -Ьн

350

250

150

50

о

0,1 0,2 0,3. 0,4; 0,5 0,6 0,7 0,8 Мощность подготовительного технологического слоя , м

Рис. 4. Установленные зависимости: а) зависимость тягового усилия БРА от мощности подготовительного слоя забоя; б) зависимость коэффициент сцепления гусениц БРА от мощности подготовительного технологического

слоя забоя

Усовершенствованный алгоритм расчета мощности базовой машины с учетом коэффициента сцепления гусениц БРА с поверхностью забоя позволяет обосновывать мощность и фракционный состав технологического слоя для достижения максимального тягового усилия БРА, скорости перемещения рыхлителя и выбора шага глубины рыхления призабойной части породного

массива. В конечном счете, алгоритм расчета позволяет обосновывать параметры, влияющие на производительность БРА.

Разработана технологическая схема работы БРА агрегата с предварительной подготовкой поверхности забоя для последующего рыхления карбонатного массива. Наиболее целесообразным представляется предварительная подготовка забоя путем предварительного его рыхления на глубину 150 - 300 мм перед рыхлением первого слоя площади отработки первого уступа после вскрышных работ, а для рыхления следующей части добычного уступа с последующим буртованием разрыхленной массы в штабель, предлагается оставлять разрыхленный слой мощностью не менее 300 мм. Штабель отгружается выемочно-погрузочным оборудованием и транспортируется к месту потребления полезной массы. Процесс рыхления носит цикличный характер. После отработки верхнего добычного уступа работы по рыхлению переносятся на нижний уступ (рис. 5).

а) б)

Рис. 5. Технология подготовки карбонатного массива к выемке при помощи БРА: а - процесс рыхления; б-процесс штабелирования разрыхленной массы с подготовительным технологическим слоем породы

Для пополнения доказательной базы и сопоставления с результатами вычислительного эксперимента был проведен эксперимент в условиях Падовского месторождении известняков в Пестравском районе Самарской области. По результатам эксперимента была подтверждена зависимость производительности БРА от мощности подготовительного технологического слоя, также уточнена зависимость влияния мощности подготовительного технологического слоя на скорость рабочего хода БРА. Сопоставление результатов теоретических исследований с результатами экспериментов показало сходимость полученных данных с ожидаемым 14 % расхождением (рис 7).

В результате эксперимента было установлено, что по усовершенствованной технологической схеме подготовки массива карбонатных горных пород к

экскавации с помощью БРА увеличивается область применения БРА по карбонатным породам прочностью до 80 МПа.

Рис. 7. Сопоставление теоретических результатов (линия) с практическими

(точки)

Результаты исследований использованы при разработке рекомендаций по применению безвзрывных технологий в карбонатных карьерах Тульской, Калужской, Рязанской и Самарской областей. Внедрены в учебный процесс на кафедре «Геотехнологий и строительства подземный сооружений» Тульского государственного университета, приняты проектной организацией ООО «ГЕОТИМ-ПРОЕКТ» к внедрению в проектные работы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании выполненных теоретических и экспериментальных исследований установлены новые и уточнены существующие закономерности влияния мощности и фракционного состава подготовительного технологического слоя карбонатных пород забоя на скорость рыхления, тяговые усилия и коэффициент сцепления гусениц БРА с забоем, позволяющих обосновывать мощность базового трактора, шаг глубины рыхления карбонатного массив с учетом природного фракционного состава призабойной части карбонатного массива, что имеет важное значение для горной промышленности России.

Основные выводы, научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. По результатам анализа технологий подготовки карбонатного массива к экскавации с помощью БРА установлено, что производительность рыхлителя,при прочих равных условиях, зависит от скорости перемещения агрегата по забою. Скорость перемещения БРА зависит от трещиноватости, гипсометрии поверхности забоя, степени его увлажнения и содержания на его поверхности глинистого материала. Трещиноватая поверхность с ровной

гипсометрией без присутствия по забою зон с глинистыми породами позволяет иметь рыхлителю более высокую производительность по сравнению с невыдержанной гипсометрией, малой трещиноватостью забоя и глинистыми включениями. Основная причина этого заключается в пробуксовке гусениц базового трактора из-за малого коэффициента сцепления траков гусениц с

поверхностью забоя;

2. Обоснован способ достижений максимальных тяговых усилий БРА при заданной мощности базового трактора, за счет увеличения коэффициента сцепления гусениц трактора с поверхностью забоя. Способ реализуется путем создания на поверхности забоя подготовительного технологического слоя пород мощностью не менее 120 мм;

3. Получена зависимость значений коэффициента сцепления гусениц БРА от мощности подготовительного технологического слоя при заданных значениях природного фракционного состава, позволяющая обосновывать мощность базового трактора, шаг глубины рыхления карбонатного массива при максимально достигаемом тяговом усилии БРА;

4. Получена зависимость рабочей скорости БРА от мощности подготовительного технологического слоя при заданных значениях природного фракционного состава, позволяющая обосновывать мощность базового трактора, шаг глубины рыхления карбонатного массива при максимально достигаемом тяговом усилии БРА;

5. Получена зависимость производительности БРА от скорости рыхления при заданной мощности подготовительного технологического слоя и его фракционного состава, позволяющая обосновывать мощность базового трактора, шаг глубины рыхления карбонатного массива при максимально достигаемом тяговом усилии БРА;

6. Усовершенствован алгоритм расчета мощности базового трактора в зависимости от горно-геологических технологических параметров забоя;

7. Экспериментально установлено, что предварительная подготовка забоя позволяет применять БРА с мощностью базового трактора менее 500 л.с. (в нормах технологического проектирования карьеров рекомендуется БРА не менее 500 л. е.);

8. Теоретически и экспериментально установлено, что для производительной работы БРА шаг глубины рыхления необходимо настраивать по природным контактам слоев мощностью 100-300 мм. В случае, если природные слои имеют мощность более 300 мм, то шаг рыхления выбирается по резкостным границам отдельностей, слагающих слой;

9. Разработан технологический паспорт рыхления карбонатных пород, который позволяет расширить область применения БРА за счет рыхления пород до 80 МПа по природным послойным контактам породного массива и их укладкой в штабель с оставлением на поверхности забоя подготовительного технологического слоя, мощностью не менее 120 мм, для обеспечения эффективного сцепления гусениц трактора с поверхностью забоя.

Основные научные и практические результаты диссертации опубликованные в следующих работах:

1. Сафронов В.П., Сафронов В.В, Сидорков A.A. Способ повышения производительности бульдозерно-рыхлительного агрегата. ИзвТулГУ. Сер. Наука о Земле. Вып. 1. 2012. С. 127-136.

2. Сцдорков A.A., Захаров Д.М., Пахомов В.В. Зависимость производительности рыхлителя от коэффициента структурного ослабления породного массива и прочности породных образцов. // II Междунар. заочная науч,-практ. конф. молодых ученых, аспирантов и студентов. - Белгород : ИПК НИУ «БелГУ», 2012.- 188 с.

3. Алгоритм паспортизации работы бульдозерно-рыхлительного агрегата в условиях рыхления карбонатного массива. Сидорков A.A. // ИзвТулГУ. Сер. Технические Науки. Вып. 9. 2012. С. 81-88.

4. Обоснование способа повышения производительности бульдозерно-рыхлительного агрегата при разработке карбонатных месторождений. Сафронов В.П., Сидорков A.A. // ИзвТулГУ. Сер. Технические Науки. Вып. 9. 2012. С. 57-63.

5. Выбор рыхлительиого оборудования на основе трактора для производства добычных работ при разработке карбонатных месторождений. Сидорков A.A. // ИзвТулГУ. Сер. Технические Науки. Вып. 9. 2012. С. 93-95

6. Совершенствование расчетного аппарата по установлению коэффициента сцепления гусениц бульдозерно-рыхлительного агрегата. Сафронов В.П., Сидорков A.A.; Тул. Гос. Ун-т. - Тула, 2012. - 14 е.: ил.-Библиогр.: 3 назв. - Рус. - Деп. в ВИНИТИ 05.12.12, № 381-В2012.

7. Сафронов В.П., Сидорков A.A. Совершенствование технологической схемы подготовки массива карбонатных горных пород к экскавации с помощью бульдозерно-рыхлительного агрегата (БРА) // Материалы 8-й Международной конференции по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики «Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики» / ТулГУ. 1-2 ноября 2012 г. Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. С.462-468.

8. Сидорков A.A. Буксование гусениц и коэффициент сцепления гусениц БРА с поверхностью забоя // 3-я Всероссийская научно-техническая конференция «Иновационное развитие образования, науки и технологии»: материалы конференции. 14-15 ноября 2012 г./ под общ. ред. А.Л. Чеботарева. В 2 ч. 4.II. Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. С. 114-119.

Изд. Лиц. ЛР №020300 от 12.02.97. Подписано в печать 2. О. 11.1 £ Формат бумаги 60x84 . Бумага офсетная.

Усл.печл. 1,5. Уч.-изд.л. 1,3. Тираж 100 экз. Заказ Тульский государственный университет. 300012, г.Тула, прЛенина, 92. Отпечатано в Издательстве ТулГУ. 300012, г. Тула, пр. Ленина, 95.

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Сидорков, Андрей Анатольевич

Введение.

1 Состояние проблемы н постановка задач исследования технологических схем ведения горных работ по добыче строительных материалов.

1.1 Обзор горно-геологических условий месторождений карбонатных пород.

1.2 Обзор сферы использования карбонатных пород в отраслях промышленности.

1.2.1 Свойства карбонатных пород.

1.2.2 Требования к продукции карьеров.

1.3 Обзор существующих технологических схем добычи карбонатных пород.

1.3.1 Технологические схемы ведения горных работ при валовой выемке полезного ископаемого.

1.3.2 Расчет параметров элементов систем разработки при валовой выемке.

1.3.3 Технологические схемы ведения горных работ при селективной выемке полезного ископаемого.

1.3.4 Расчет параметров элементов систем разработки при раздельной выемке.

1.4 Обзор основных технологических схем и методики расчета буровзрывных работ.

1.4.1 Особенности в поведении взрыва скважинных зарядов в массивах доломитов и известняков.

1.5 Анализ технологических схем добычи карбонатных пород с применением механического способа подготовки породного массива к экскавации.

1.6 Выводы по первой главе.

2 Теоретическое обоснование способа повышения производительности бульдозерно-рыхлнтельного агрегата и расширения области применения БРА.

2.1 Обоснование направления исследований.

2.2 Обоснование способа повышения производительности БРА.ВО

2.3 Обоснование технологических параметров способа повышения производительности БРА

2.4 Вывод по второй главе.

3 Экспериментальные исследования работы бульдозерно-рыхлительного агрегата.

3.1 Горно-геологическая условия для проведения экспериментальных исследований.

3.2 Экспериментальная база.

3.3 Методика проведения эксперимента, обработка полученных данных и описание результатов.

3.4 Вывод по третьей главе.

4 Методические указания для разработки паспортов работы бульдозерно-рыхлительного агрегата.;.

4.1 Оценка карбонатного массива по рыхлимости.

4.2 Пример раскройки карбонатного месторождения.

4.3 Расчет производительности БРА при рыхлении карбонатного массива.

4.4 Вывод по четвертой главе.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Обоснование способа повышения производительности и расширение области применения бульдозерно-рыхлительного агрегата при разработке карбонатных месторождений"

Актуальность работы. Разработка карбонатных месторождений, например, известняков, доломитов и их разновидностей в основном ведется с применением буровзрывных работ. По ряду причин, таких как, присутствие на балансовых запасах охранных зон от сейсмических воздействий взрывной волны или полезная залежь представлена прослойками пустых пород, необходимо внедрять безвзрывные технологии подготовки скальных горных пород к экскавации. Безвзрывные технологии позволяют отработать балансовые запасы без потерь качества полезного ископаемого. Существуют два альтернативных варианта безвзрывных технологий. Первый вариант - включение в добычной комплекс фрезерного комбайна. Второй вариант - включение в технологический комплекс горных работ бульдозерно-рыхлительного агрегата (БРА).

Фрезерный комбайн требует фронт добычных работ значительной протяженности. Для этого нужно иметь существенные опережения фронта вскрышных работ и приемные возможности отвального хозяйства. Многим горным предприятиям выдержать такое положение не под силу - по причине сезонности (нестабильности) спроса на производимое ими строительное сырье. Закарстованные карьерные поля также накладывают дополнительное ограничение на внедрение фрезерных комбайнов.

Разработка месторождений карбонатных пород с использованием мобильных комплексов оборудования, включающих БРА, является * перспективным направлением механизации горных работ в карьерах, разрабатывающих массивы карбонатных пород. Основные достоинства БРА -возможность работы при небольшой протяженности фронта добычных работ; мобильность; возможность работы на наклонной поверхности забоя; регулирование фракционного состава полезной массы в широком диапазоне.

Несмотря на достоинства БРА, имеются и недостатки: область применения ограничивается прочностными особенностями карбонатного массива (до 60 МПа); по производительности добычные работы с применением БРА уступают результатам буровзрывных работ; для эффективной работы БРА базовая мощность трактора должна быть не менее 500 л.с. Однако, практика показала, что даже при такой мощности трактора БРА не возможно ее реализовать в максимальное тяговое усилие - по причине пробуксовки гусениц. Устранение этих недостатков является актуальной проблемой на современном этапе развития безвзрывного способа подготовки карбонатного массива к экскавации.

Поэтому повышение производительности БРА и расширение области его применения (породы прочностью более 60 МПа) при подготовке карбонатного массива к экскавации является актуальной проблемой на современном этапе развития горного дела.

Целью работы является установление новых и уточнение существующих закономерностей влияния на работу бульдозерно-рыхлительного агрегата способа подготовки поверхности забоя к рыхлению для повышения производительности и расширения области его применения при подготовке карбонатного массива к экскавации.

Идея работы заключается в том, что повышение производительности бульдозерно-рыхлительного агрегата и расширение области его применения при подготовке карбонатного массива к экскавации, обеспечивается реализацией максимального тягового усилия.

Основные научные положения, сформулированные в работе, состоят в следующем:

- повышение производительности БРА достигается путем увеличения коэффициента сцепления гусениц трактора с поверхностью забоя, что позволяет обеспечить максимальное тяговое усилие;

- на величину коэффициента сцепления влияют технологические параметры, оценивающие поверхность забоя, при этом управлять коэффициентом сцепления можно за счет мощности подготовительного технологического слоя из карбонатного материала, фракционного состава 20-120 мм;

-эффективность использования БРА на базе трактора с паспортной мощностью менее 500 л. с. достигается за счет установления по природным слоям карбонатных пород шага глубины рыхления и увеличения тяговых усилий трактора за счет достижения максимального сцепления гусениц с поверхностью забоя, путем создания из природных слоев мощностью 100-300 мм подготовительного технологического слоя.

Научная новизна работы заключается в следующем:

-получена зависимость значений коэффициента сцепления гусениц БРА от мощности подготовительного технологического слоя из карбонатного материала забоя при заданных значениях природного фракционного состава, позволяющая обосновывать мощность базового трактора, шаг глубины рыхления карбонатного массива при максимально достигаемом тяговом усилии БРА;

- усовершенствован алгоритм расчета мощности базового трактора в зависимости от технологических параметров, характеризующих поверхность забоя;

- установлено, что для рыхления массива карбонатных пород прочностью 6080 МПа можно применять БРА на базе трактора с паспортной мощностью менее 500 л. с. (в нормах технологического проектирования мощность базового трактора рекомендована не менее 500 л.с.). Максимальное тяговое усилие БРА достигается путем увеличения коэффициента сцепления гусениц трактора с поверхностью забоя. Увеличение коэффициента сцепления достигается за счет создания из карбонатного материала забоя подготовительного технологического слоя мощностью не менее 120 мм.

Метод исследований - комплексный, включающий научный анализ и обобщение практического опыта использования способов и средств подготовки горных пород к экскавации; результаты ранее выполненных работ по механическому способу подготовки горных пород к экскавации; вычислительный и опытно-промышленный эксперименты; анализ и обработку экспериментальных данных с применением методов теории вероятностей и математической статистики.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов подтверяадаются корректной постановкой задач исследования, обоснованным использованием классических методов математической статистики и современных .достижений вычислительной техники; согласованностью результатов теоретических, экспериментальных исследований с положениями в рамках теории безраспорной и распорной зернистой среды; экспериментальными исследованиями в производственных условиях и сходимостью экспериментальных результатов с результатами, полученными теоретически (расхождение не превышает 14%).

Практическое значение работы заключается в разработке методических рекомендаций по проектированию технологических паспортов эффективной работы БРА при разработке карбонатного массива, путем достижения максимального тягового усилия трактора за счет максимального коэффициента сцепления траков гусениц с поверхностью забоя. Максимальный коэффициент сцепления гусениц БРА достигается за счет формирования после вскрышных работ на поверхности забоя, путем проходов рыхлителя по природным контактам напластований в интервале 100-300 мм. После создания на поверхности забоя первого подготовительного слоя следует основная технологическая операция по рыхлению. Шаг рыхления устанавливается по естественным контактам напластований с учетом мощности подготовительного слоя. После рыхления следует технологическая операция по штабелированию разрыхленной массы с учетом остатка последующего подготовительного слоя мощностью не менее 300 мм. Мощность каждого последующего подготовительного слоя устанавливается с учетом техногенного гранулометрического состава. Оценка техногенного гранулометрического состава производится с учетом природного гранулометрического состава слоя, подвергнутого рыхлению и последующему дроблению отдельностей слоя гусеницами БРА.

Усовершенствованная технология, основанная на природных особенностях карбонатного массива и конструкции траков гусениц ходовой части базового трактора БРА, позволяет расширить область применения БРА с прочностью пород до 80 МПа; повысить производительность БРА; сохранить прочностные свойства материала; снизить нагрузку на окружающую среду за счет уменьшения количества источников пылеобразования в карьере; увеличить промышленные запасы месторождения за счет исключения потерь в охранных целиках вблизи природных и техногенных объектов, где действие взрыва не допустимо.

Реализация работы. Результаты исследований использованы при разработке рекомендаций по повышению производительности БРА на карбонатных карьерах Тульской, Калужской и Самарской областей, используются в учебном процессе Тульского государственного университета, приняты проектной организацией ООО «ГЕОТИМ-ПРОЕКТ» к внедрению в проектные работы.

Апробация работы. Основные результаты работы в период выполнения докладывались и обсуждались на российских и международных конференциях, симпозиумах, совещаниях и семинарах: на научных семинарах кафедры ГиСПС ТулГУ (г. Тула, 2010-2012 гг.), Международной конференции Геомеханики и механики подземных сооружений (ТулГУ), 2-ой международной заочной научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Современные проблемы освоения недр» (Белгород, 2012 г.), 8-ой Международной конференции по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики «Социально-экономические и энергетические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики» (Тула, 2012)».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 научных работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав и заключения, изложенных на 141 страницах машинописного текста; содержит 49 рисунков, 19 таблиц и список литературы из 73 наименований.

Заключение Диссертация по теме "Геотехнология(подземная, открытая и строительная)", Сидорков, Андрей Анатольевич

Основные выводы, научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1.По результатам анализа технологий подготовки карбонатного массива к экскавации с помощью БРА установлено, что производительность рыхлителя, при прочих равных условиях, зависит от скорости перемещения агрегата по забою. Скорость перемещения БРА зависит от трещиноватости, гипсометрии поверхности забоя, степени его увлажнения и содержания на его поверхности глинистого материала. Трещиноватая поверхность с ровной гипсометрией без присутствия по забою зон с глинистыми породами позволяет иметь рыхлителю более высокую производительность по сравнению с невыдержанной гипсометрией, малой трещиноватостыо забоя и глинистыми включениями. Основная причина этого заключается в пробуксовке гусениц базового трактора из-за малого коэффициента сцепления траков гусениц с поверхностью забоя;