Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Оценка и обоснование рациональных дорожных условий эксплуатации карьерных автосамосвалов большой грузоподъемности

ВАК РФ 25.00.22, Геотехнология(подземная, открытая и строительная)

Автореферат диссертации по теме "Оценка и обоснование рациональных дорожных условий эксплуатации карьерных автосамосвалов большой грузоподъемности"

На правах рукописи

/

Арефьев Степан Александрович

ОЦЕНКА И ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ДОРОЖНЫХ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ КАРЬЕРНЫХ АВТОСАМОСВАЛОВ БОЛЬШОЙ ГРУЗОПОДЪЕМНОСТИ

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

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

3 ИАР 2015

Екатеринбург, 2015

005559915

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Уральский государственный горный университет» (ФГБОУ ВПО «УГГУ»).

Научный руководитель - Лель Юрий Иванович, доктор технических наук,

профессор.

Официальные оппоненты: Анистратов Константин Юрьевич, доктор технических наук, руководитель проекта ООО «ОМЗ -Литейное производство»;

Глебов Андрей Валерьевич, кандидат технических наук, заместителя директора по научным вопросам Федерального государственного бюджетного учреждения науки Институт горного дела Уральского отделения Российской академии наук (ИГД УрОРАН).

Ведущая организация — Федеральное государственное образовательное

учреждение высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет имени Т. Ф. Горбачева».

Защита состоится 23 апреля 2015 г. в 11.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.280.02 на базе Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Уральский государственный горный университет» по адресу: 620144, г. Екатеринбург, ГСП, ул. Куйбышева, 30,2-й учебный корпус, ауд. 2142.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке и на сайте -ЬПр://зс!епсе.игзти.гиУ1га1пеезЫр/сИ5зе11ас10ппуе-80Уе1у.Ь1ш1 Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Уральский государственный горный университет».

Автореферат диссертации разослан « У6 » февраля 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного > доктор технических наук, профессор

Ученый секретарь диссертационного совета,

. Багазеев В. К.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Состояние карьерных автодорог в значительной степени определяет эффективность эксплуатации технологического автотранспорта. В связи с этим проектированию, строительству, эксплуатации и ремонту карьерных автодорог должно уделяться значительное внимание. Вместе с тем большинство исследований по карьерным автодорогам было выполнено 15—30 лет назад, и в них рассматривались вопросы, связанные со строительством и эксплуатацией автодорог для автосамосвалов грузоподъемностью 30г-110 т. В настоящее время на отечественные карьеры в больших количествах поступают автосамосвалы грузоподъемностью 130 - 220 т. Созданы и эксплуатируются на разрезах Кузбасса машины грузоподъемностью 320-360 т. Ведущими мировыми производителями ведутся работы по созданию еще более крупных карьерных автосамосвалов.

В связи со значительным увеличением массы и осевых нагрузок использование современных автосамосвалов предъявляет новые требования к конструкциям дорожных одежд, технологии строительства и комплексной механизации дорожно-строительных работ. В настоящее время уровень научного обеспечения проектных и производственных решений в данных вопросах отстал от потребностей промышленности. Отсутствует комплексная методика оценки горнотехнических и дорожных условий эксплуатации карьерного автотранспорта. Решения по конструкции дорожных одежд, технологии и механизации дорожного строительства принимаются согласно рекомендациям устаревших СНиП без учета технического прогресса в большегрузном автомобилестроении и условий эксплуатации.

Таким образом, тема диссертационной работы, направленная на оценку и обоснование рациональных дорожных условий эксплуатации карьерных автосамосвалов большой грузоподъемности, является весьма актуальной.

Тема диссертации соответствует паспорту специальности 25.00.22 -«Геотехнология (подземная, открытая и строительная)»:

- п. 11 «Разработка научных и методических основ исследования процессов изменения строительных свойств грунтов, подвергающихся физико-техническому, физико-химическому и строительно-технологическому воздействию, а также целенаправленного преобразования и улучшения их строительных свойств»;

- п. 3 «Исследование и оптимизация параметров физико-технических, физико-химических и строительных технологий».

Объект исследования — карьеры с применением технологического автомобильного транспорта.

Предмет исследования - закономерности изменения показателей качества автомобильных дорог и их влияния на эксплуатационные показатели карьерного автотранспорта.

Целью работы является разработка методики оценки дорожных условий эксплуатации, технологии и комплексной механизации строительства карьер-

ных автодорог, обеспечивающих повышение эффективности карьерного автотранспорта.

Основная идея исследования заключается в использовании закономерностей влияния качества дорожного покрытия на эксплуатационные показатели технологического автотранспорта для совершенствования технологии строительства карьерных автодорог.

Основные задачи исследования:

1. Анализ современного состояния технологии и механизации строительства и содержания карьерных автодорог.

2. Разработка методики оценки горнотехнических и дорожных условий эксплуатации карьерного автотранспорта на основе приведенного расстояния транспортирования.

3. Исследование показателей качества дорожного покрытия, их взаимосвязи и области применения.

4. Обоснование конструкций дорожных одежд для автосамосвалов большой грузоподъемности.

5. Разработка и апробация в производственных условиях технологии строительства автодорог, предусматривающей уплотнение с использованием технологического автотранспорта.

6. Обоснование технологических параметров дорожно-строительных машин, обеспечивающих комплексную механизацию строительства и содержания карьерных автодорог.

Методы исследования: анализ и обобщение опыта эксплуатации карьерного автотранспорта, строительства и ремонта карьерных автодорог; аналитические исследования закономерностей изменения показателей качества автодорог при уплотнении слоев дорожной одежды; экспериментальная оценка деформации дорожного покрытия и физико-механических свойств пород на опытном участке карьера ОАО «Ураласбест»; регрессионный анализ при исследовании параметров дорожно-строительных машин; математическое моделирование; технико-экономический анализ.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Объективную оценку и сравнение горнотехнических и дорожных условий эксплуатации карьерного автотранспорта следует производить на основе расчета приведенного расстояния транспортирования, учитывающего качество дорожного покрытия, высоту подъема (спуска) горной массы, уклон автодорог, сложность трассы в плане, режимы движения и конструктивные параметры автосамосвалов, при использовании в качестве критериев оценки энергоемкости и производительности автосамосвалов.

2. Обеспечение нормативного коэффициента прочности дорожных одежд (£щ> > 0,95) целесообразно на основе разработанной технологии дорожного строительства, предусматривающей уплотнение карьерных автодорог с использованием технологического автотранспорта.

3. Повышение эффективности строительства и эксплуатации карьерных автодорог возможно за счет рациональной комплектации дорожно-строитель-

ной техники, учитывающей параметрическую взаимосвязь дорожно-строительных машин и технологических автосамосвалов.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций диссертации подтверждается результатами анализа горнотехнических и дорожных условий эксплуатации и технико-экономических показателей технологического карьерного автотранспорта за 2000-2014 гг.; достаточным объемом экспериментальных исследований с оценкой результатов по критериям математической статистики; экспериментальными данными, полученными с применением специальной измерительно-регистрирующей аппаратуры; сходимостью результатов теоретических исследований и моделирования с результатами опытно-промышленных испытаний и экспериментов; апробацией и внедрением результатов в производство. Относительная ошибка отклонения расчетных параметров и показателей от фактических не превышает 3-5 % с вероятностью 0,95.

Научная новизна результатов исследования заключается:

- в разработке экспериментально-аналитической методики оценки горнотехнических и дорожных условий эксплуатации технологического автотранспорта, основанной на комплексном учете физических критериев - энергоемкости и производительности автосамосвалов;

- в разработке и обосновании технологии строительства карьерных автодорог, обеспечивающей нормативные показатели коэффициента прочности дорожного покрытия в карьерных условиях;

- в установлении параметрической взаимосвязи дорожно-строительных машин и технологических автосамосвалов большой грузоподъемности и разработке на этой основе рекомендаций по комплексной механизации дорожного строительства в условиях карьеров.

Научное значение исследования заключается в разработке методик оценки дорожных условий эксплуатации, расчета рациональных конструкций дорожных одежд, технологии и механизации строительства карьерных дорог, обеспечивающих повышение эффективности эксплуатации автосамосвалов большой грузоподъемности, что является вкладом в теорию формирования транспортных систем карьеров, - научное направление физико-технической геотехнологии*.

Практическая ценность работы. Использование результатов исследования позволяет:

- сократить затраты на транспортирование горной массы автосамосвалами за счет повышения качества дорожного покрытия, совершенствования технологии и механизации дорожно-строительных работ в карьерах;

- повысить научную обоснованность и точность планирования и нормирования эксплуатационных показателей технологического карьерного автотранспорта за счет комплексного учета горнотехнических и дорожных условий эксплуатации.

Личный вклад автора заключается: в постановке цели и задач исследо-

• Горные науки. Освоение и сохранение недр Земли / РАН, АНГ, РАЕН, МИА; под ред. К. Н. Трубецкого - М ■ Изд. Академии горных наук, 1997.-478 с.

вания; разработке методики оценки горнотехнических и дорожных условий эксплуатации технологического карьерного автотранспорта; исследовании факторов, определяющих качество дорожного покрытия, и разработке на этой основе рекомендаций по рациональным конструкциям дорожных одежд; организации и проведении экспериментальных исследований технологии строительства и уплотнения карьерных автодорог; обосновании рациональных параметров дорожно-строительных машин, обеспечивающих комплексную механизацию строительства и содержание карьерных автодорог.

Реализация результатов работы. Разработанные рекомендации и методики переданы для использования в организациях: (ОАО) АК «АЛРОСА», Институте горного дела УрО РАН, ОАО «Институт «Уралгипроруда», ОАО «Уралмеханобр», а также внедрены при строительстве опытного участка автодороги в ОАО «Ураласбест» с экономическим эффектом 455,7 тыс. руб. Ожидаемый экономический эффект от внедрения разработанной технологии строительства автодорог, а также методики оценки горнотехнических и дорожных условий эксплуатации автотранспорта в условиях ОАО «Ураласбест» составит 2,3 млн. руб. на 1 км автодороги. Кроме того, результаты используются в учебном процессе при чтении лекций и проведении лабораторных работ по дисциплинам «Процессы открытых горных работ» и «Проектирование карьеров» для студентов специализации «Открытые горные работы» специальности 130400.65 — «Горное дело».

Апробация работы. Основные научные положения диссертации и её отдельные результаты обсуждены и одобрены на Международных научно-практических конференциях «Уральская горная школа — регионам» (г. Екатеринбург, ФГБОУ ВПО «УГГУ», 2011, 2012, 2013, 2014 гг.); на XII Международной научно-практической конференции «Проблемы карьерного транспорта» (г. Екатеринбург, ИГД УрО РАН, 2013 г.); на III Международной научно-технической конференции «Инновационные геотехнологии при разработке рудных и нерудных месторождений» (г. Екатеринбург, ФГБОУ ВПО «УГГУ», 2014 г.); в Институте горного дела УрО РАН; на научно-техническом совете ОАО «Институт «Уралгипроруда» (г. Екатеринбург, 2014 г.); на научно-техническом совете ОАО «НИИпроектасбест» (г. Асбест, 2014 г.); на технических совещаниях в (ОАО) АК «АЛРОСА» (г. Мирный, 2013 г.), ОАО «Ураласбест» (г. Асбест, 2014 г.) и других горнодобывающих предприятиях.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 научных работ, в том числе 7 статей в ведущих рецензируемых научных изданиях, определенных ВАК Минобрнауки РФ.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 179 страницах машинописного текста, включает 52 рисунка, 40 таблиц, список использованных источников из 181 наименования и 10 приложений.

Работа выполнена в рамках проведения исследований по следующей хоздоговорной тематике:

- «Разработка параметров карьерных дорог Верхне-Мунского месторождения» (договор № 22/05/32-203-12, срок выполнения 2012-2013 гг.);

- «Разработка параметров и строительство опытного участка автодороги в карьере ОАО «Ураласбест» (договор №32-201-13, срок выполнения 20132014 гг.).

Автор выражает глубокую благодарность сотрудникам и преподавателям кафедры разработки месторождений открытым способом УГГУ за оказанную методическую помощь и ценные советы при формировании и обсуждении работы, а также считает своим долгом выразить искреннюю признательность главному инженеру ОАО «Ураласбест» Р. Г. Салахиеву, кандидатам технических наук, доцентам Ю. В. Стенину, И. Н. Сандригайло за практическую помощь в проведении исследований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе анализируется современное состояние и направления использования технологического автотранспорта на отечественных и зарубежных карьерах; опыт проектирования и строительства карьерных автодорог; состояние изученности вопросов технологии и механизации строительства и содержания автодорог на карьерах.

Одной из тенденций развития горнодобывающей промышленности в нашей стране и за рубежом является увеличение доли открытого способа разработки месторождений. При этом основным технологическим транспортом открытых горных работ является автомобильный, доля которого в общих объемах карьерных перевозок в России и странах СНГ приближается к 75 % и в ближайшей перспективе будет увеличиваться. Развитие открытого способа разработки сопровождается увеличением объемов перевозок и глубины карьеров, усложнением горнотехнических и дорожных условий эксплуатации автотранспорта при одновременном росте грузоподъемности автотранспортных средств. Увеличение объемов перевозок и внедрение мощных автосамосвалов грузоподъемностью 130-360 т приводит к росту требований, предъявляемых к качеству карьерных автодорог, их конструкции и параметрам, а также к механизации и организации дорожно-строительных работ.

Анализ показывает, что основными причинами неудовлетворительного состояния автодорог на отечественных карьерах являются: несоответствие конструкций дорожных одежд реальным условиям их эксплуатации; недостаточное и неравномерное уплотнение дорожных одежд, приводящее к потере их прочностных свойств и деформации; несоответствие параметров дорожно-строительных машин, использующихся на карьерах, параметрам технологических автодорог и карьерных автосамосвалов.

Вопросы повышения эффективности карьерного автотранспорта, в том числе за счет совершенствования дорожных условий эксплуатации, нашли отражение в исследованиях академиков Н. В. Мельникова, В. В. Ржевского, К. Н. Трубецкого, Н. Н. Мельникова, члена-корреспондента РАН В. Л. Яковлева, докторов технических наук Ю. И. Анистратова, К. Ю. Анистратова,

М. В. Васильева, В. А. Галкина, А. С. Довженка, И. В. Зырянова, А. А. Кулешова, Ю. И. Леля, А. М. Макарова, В. А. Михайлова, М. Г. Новожилова, М. Г. Потапова, Б. А. Симкина, В. П. Смирнова, Л. Г. Тымовского, В. С. Хохрякова, кандидатов технических наук О. П. Афиногенова, С. В. Богомолова, И. И. Вашлаева, Г. А. Ворошилова, А. В, Глебова, А. Г. Колчанова, Ю. В. Стенина, В. С. Торова и др.

Вместе с тем обзор научно-технической литературы свидетельствует о недостаточной изученности комплекса вопросов, связанных с оценкой горнотехнических и дорожных условий эксплуатации карьерного автотранспорта, обоснованием конструкций дорожных одежд, технологии и комплексной механизации дорожного строительства на современных карьерах.

Во второй главе разработана методика оценки горнотехнических и дорожных условий эксплуатации карьерных автосамосвалов.

Повышение эффективности автотранспорта неразрывно связано с учётом влияния сложности горнотехнических и дорожных условий эксплуатации, в частности, высоты подъёма и глубины спуска горной массы, уклона автодорог, качества дорожного покрытия, криволинейных участков трассы на результирующие показатели (производительность, расход топлива, себестоимость и т. п.). При этом фактическую длину трассы принято приводить к условному горизонтальному расстоянию транспортирования.

Общую длину трассы карьерных автосамосвалов (Ь) можно представить в виде (рис. 1)

¿=£Г + 1П + £С, (1) где ЬТ - суммарная протяженность горизонтальных участков трассы, м; £п , Ьс -суммарная протяженность наклонных участков соответственно с уклоном г'п при движении груженых автосамосвалов на подъем и с уклоном ¡с при движении на спуск, м.

Яп-Эи

гяИЙв!''"' 5

Хи-Яп-йР Яп-Эь=Яп{Эп-аГ')

1 = £г + £в

£ир»=£ + Яп-Э"л

Рисунок 1. Схема к определению горизонтальных эквивалентов вертикального перемещения горной массы и коэффициентов приведения при движении автосамосвалов на подъем

Тогда приведенное расстояние транспортирования (Ьир, м) определится из выражений:

1пр = ЬГ + #пЭп + НСЭС или Ьлр = Ь + НпЭ'п + НСЭ'С , (2)

где #п, #с - высота подъема (глубина спуска) горной массы, м; Эп, Эс - горизонтальные эквиваленты вертикального перемещения, показывающие, какое расстояние транспортирования по горизонтальной карьерной автодороге эквивалентно подъему (спуску) горной массы по наклонному участку на высоту (глубину) 1 м, м/м; Э'П,Э'С — коэффициенты приведения, характеризующие приращение (сокращение) расстояния по горизонтальной дороге относительно фактического расстояния откатки при подъеме (спуске) горной массы на 1 м, м/м. В свою очередь

Э п = Эп — /п и Э с ~ Эс — /с , (3)

где гп, гс- уклоны подъема (спуска) горной массы, доли ед.

Значительные расхождения в значениях горизонтальных эквивалентов и коэффициентов приведения, рекомендуемых различными авторами, объясняются несовершенством методик их расчета и препятствуют широкому внедрению указанного подхода в практику.

На основе экспериментально-аналитических исследований, выполненных на карьерах ОАО «Ураласбест», (ОАО) АК «АЛРОСА» и других горнодобывающих предприятий, в диссертации разработана методика расчета горизонтальных эквивалентов и коэффициентов приведения по энергетическому критерию (расходу дизтоплива) и времени движения (производительности) автосамосвалов (табл. 1).

Таблица 1

Экспериментально-аналитические зависимости для расчета горизонтальных эквивалентов вертикального перемещения горной массы

Технологическая схема движения Горизонтальные эквиваленты вертикального перемещения горной массы, м/м

по расходу дизтоплива по времени движения автосамосвалов

Подъем горной массы СОо+'п)

" 1>0[*.0+*2*з)+*г] <>„[*М,*з(1+*г*г)+*№]

Спуск горной массы э О+Мг)"' (со0+'с)4+0,3677/^^1

Примечания. В формулах: кг — коэффицие1гт тары автосамосвалов; кг — коэффициент использования грузоподъемности; ю„ - коэффициент сопротивления качению груженых автосамосвалов, доли ед.; к\ - коэффициент, учитывающий расход топлива при движении порожних автосамос валов на спуск в тормозном режиме (к\ = 1,05 +1,07); кг - коэффициент, учитывающий увеличение удельного расхода дизтоплива при номинальной нагрузке двигателя при движении порожних автосамосвалов по горизонтальной автодороге (¿2 = 1>1); кг - коэффициент, учитывающий увеличение со» при движении порожних автосамосвалов (Агз = 1,15 +1,2); к^ - коэффициент, учитывающий расход топлива при движении груженых автосамосвалов на спуск в тормозном режиме Л = 1,2 +1,3); ЛГуд - удельная мощность автосамосвала, кВт/г, Т]а - коэффициент полезного действия трансмиссии автосамосвала; кщ - коэффициент использования мощности двигателя автосамосвала при движении по уклону /„, доли ед.; кцГ , кц„ - коэффициенты использования мощности двигателя груженых и порожних автосамосвалов при движении по горизонтальной автодороге, доли ед.; V',/, уП( - скорости груженых и порожних ввтосамосвалов гтри движении на спуск в тормозном режиме, км/ч.

Расчетные значения эквивалентов и коэффициентов приведения для условий карьеров ОАО «Ураласбест» приведены в табл. 2.

Таблица 2

Значения горизонтальных эквивалентов и коэффициентов приведения в условиях карьеров ОАО «Ураласбест» (щ0= 0,02; /„, /с = 0,08)

Горизонтальные эквиваленты и коэффициенты приведения Модель автосамосвала

БелАЗ-7540В (0=30^=0,72, кг= 1,0) БелАЗ-7555В (О = 55 т, кг= 0,73, к?= 0,93) БелАЗ-7512 (0= 120^/^=0,75, кг— 0,71)

Подъем горной массы, м/м эп 42,9*/25,4** 42,2/25,9 39,8/23,6

30,4/12,9 29,7/13,4 27,3/11,1

Спуск горной массы, м/м Эс 26,0/17,8 26,8/19,1 29,6/18,4

Эс 13,5/5,3 14,3/6,6 17,1/5,9

* По расходу топлива; ** по времени движения автосамосвалов.

Установлено, что значения эквивалентов и коэффициентов приведения зависят от качества дорожного покрытия, уклона автодороги, коэффициента использования грузоподъемности автосамосвала, коэффициента тары, а также от эмпирических коэффициентов, учитывающих расход топлива груженых и порожних автосамосвалов в тормозных режимах, увеличение коэффициента сопротивления качению и удельного расхода топлива при номинальной нагрузке двигателя при движении порожних автосамосвалов. При использовании в качестве критерия времени движения на значения коэффициентов приведения, кроме перечисленных факторов, оказывают влияние удельная мощность автосамосвала и использование мощности двигателей на уклонах и горизонтальных участках автодорог.

Наибольшее влияние на значения коэффициентов приведения оказывает коэффициент сопротивления качению (ш0). Так, при изменении ю0 с 0,040 до 0,010 на уклоне 8 % коэффициент приведения увеличивается с 13,2 до 64,7 м/м, то есть в 4,9 раза, при движении на подъем горной массы и с 3,1 до 34,3 м/м, то есть в 11,1 раза, - при движении на спуск.

Значения коэффициентов приведения на автодорогах со щебеночным покрытием по времени движения в 2,4-2,9 раза ниже, чем по расходу топлива. Это объясняется неполным использованием мощности двигателей в карьерных условиях и предопределяет различные методы учета горнотехнических и дорожных условий при нормировании и планировании производительности и расхода дизельного топлива. Разница между коэффициентами приведения сокращается со снижением качества дорожного покрытия (рис. 2).

Разработанной методикой предусматривается приведение участков автодорог к одному (базовому) типу покрытия, а также приведение криволинейных участков трассы, создающих дополнительное сопротивление движению, к прямолинейным.

60 45 30 15 0

-1 с

ч

Ч <ь

"" — У- » ж

1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 tOo,%

Рисунок 2. Зависимости коэффициентов приведения (Э„ Э'с) от коэффициента

сопротивления качению (сос): 1 — при использовании в качестве критерия расхода топлива; 2 - при использовании в качестве критерия времени движения автосамосвалов; ——— - при работе на подъем; — - - при работе на спуск

Ввиду определяющего влияния на эксплуатационные параметры автотранспорта в диссертации исследованы показатели качества дорожного покрытия и их взаимосвязь. Установлено, что при всей универсальности коэффициент сопротивления качению (ю0) недостаточно всесторонне характеризует качество дорожного покрытия. В связи с этим при проектировании и строительстве карьерных автодорог целесообразно использовать дополнительные показатели качества, такие как прочность дорожной одежды, деформируемость и ровность дорожного покрытия.

Коэффициент прочности (Агпр) оценивается отношением фактического модуля упругости дорожной одежды к требуемому, определяемому по интенсивности и составу транспортного потока на расчетный год, и характеризует способность дорожной одежды сохранять приемлемые транспортно-эксплуатаци-онные качества в течение нормативного срока эксплуатации. На основании проведенных исследований с использованием результатов, полученных к.т.н. С. В. Богомоловым, установлена эмпирическая зависимость коэффициента сопротивления качению от коэффициента прочности дорожной одежды (рис. 3)

ш.- *"°'026 , (Л = 0,84), (4)

0 1,894 - 0,615 к'' У ' ( )

Рисунок 3. Зависимость коэффициента

сопротивления качению (<о0) от коэффициента прочности дорожного покрытая (кщ): 1 - щебеночное покрытие; 2 - временные автодороги без покрытия; 3 — асфальтобетонное покрытие

где кп - коэффициент, учитывающий тип дорожного покрытия; (£п = 0,75-7-0,80 - для автодорог с асфальтобетонным покрытием; кп = 1,0 — для автодорог со щебеночным покрытием; кп = 1,8-^2,0 - для временных автодорог без покры-

тия). Функция <в0 =/(inp) описывает зависимость среднего значения коэффициента сопротивления качению за нормативный срок эксплуатации дороги от коэффициента прочности дорожной одежды. Таким образом, областью применения ©о является оценка текущего состояния дорожного покрытия, эксплуатационные расчеты карьерного автотранспорта, оценка и выбор автомобильных трасс, а £пр - обоснование и расчет конструкций дорожных одежд и технологии строительства карьерных автодорог.

Одним из основных показателей качества карьерных дорог является ровность дорожного покрытия. Экспериментальная оценка ровности производилась на основании международного индекса IRI путем суммирования высот неровностей в см/м. При этом использовались результаты исследований влияния ровности на скоростные параметры автосамосвалов, полученные д.т.н. И. В. Зыряновым на карьерах (ОАО) АК «АЛРОСА». Установлено, что фактические значения ровности покрытия щебеночных автодорог (Н) на отечественных карьерах находятся в пределах 5—20 см/10 м при нормативных значениях 8-10 см/10 м. При Н > 18 см/10 м происходит резкое снижение скоростей движения автосамосвалов, а также горизонтальных эквивалентов вертикального перемещения горной массы.

Третья глава диссертации посвящена обоснованию конструкций дорожных одежд и технологии строительства автодорог с уплотнением карьерными автосамосвалами.

В настоящее время отсутствуют однозначные рекомендации по расчету конструкций щебеночных дорожных одежд для автосамосвалов грузоподъемностью более 180 т. По мнению автора, наиболее приемлемой методикой расчета является методика к.т.н. А. Г. Колчанова (ЗАО «Промтрансниипроект»), учитывающая напряженно-деформированное состояние и пластическое деформирование многослойного полупространства. Основные положения этой методики нашли практическое подтверждение у канадских специалистов при проектировании и эксплуатации щебеночных автодорог для автосамосвалов Komatsu 930Е грузоподъемностью 290 т. На основании указанной методики автором разработана компьютерная программа «Расчет дорожных одежд», позволяющая оперативно определять основные параметры дорожных одежд для автосамосвалов грузоподъемностью 130-360 т при различных значениях грузооборота (QT), скальных и глинистых подстилающих породах за весь срок существования дороги. В результате расчетов установлены зависимости для определения общей толщины дорожной одежды (А, см), толщины слоя основания (/г0, см) и слоя покрытия (h„, см) (табл. 3, рис. 4).

На качество карьерных автодорог значительное влияние оказывает ровность, плотность, прочность и работоспособность дорожной одежды. При соблюдении технологии строительства улучшение этих показателей можно обеспечить за счет уплотнения дорожной одежды.

В настоящее время на большинстве отечественных карьеров не предусматривается проведение специальных работ по уплотнению дорожной одежды. Там, где указанные работы производятся, используется специальное дорогостоящее

импортное оборудование — грунтовые и пневмоколесные катки в широкозахватном исполнении. При этом движение автосамосвалов на уплотняемых участках перекрывается, и они на длительные периоды исключаются из технологического цикла.

Таблица 3

Зависимости для определения толщины слоев дорожной одежды для автосамосвалов различной грузоподъемности при скальных подстилающих породах

Грузоподъемность автосамосвала, т Общая толщина дорожной одежды Л, см Толщина слоя основания Ао, см Толщина слоя покрытия, см

130 8,43£)ги'48 6,932л45 Лп ~ Л — Но

154 8,65 С?г°'51 6,42С?Г0'5

180 9.680Л4* 6,420-°'5

220 7,87&.0'" 5,97(?г0"53

240 10,010г 0,52 6,08С?Л53

320 9,97а0'5' 5,72бг°-"

360 12,310ги'53 5,72бг0-57

Ь, см

Ьа, ем

Ь«,см

Рисунок 4. Номограмма для определения толщины дорожной одежды при скальных подстилающих породах (130, 154 и т.д. - грузоподъемность автосамосвала)

Груженый от забое

С целью повышения качества карьерных автодорог и снижения затрат на их строительство в работе предложена технология уплотнения с применением карьерных самосвалов без исключения их из технологического цикла (рис. 5).

Груженый

от забоя Рисунок 5. Схема уплотнения порожняковой полосы движения автосамосвалами без исключения их из технологического цикла

Порожний к забою

Порожний к забою

Технология заключается в строгом соблюдении режимов уплотнения путем регулирования количества проходов машин по ширине автодороги, скорости и загрузки автосамосвалов и состоит из трех стадий:

- подкатки на малой скорости с минимальной загрузкой для уплотнения поверхностного слоя и придания ему требуемой плотности;

- укатки или непосредственного уплотнения слоя дорожной одежды на необходимую глубину при постепенном увеличении скорости движения и загрузки автосамосвалов;

- расклинцовки или окончательного уплотнения, производимого на минимальной скорости с максимальной нагрузкой.

Направления движения машин, скорости (от 2 до 10-15 км/ч), загрузка (от 50 до 100 %) и количество проходов по одному следу (и) регулируются в соответствии с методикой и расчетными формулами, приведенными в работе.

Для апробации предложенной технологии был построен опытный участок автодороги на западном борту карьера ОАО «Ураласбест». Строительство осуществлялось в период с 11 сентября по 10 ноября 2013 г.

После строительства участка была произведена оценка его транспортно-эксплуатационных качеств путем сравнения с аналогичными показателями на контрольном участке, построенном по старой технологии. В качестве критериев оценки использовалась плотность слоев дорожной одежды (рф, г/см3), коэффициент прочности дорожной одежды (¿пр), продольная и поперечная ровность дороги (Н, см/10 м) и работоспособность дорожной одежды. Оценка производилась с помощью баллонного плотномера ПБД-КМ, высокоточных нивелиров Н-05 и SDL-50 и дорожной рейки РДУ-Кондор.

С целью определения количества проходов (и), необходимых для достижения требуемого коэффициента уплотнения (ку = 0,95) и коэффициента прочности дорожной одежды (кпр > 0,95), после 2-3 проходов по одному следу осуществлялся расчет фактической плотности и модуля упругости дорожной одежды. Получены следующие регрессионные зависимости: рф = 1,76и0,н; ку = 0,65и°'136; кщ, = 0,62и0,17. Зависимости характеризуются высокими значениями коэффициентов регрессии R = 0,977-7-0,986.

Зависимость коэффициента прочности дорожной одежды от количества проходов автосамосвалов, а также графики изменения плотности по длине участков приведены на рис. 6 и 7. Установлено, что требуемые показатели качества дорожной одежды обеспечиваются за 15—20 проходов машины по уплотняемому участку.

пр I

0,9 0,8 0,7 0,6

к - > 0.95

•___!

А

1

12 16 П, ед

Рисунок 6. Зависимость коэффициента прочности (Апр) от количества проходов по одному следу (л, ед.)

14

а

б

Рисунок 7. Графики вариации плотности опытного (1) и контрольного (2) участков на момент сдачи в эксплуатацию (а) и после года эксплуатации (б)

Испытания показали, что опытный участок по сравнению с контрольным характеризовался более устойчивыми показателями качества и не потребовал в течение года дополнительных затрат на содержание и ремонт. В то же время для обеспечения нормальной эксплуатации контрольного участка потребовалось затратить дополнительно 4,7 тыс. т щебня.

Опыт внедрения на карьере ОАО «Ураласбест» показал, что предложенная технология позволяет:

- повысить на 13-15 % скорости движения и на 390 т сменную производительность автосамосвалов БелАЭ-75130;

- увеличить на 5,1 тыс. т сменную производительность рабочего парка, что составляет 10 % от производительности до внедрения технологии.

В четвертой главе диссертационной работы обоснованы параметры дорожно-строительной техники для строительства и содержания карьерных автодорог. Состояние автодорог на современных карьерах в значительной степени зависит от эффективности структур комплексной механизации их строительства и содержания. При увеличении грузоподъемности автосамосвалов с 30-45 т до 320-360 т ширина проезжей части автодорог увеличивается в 2-3 раза и составляет 27-36 м. Увеличение ширины автодорог и мощности дорожных одежд приводит к росту затрат на строительство, содержание и ремонт дорог. В настоящее время размеры автосамосвалов существенно превосходят размеры рабочего оборудования основных машин - бульдозеров и грейдеров, используемых на строительстве дорог. В связи с этим при строительстве и содержании автодорог, предназначенных для эксплуатации мощных автосамосвалов, возникает необходимость в большом количестве параллельных проходов дорожно-строительных машин вдоль строящегося или обслуживаемого участка. Это приводит к росту объемов работ, увеличению сроков и затрат на строительство. В данном случае нарушается один из основных принципов комплексности механизации, сформулированный акад. В. В. Ржевским, принцип параметрической взаимосвязи основных и вспомогательных машин, входящих в структуру механизации.

Решить данную проблему позволит создание новых моделей дорожно-строительных машин с большей шириной рабочего оборудования, соответствующего параметрам современных автосамосвалов. Однако увеличение ширины отвалов дорожно-строительного оборудования сопровождается ростом мощности тяговых двигателей, массы и цены машин. Для оперативного определения и прогнозирования этих показателей был произведен анализ технических и стоимостных параметров бульдозеров и грейдеров, выпускаемых отечественными и ведущими зарубежными фирмами-изготовителями. В результате установлены регрессионные зависимости между ценой (Ц, руб), эксплуатационной массой (М, т), мощностью тягового двигателя (ЛГД, кВт) и основным рабочим параметром - шириной отвала (В0, м) (табл. 4).

На основе экономико-математического моделирования с использованием установленных зависимостей разработаны компьютерные программы по выбору дорожно-строительных машин в конкретных условиях эксплуатации, учитывающие грузоподъемность автосамосвалов, объемы перевозок и дорожно-строительных работ.

Таблица 4

Зависимости для определения весовых и мощностных параметров дорожно-строительных машин

Оборудование Зависимость Коэффициент регрессии

Гусеничные бульдозеры М = 0,206 Д0 -664,4 0,96

ЛГЛ = 0,035 Во -113,2 0,97

Колесные бульдозеры М = 7,31 Во2,4 0,98

Мв = 0,41 Ва'^* 0,96

Грейдеры М = 0,069 Во-119,4 0,93

ЛГ„ = 0,013 В0 -33,7 0,97

В результате проведенных исследований разработаны рекомендации по рациональным комплектам оборудования для механизации дорожно-строительных работ (табл. 5).

Таблица 5

Рациональные комплекты оборудования для механизации дорожно-строительных работ

Показатели Значения показателей

Объем перевозок Оп млн. т/год 5-40 50-100 110-140

Объем дорожно-строительных работ О-, тыс. м /год 17-200 260-600 670-890

Автосамосвалы Ва, М 30-110 3,7-6,1 130-260 6,5-8,4 280-360 8,7-9,5

Гусеничные бульдозеры Л'д, кВт В0,м Ц 160-200 4.0-4,2 1.1-0,65 200-390 4,2-5,1 0,65-0,61 430-540 5,3-5,9 0,61

Колесные бульдозеры Л'д, кВт В0, м И 167-180 3,7-3,9 1,0-0,61 185-340 3,9-5,0 0,59 380-470 5,2-5,7 0,59

Автогрейдеры .¡Уд, кВт В0, м 120-210 3,5-4,8 0.95-.80 230-340 5,1-6,6 0,79 350-400 6,9-7,5 0,79

Рациональные соотношения между шириной отвала дорожно-строительных машин (В0, м) и шириной автосамосвала (Яа, м) ц = В^В^, обеспечивающие параметрическую взаимосвязь оборудования и комплексную механизацию дорожного строительства, составляют: для гусеничных бульдозеров р = 0,61-ьО,65; для колесных бульдозеров ц = 0,59; для автогрейдеров ц = 0,78. Для повышения эффективности эксплуатации большегрузного карьерного автотранспорта необходима интенсификация разработки и изготовления отечественной дорожно-строительной техники мощностью более 350-400 кВт.

Разработанные рекомендации могут использоваться для оперативного выбора моделей бульдозеров и грейдеров в конкретных условиях эксплуатации, а также для прогнозирования конструктивных и стоимостных параметров перспективных моделей дорожно-строительной техники, предназначенной для эксплуатации в комплексе с мощными автосамосвалами.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации дано новое решение научно-практической задачи оценки и обоснования рациональных дорожных условий эксплуатации карьерных автосамосвалов большой 1рузоподъемности на основе использования закономерностей влияния качества дорожного покрытия на эксплуатационные показатели технологического автотранспорта, имеющее существенное значение для повышения эффективности открытого способа разработки месторождений.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. Значительное увеличение осевых нагрузок на дорожные основания при внедрении автосамосвалов грузоподъемностью 130-360 т предъявляет новые требования к оценке горнотехнических и дорожных условий эксплуатации карьерного автотранспорта, конструкциям дорожных одежд, технологии и комплексной механизации дорожно-строительных работ. В связи с этим оценка и обоснование рациональных дорожных условий эксплуатации карьерных автосамосвалов является актуальной научно-технической задачей.

2. Оценку и сравнение горнотехнических и дорожных условий эксплуатации автотранспорта рекомендуется производить по приведенному расстоянию транспортирования, учитывающему качество дорожного покрытия, высоту подъема (спуска) горной массы, уклон автодорог, сложность трассы в плане, режимы движения и конструктивные параметры автосамосвалов. Разработана и апробирована в производственных условиях экспериментально-аналитическая методика расчета горизонтальных эквивалентов вертикального перемещения горной массы, коэффициентов приведения наклонных и криволинейных участков трассы к горизонтальным, а также различных типов покрытия автодорог к щебеночному с использованием в качестве критериев оценки времени движения (производительности) и расхода топлива (энергоемкости) автосамосвалов. Установлено, что значения коэффициентов приведения вертикального расстояния на автодорогах со щебеночным покрытием составляют: по расходу топлива при работе на подъем горной массы 27,3—30,4 м/м, при работе на спуск

13,5-17,1 м/м; по времени движения при работе на подъем 11,1-12,9 м/м, при работе на спуск 5,3-5,9 м/м.

3. Значения коэффициентов приведения на автодорогах со щебеночным покрытием по времени движении в 2,4-2,9 раза ниже, чем по расходу топлива, что объясняется неполным использованием мощности двигателей в карьерных условиях и предопределяет различные методы оценки горнотехнических и дорожных условий эксплуатации при нормировании и планировании производительности и расхода топлива автосамосвалами.

4. Наибольшее влияние на эксплуатационные показатели автотранспорта и коэффициенты приведения оказывает качество дорожного покрытия. Для оценки качества покрытий целесообразно использовать следующие показатели: коэффициент сопротивления качению (©<>), коэффициент прочности дорожного покрытия (кщ) и ровность дорожного покрытия (Я). Установлены взаимосвязи этих показателей, области применения и их влияние на коэффициенты приведения. Областью применения в0иЯ является оценка текущего состояния покрытий и эксплуатационные расчеты автотранспорта, областью применения кщ, - обоснование и расчет конструкций дорожных одежд и технологии строительства автодорог.

5. Толщина дорожных одежд на автодорогах со щебеночным покрытием при использовании автосамосвалов грузоподъемностью 130-360 т изменяется от 25 До 270 см. Оперативное определение толщины дорожных одежд рекомендуется проводить с использованием разработанной компьютерной программы и установленных статистических зависимостей, учитывающих величины осевых нагрузок на дорожное полотно, суммарный грузооборот за весь срок существования дороги и физико-механические свойства подстилающих пород.

6. Повышение качества автодорог и снижение затрат на строительство может быть обеспечено за счет разработанной технологии уплотнения дорожных одежд с применением карьерных автосамосвалов без исключения их из технологического цикла. Технология включает три стадии уплотнения и заключается в регулировании направлений движения груженых машин, скоростей (от 2 до 10-15 км/ч), загрузки автосамосвалов (от 50 до 100 %) и количества проходов по одному следу. Установлено, что при соблюдении регламента уплотнения нормативные значения коэффициентов прочности дорожной одежды (кщ, > 0,95) обеспечиваются за 15-20 проходов по одному следу груженых машин по уплотняемому участку.

7. Состояние автодорог в значительной степени определяется эффективностью структур комплексной механизации их строительства и содержания. На основе экономико-математического моделирования с использованием установленных зависимостей цены, массы и мощности дорожно-строительных машин от ширины их рабочего оборудования разработаны компьютерные программы по выбору моделей бульдозеров и автогрейдеров, учитывающие грузоподъемность автосамосвалов, объем перевозок и дорожно-строительных работ.

8. Установлено, что рациональные соотношения между шириной отвала дорожно-строительных машин и шириной автосамосвала, обеспечивающие параметрическую взаимосвязь оборудования и комплексную механизацию до-

18

рожного строительства, составляют: для гусеничных бульдозеров - 0,61-0,65, для колесных бульдозеров - 0,59, для автогрейдеров - 0,78.

9. В результате апробации разработанной методики оценки горнотехнических и дорожных условий эксплуатации автотранспорта на карьерах (ОАО) АК «АЛРОСА» и ОАО «Ураласбест» установлено, что использование коэффициентов приведения позволяет повысить точность расчетов (на 10-18 %) и значительно упростить процесс нормирования и планирования расхода дизтоплива и производительности автосамосвалов. Фактический экономический эффект от внедрения разработанной технологии строительства и уплотнения автодорог в условиях ОАО «Ураласбест» составил 455 тыс. руб., ожидаемый - 2,3 млн. руб. на 1 км автодороги.

Использование рекомендаций работы возможно на большинстве действующих и проектируемых карьеров, использующих автомобильный транспорт, в научно-исследовательских, проектных и учебных институтах горного профиля.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

- в изданиях, определенных ВАК при Минобрнауки России:

1. Арефьев С. А. Основные параметры оборудования, используемого при строительстве карьерных автодорог / Ю. И. Лель, Ю. В. Стенин, И. Н. Сандри-гайло, С. А. Арефьев //Изв. вузов. Горный журнал. 2014. № 1. С. 27-32.

2. Арефьев С. А. Совершенствование нормирования расхода топлива карьерными автосамосвалами на основе горизонтальных эквивалентов вертикального перемещения горной массы ПО. И. Лель, Р. Г. Салахиев, С. А. Арефьев, И. Н. Сандригайло //Изв. вузов. Горный журнал. 2014. № 2. С. 107-115.

3. Стенин Ю. В., Арефьев С. А., Ганиев Р. С. Карьерные автодороги -элемент открытых горных работ //Мир транспорта и технологических машин. 2014. № 1 (44). С. 55-62.

4. Арефьев С. А. Определение основных параметров колесных бульдозеров, используемых на горных предприятиях //Вестник Магнитогорского гос. техн. ун-та им. Г. И. Носова. 2014. № 2 (46). С. 69-73.

5. Стенин Ю. В., Арефьев С. А., Ганиев Р. С. Взаимосвязь карьерных автодорог с технологическими параметрами открытой разработки //Новые огнеупоры. 2014. № 3 (специальный выпуск). С. 24-25.

6. Арефьев С. А. Обоснование конструкции дорожных одежд карьерных дорог, предназначенных для автосамосвалов большой грузоподъемности //Естественные и технические науки. 2015. № 1. С. 38-39.

7. Арефьев С. А. Повышение эксплуатационных свойств карьерных автодорог путем их уплотнения с использованием технологических автосамосвалов //Естественные и технические науки. 2015. № 1. С. 40-42.

в прочих изданиях:

8. Арефьев С. А., Юдин И. С. Роль карьерных автодорог в формировании эффективности карьерного автомобильного транспорта //Междунар. науч.-пракг. конфер. «Уральская горная школа - регионам», г. Екатеринбург, 11-12 апреля 2011 г.: сб. докл. УГГУ. Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2011. С. 216-218.

9. Арефьев С. А. Проблемы совершенствования параметров и транспорт-но-эксплуатационных качеств карьерных дорог /Ю. И. Лель, Ю. В. Стенин,

19

А. Г. Колчанов, Арефьев С. А. //Нерудная промышленность. СПб.: Изд-во «Красная линия», 2012. №2(9). С. 18-25.

10. Стенин Ю. В., Арефьев С. А. Возможные направления по совершенствованию дорожно-строительной техники для карьеров //Междунар. науч.-практ. конфер. «Уральская горная школа - регионам», г. Екатеринбург, 23-24 апреля 2012 г.: сб. докл. УГГУ. Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2012. С. 258-260.

11. Арефьев С. А., Шестаков Н. И. Конструкции дорожных одежд для карьеров Верхне-Мунского месторождения //Междунар. науч.-практ. конфер. «Уральская горная школа - регионам» г. Екатеринбург, 1-10 апреля 2013 г.: сб. докл. УГГУ. Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2013. С. 249-251.

12. Арефьев С. А. Совершенствование нормирования расхода топлива карьерными автосамосвалами на основе приведенного расстояния откатки ЛО. И. Лель, С. А. Арефьев, С. А. Дунаев и др. //Междунар. науч.-практ. конфер. «Уральская горная школа - регионам», г. Екатеринбург, 1-10 апреля

2013 г.: сб. докл. УГГУ. Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2013. С. 265-267.

13. Стенин Ю. В., Арефьев С. А., Фадеев А. А. Зависимость характеристик карьерных автодорог от параметров карьера //Междунар. науч.-практ. конфер. «Уральская горная школа — регионам», г. Екатеринбург, 28-29 апреля

2014 г.: сб. докл. УГГУ. Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2014. С. 284-286.

14. Стенин Ю. В., Арефьев С. А., Самихов Д. М. Уплотнение карьерных автодорог технологическими автосамосвалами //Междунар. науч.-практ. конфер. «Уральская горная школа - регионам», г. Екатеринбург, 28-29 апреля 2014 г.: сб. докл. УГГУ. Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2014. С. 286-288.

15. Арефьев С. А. К оценке горнотехнических и дорожных условий эксплуатации карьерного автотранспорта /Ю. И. Лель, С. А. Арефьев, И. Н. Сандригайло, Д. А. Шлохин //Междунар. науч.-практ. конфер. «Уральская горная школа — регионам», г. Екатеринбург, 28-29 апреля 2014 г.: сб. докл. УГГУ. Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2014. С. 288-290.

16. Арефьев С. А. Методика оценки горнотехнических и дорожных условий эксплуатации карьерных автосамосвалов /Ю. И. Лель, С. А. Арефьев, Ю. В. Стенин, И. Н. Сандригайло и др. //III Междунар. науч.-техн. конфер. «Инновационные геотехнологии при разработке рудных и нерудных месторождений», г. Екатеринбург, 22-23 апреля 2014 г. Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2014. С. 19-22.

17. Арефьев С. А. Развитие идей член-корреспондента РАН В. Л. Яковлева по учету влияния горнотехнических условий эксплуатации на показатели карьерного автотранспорта / Ю. И. Лель, С. А. Арефьев, С. А. Дунаев и др. //Проблемы недропользования. 2014. Вып. № 3. Сетевое рецензируемое периодическое издание. Екатеринбург, 2014. С. 136-145.

Подписано в печать 12.02.2015. Формат 60x84 1/16. Бумага писчая.

Печать на ризографе. Печ. л. 1,0. Тираж 150 экз. Заказ № О ,

Уральский государственный горный университет 620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30.

Лаборатория множительной техники VI1У 20