Механическое рыхление

МЕХАНИЧЕСКОЕ РЫХЛЕНИЕ

Механическое рыхление - послойное отделение породы от массива и разделение ее на куски при помощи механических рыхлителей. Размеры кусков породы, отделенных от массива, должны обеспечивать высокую производительность выемочно-погрузочного и транспортного оборудования при разработке пластов различной мощности.

Применяемые рыхлители по способу крепления рабочего органа разделяются на навесные и прицепные. Основным преимуществом навесных рыхлителей по сравнению с прицепными является возможность использования массы тягача для заглубления рабочего органа рыхлителя. Прицепные рыхлители осуществляют рыхление на глубину не более 0,5 м, а навесные - на глубину до 2 м.

Техническая характеристика рыхлителей приведена в табл. 1, а бульдозерно-рыхлительных агрегатов (тракторы, комплектно поставляемые с навесным оборудованием бульдозеров и рыхлителей) - в табл. 2.

Техническая характеристика отечественных рыхлителей.

Таблица 1

Показатели

ДП-

ДП-

ДП-

ДП-

ДП-

ДП-

ДП-

26С

22С

9ВХЛ

10С

29АХ

141ХЛ

35УХ

Л

Л

Базовый

трактор

Т-130

Т-

180КС

ДЭТ-

250М

ТТ-330

ТТ-330

Т-500

Т-50.01

Мощность

118

133

243

250

250

353

523

двигателя, кВт

Тяговый

100

150

250

250

250

350

750

класс, кН

Число зубьев

1

1;3

1

1;3

1

1

1

Расстояние между осями зубьев, мм

-

795

-

700

-

-

-

Ширина наконечника зуба, мм

66

86

105

114

114

120-125

125-130

Глубина рыхления, мм

450

500

1200

700

700

1300

1780

Угол рыхления, градус

45

48

45

45

45-50

25-50

30-83

Масса рыхлительного оборудования, т

1,4

3,1

3,9

5,4

6,6

7

12,7

Конструктивная схема навесного рыхлителя показана на рис. 1.

Основными параметрами, характеризующими рабочий угол рыхлителя, являются угол резания γ, угол заострения ω, задний угол φ, толщина и длина зуба и расстояние между зубьями (рис. 2).

Угол резания оказывает существенное влияние на силу резания. Увеличение угла резания (рыхления) с 40 до 60° повышает лобовое сопротивление режущему органу (зубу) в 2 раза. Чрезмерное уменьшение угла резания (до 30° и менее) может сопровождаться увеличением сопротивления породы рыхлению (особенно при резании вдоль напластования). Рациональные значения угла рыхления при разработке скальных, полускальных и мерзлых пород находятся в пределах 30 - 45°. При разработке глин с включением валунов угол рыхления несколько увеличивается.

Угол заострения наконечников находится в пределах 20 - 30°. Во всех случаях угол заострения должен быть таким, чтобы при любом заглублении зубьев задний угол Ф был не менее 5° при рыхлении полускальных и скальных пород. При меньшем значении заднего угла ф происходит смятие породы задней гранью наконечника, в результате чего возрастает сопротивление породы рыхлению и повышается износ наконечника.

Техническая характеристика бульдозерно-рыхлительных агрегатов отечественного производства.

Таблица 2

Показатели

ДЗ-116А;

ДЗ-116В

ДЗ-117;

ДЗ-117А

ДЗ-35С;

ДЗ-22С

ДЗ-126;

ДЗ-126А

ДЗ-94С;

ДЗ-95С

ДЗ-

129ХЛ

ДЗ-

141ХЛ

ДЗ-

159УХЛ;

ДП-35УХЛ

Базовый

трактор

Тяговый

Т-130.1 Г-1; Т-130.1 МГ-1; 100

T-I80KC

ДЭТ-

250М

Т-ЗЗО

ТТ-ЗЗОР-

1-01

Т-500Р-1

Т-50.01

150

250

350

750

класс, кН

Бульдозер

ДЗ-110А

ДЗ-110B

ДЗ-109;

ДЗ-109Б

ДЗ-35С

ДЗ-118

ДЗ-59С;

ДЗ-59ХЛ

ДЗ-

124ХЛ

ДЗ-

141ХЛ

ДЗ-

159УХЛ

Рыхлитель

ДП-26С

ДП-22С

ДП-

9ВХЛ

59ХЛ

ДП-10С

ДП-

29АХЛ

ДЗ-

141ХЛ

ДП-

35УХЛ

Габариты, мм:

длина

ширина

высота

6400

6570

8350

9215

8740

9290

10305

11200

3220

4120

3640

4310

4730

4730

4800

6050

3087

3087

2825

3240

3450

4230

4295

4785

Масса, т

17,8

17,9

27

42

52,8

50,5

59,5

90,1

Рис. 1 - Конструктивная схема навесного рыхлителя: 1 - наконечник зуба: 2 - стопорное устройство; 3 - стойка: 4 - поворотная скоба; 5 - тяга; 6 - рабочая рама: 7 - гидроцилиндр привода; -V - опорный кронштейн: 9 - болты крепления на базовом тракторе: 10 – тягач

Рис. 2 - Параметры рыхления при заглублении прямого наконечника

Толщина стоек рыхлителя должна быть минимальной при достаточной прочности. У рыхлителей она составляет 60-100 мм.

Длина стоек должна быть на 250 - 300 мм больше максимального заглубления зуба рыхлителя, что обеспечивает беспрепятственный проход рамы рыхлителя над разрыхленной породой.

Вынос стоек относительно гусениц тягача L>c> = (1,5-2)h>3>, где h>з> - максимальное заглубление зуба рыхлителя.

Механическое рыхление пород осуществляется при движении тягача с заглубленным зубом. При создании значительных усилий на режущей кромке зуба происходит отрыв кусков породы от массива и разрушение породы в пределах трапециевидной прорези (рис. 3). Разрушение породы происходит в результате развития в ней сложного напряженного состояния. В разных частях прорези разрушение идет разными путями. Порода разрушается преимущественно путем сжатия и сдвига перед лобовой гранью зуба, отрыва и сдвига - в боковых расширениях прорези и среза - у боковых ребер зуба возле режущей кромки. Кроме того, затупленной режущей кромкой или изношенным наконечником осуществляется смятие породы.

Рис. 3 - Сечения одиночных борозд рыхления: а, б - соответственно фактическое и теоретическое для монолитного массива; в, г – соответственно фактическое и теоретическое для трещиноватого массива.

Удельное сопротивление породы разрушению при рыхлении K ' изменяется в зависимости от свойств породы и формы наконечника. Его значение близко к пределу сопротивления пород растяжению, т.е. К' = (1,3- 1,5)σ>р>, что свидетельствует о том, что данный способ разрушения наименее энергоемкий.

При рыхлении монолитного массива в нижней его части образуется щель (рис. 4), ширина которой соответствует ширине применяемого наконечника, а глубина составляет 15-20 % от заглубления зуба. Угол наклона боковых стенок борозды α изменяется в зависимости от состояния рыхлимого массива в пределах 30 - 80°. При рыхлении сложнотрещиноватого массива (см. рис. 4) разрушение происходит по плоскостям ослабления его трещинами. Внедрение зуба в массив при этом сопровождается интенсивным разрушением стенок по всей глубине борозды.

Рыхление массива производится параллельными смежными проходами рыхлителя. Расстояние между двумя смежными проходами С>с.п> выбирается из условия обеспечения требуемой кусковатости и глубины рыхления массива. При параллельных проходах рыхлителя между двумя смежными бороздами в нижней части последних образуются целики, которые затрудняют выемку породы на полную глубину внедрения (см. рис. 4). Поэтому глубина эффективного рыхления массива h>э> меньше заглубления зуба h>з>. Разрушение целиков может производиться перекрестными проходами рыхлителя, перпендикулярными (диагональными) к первоначальным (параллельным смежным) проходам.

Рис. 4 - Сечения борозд рыхления при параллельных проходах рыхлителя: α – в монолитном массиве; б - в трещиноватом массиве; 1 - целики

Расчёт параметров механического рыхления

Эффективность рыхления горных пород зависит от тяговых характеристик трактора, параметров рыхлителя, физико-механических свойств пород и структуры массива. Существенное влияние на производительность рыхлителя оказывают глубина погружения зуба и скорость движения рыхлителя. Эти параметры не могут приниматься произвольно, а должны рассчитываться по тяговой характеристики тяговой машины с учётом свойств рыхлимых пород.

Область применения и эффективность механического рыхления определяются степенью рыхлимости массива. Быстрое и сравнительно недорогостоящее получение необходимой информации о свойствах разрабатываемого массива дают сейсмоакустические методы исследований, основанные на изучении характера распространения упругих колебаний в массиве. Установлено, что скорость распространения упругих волн достаточно полно коррелируется с прочностью и трещиноватостью массива и может служить в качестве обобщенного показателя, учитывающего изменение этих факторов. С увеличением прочности породы скорость распространения упругих волн увеличивается, а с увеличением трещиноватости - уменьшается. Скорость распространения упругих волн в массиве горных пород и в образцах существенно различается. Это различие обусловлено структурой массива, и, прежде всего, трещиноватостью. Учитывать структурную характеристику массива рекомендуется через параметр, называемый акустическим показателем:

где υ>с> – скорость распространения продольных упругих волн в массиве, м/с;

υ>у> – скорость распространения продольных упругих волн в монолитном образце рыхлимой породы, м/с.

По величине акустического показателя и тягового класса трактора оптимальное заглубление зуба можно определить по предлагаемой номограмме (рис. 5) [1].

Породы вскрыши Зашуланского каменноугольного месторождения представлены четвертичными отложениями, включающими в себя почвенно-растительный слой мощностью от 0,2 до 0,6 м, суглинками мощностью от 15 до 18 метров, песчано-галечниковыми образованиями мощностью от 0,5 до 15 метров и коренными породами, состоящих из аргиллитов и алевролитов. Удельный вес вскрышных пород составляет 2,2 т/м3. Согласно геологического отчёта породы вскрыши в талом состоянии хорошо поддаются прямой экскавации и не требуют предварительного рыхления. Породы вскрыши находящиеся в мёрзлом состоянии и уголь могут разрабатываться только после предварительного рыхления. Коэффициент крепости мёрзлых пород находится в пределах 3-5 и данные породы можно отнести к классу средне- и труднорыхлимых, характеризуемых скоростью распространения продольных упругих волн в массиве в среднем 3000 м/с при акустическом показателе 0,4.

С целью оптимизации параметров подготовки пород к выемке механическим рыхлением рассмотрим три типоразмера бульдозерно-рыхлительных агрегатов различного тягового класса, в том числе ДЗ-35С (150 кН), ДЗ-94С (250 кН), ДЗ-141ХЛ (350 кН). Характеристики базовых тракторов приведены в таблице 1.

По данным номограммы величина заглубления зуба рыхлителя соответственно будет составлять 0,35; 0,51; 0,69 м.

Рис. 5 - Номограмма для определения возможного заглубления h>з> зуба рыхлителя в зависимости от акустических характеристик массива υ>у> и R, мощности тягача N и силы тяги F рыхлителя: 1,2,3,4 - при значениях υ>у> соответственно 1000, 2000, 3000 и 4000 м/с

Выполним расчёт основных параметров рыхления для бульдозера-рыхлителя ДЗ-35С.

Определим ширину прорези понизу

в = К>з>× в>з>, м;

где в>з> – ширина коронки, м;

К>з> – (1 - 1,1) – коэффициент

в = 1,05×0,086 =0,09 м.

Определим ширину прорези поверху

В= в+2×К>т>×h>з>×ctgα, м;

где К>т> = 0,85 коэффициент трещиноватости;

α=500 – угол наклона стенок прорези;

h>з> – возможное заглубление зуба рыхлителя, м.

В=0,09+2×0,85×0,35×ctg50=0,59 м.

Определим глубину эффективного рыхления

h>э>=0,6 × h>з>, м;

h>э>=0,6 × 0,35 = 0,21 м.

Определим расстояние между соседними проходами рыхлителя

С=в+[(h>з>-h>э>)×2ctgα]×К>т>, м;

С=0,09+[(0,35-0,21)×2ctg50]×0,85=0,29 м;

Для других бульдозеров-рыхлителей расчёт параметров механического рыхления выполнен аналогично, результаты расчётов приведены в таблице 3.

Расчёт параметров механического рыхления

Таблица 3

Наименование показателя

ед. изм

Тип бульдозерно-рыхлительного агрегата

ДЗ-35С (150 кН)

ДЗ-94С (250 кН)

ДЗ-141ХЛ (350 кН)

Ширина прорези понизу, (в)

м

0,09

0,12

0,13

Ширина прорези поверху, (В)

м

0,59

0,85

1,11

Глубина эффективного рыхления, (h>э>)

м

0,21

0,31

0,41

Расстояние между проходами рыхлителя, (С)

м

0,29

0,40

0,53

Технология отработки уступа

Необходимость разработки уступов слоями небольшой мощности и, как следствие этого, незначительная высота забоя погрузочного механизма несколько ограничивают область применения рыхлителей и оказывают существенное влияние на выбор рациональных средств комплексной механизации и технологии добычных работ. С одной стороны, незначительная высота забоя затрудняет непосредственную выемку разрыхленной горной массы механическими лопатами, так как для производительной их работы в данном случае требуется предварительное ее штабелирование. С другой стороны, механическое рыхление, обеспечивая высокое качество подготовки скальных и полускальных пород, позволяет повысить эффективность работы и расширить область применения таких выемочно-погрузочных механизмов, как скреперы, бульдозеры, одноковшовые погрузчики, многочерпаковые и роторные экскаваторы, погрузочные машины непрерывного действия и др.

Рыхление массива навесными рыхлителями можно вести горизонтальными или наклонными слоями. При работе горизонтальными слоями по мере рыхления и погрузки породы высота уступа в зоне погрузки постоянно уменьшается, что приводит к снижению производительности экскаватора и требует дополнительных объёмов бульдозерных работ. Поэтому наиболее рациональной при рыхлении горизонтальными слоями является подъуступная схема, при которой разрыхленная порода сталкивается бульдозером по выположенному откосу на подошву уступа, где и производится её погрузка в транспортные средства (рис 6).

При рыхлении наклонными слоями откос уступа выполаживается до 20-25о, что позволяет значительно увеличить производительность рыхлителей и бульдозеров.

Объём готовых к выемке запасов (V>з>) в зимний период должен соответствовать 7-10 дневной производительности выемочно-погрузочной машины. Для условий Зашуланского разреза, при суточной производительности экскаватора 3900 м3/сут, этот объём будет составлять 39 тыс.м3. Параметры блока определяются исходя из высоты уступа, ширины заходки и нормативного объёма готовых к выемке запасов. В соответствие с этим, размеры блока принимаются равными: высота (H>у>) – 10 м; ширина (B) – 27 м; длина (L) - м.

Рис. 6 - Схема производства добычных работ с применением рыхлителей: а - разработка уступа наклонными слоями; б - разработка уступа горизонтальными слоями с нормальным откосом уступа; в - то же, с выположенным откосом; 1 - экскаватор; 2 – бульдозер; 3 - погрузчик

Для рыхления мёрзлых откосов уступов необходимо провести их выполаживание до угла 20о. Рыхление верхней площадки уступа производится поперечными ходами с предварительным созданием вдоль фронта работ зоны ослабления мёрзлого массива, которая выполняется заездами рыхлителя продольными параллельными полосами и служит для снижения усилия при заглублении зуба. Рыхление откосов осуществляется в направлении уклона по мере понижения уступа. Разрыхленная порода очередного слоя бульдозером транспортируется к забою экскаватора. На работах по рыхления и транспортированию пород применяем бульдозерно-рыхлительный агрегат. Схема ведения работ приведена на рисунке 7.

Расчёт производительности рыхлителя

Выполним расчёт производительности бульдозерно-рыхлительного агрегата ДЗ-35С.

Определим время на рыхление мёрзлых пород в пределах одного заезда

, мин;

где t>з>, t>в> – время заглубления и выглубления зуба рыхлителя, мин (принимается равным соответственно 0,15 и 0,1);

t>р> – время рыхления пород в пределах одного заезда, мин:

,мин;

где В – ширина верхней площадки уступа, м;

H>у> – высота уступа, м;

α – угол откоса уступа, град;

υ>р> – скорость движения рыхлителя, м/мин;

мин.

мин.

Рассчитаем время заезда рыхлителя на новую борозду

, мин;

где t>м>, t>п> – время на маневры рыхлителя и переключение передач, мин, соответственно принимаются равными 0,3 и 0,15 мин;

t>д> – время движения холостым ходом, мин

, мин;

где υ>ХХ> – скорость движения рыхлителя на холостом ходу, м/мин;

мин.

мин.

Определим часовую производительность рыхлителя

, м3/час;

где k>и> – коэффициент использования рыхлителя в течение смены.

м3/час;

В пределах подготавливаемого блока объём рыхления мёрзлых пород равен

,м3;

где H>м> – мощность слоя мёрзлых пород, м.

тыс.м3.

Определим время необходимое для рыхления мёрзлых пород в блоке

ч.

Расчёт производительности бульдозера

Определим время цикла бульдозера

где L>н> – расстояние набора породы бульдозером, м;

L>г> – расстояние на которое перемещается порода, м;

υ>н> – скорость движения бульдозера при наборе породы, м/с;

υ>г> и υ>п> – установленная скорость хода соответственно гружёного и порожнего бульдозера, м/с;

t>п> – время на переключение скорости, с.

с.

Определим объём призмы волочения перемещаемой бульдозером

где h>о> и l – соответственно высота и длинна отвала бульдозера, м;

a – угол откоса развала, град.

м3.

Определим часовую производительность бульдозера по формуле

где Т>ц> – время цикла бульдозера, с;

V – объём призмы волочения, м3;

k>в> – коэффициент использования машины во времени в смену;

k>р> – коэффициент разрыхления породы.

м3/час.

Определим время необходимое для перемещения мёрзлых пород в блоке

ч.

Время необходимое для подготовки пород к выемке в границах рассматриваемого блока составит

ч.

Для других бульдозеров-рыхлителей расчёт производительности выполнен аналогично, результаты расчётов приведены в таблице 4.

Расчёт производительности бульдозеров-рыхлителей

Таблица 4

Наименование показателя

ед. изм

Тип бульдозерно-рыхлительного агрегата

ДЗ-35С (150 кН)

ДЗ-94С (250 кН)

ДЗ-141ХЛ (350 кН)

Рыхление блока

T>рз>

мин

1,71

1,57

1,16

t>р>

мин

1,46

1,32

0,91

T>ХХ>

мин

1,62

1,51

1,18

t>д>

мин

1,17

1,05

0,73

Q>р>

м3/ч

59,8

131,6

303,5

V>р>

м3

29 400

T>бр>

ч

492

223,4

96,7

Сталкивание пород

T>ц>

с

449

336

285,6

V

м3

6,9

12,5

16,7

Q>б>

м3/ч

31,9

77,2

121,4

T>бб>

ч

921,6

380,1

242,2

Т>П>

ч

1413,6

603,5

338,9

Расчёт затрат на механическое рыхление пород

Затраты на механическое рыхление мёрзлых пород выполним на основании расчёта стоимости одного машино-часа работы бульдозера. В общем случае в данном расчёте рассматриваются следующие статьи затрат:

- оплата труда (З>ОТ>);

- амортизация (А);

- стоимость ГСМ (З>ГСМ>);

- затраты на текущий ремонт (З>ТР>);

- стоимость запасных частей (З>ЗЧ>);

- стоимость малоценных предметов (З>МЛ>);

- прочие неучтённые затраты (З>ПР>), т.е.

, руб/ч

Базовую часовую ставку (С>Б>) оплаты труда машиниста бульдозера назначаем в зависимости от мощности и производительности оборудования для принятых типоразмеров соответственно 68,2; 85,2; 102,3 руб. Определим часовую ставку оплаты труда машиниста бульдозера с учётом дополнительных выплат:

- районный коэффициент (к>Р> = 1,2);

- надбавка за выслугу лет (к>л> = 1,3);

- дополнительные выплаты за работу в ночное время и праздничные дни (к>Д> = 1,4);

- стимулирующая надбавка за выполнение плановых объёмов работ (к>П> = 1,4);

- единый социальный налог (к>с> = 1,268)

;

руб/ч.

Амортизационные отчисления рассчитаем исходя из нормативного срока окупаемости оборудования (T>ОК> = 7 лет) и годовой наработке бульдозерно-рыхлительного агрегата (Т>Н> = 4320 ч), при балансовой стоимости машин (Ц>Б>) соответственно 4,2; 9,0; 11,9 млн.р.

руб/час.

Стоимость дизельного топлива (Ц>ДТ>) при цене за 1 килограмм 29,4 руб определим из нормативного удельного расхода топлива (g>УД>)отечественными бульдозерами 3,24 грамма на 1 кВт мощности двигателя (N) в минуту. Расходы на моторное, трансмиссионное и гидравлическое масла и густые смазочные материалы принимаем в размере 20% от затрат на дизельное топливо, что учтём через коэффициент дополнительных затрат (к>ДЗ> = 1,2).

руб/ч.

Затраты на текущий ремонт для гусеничной техники в среднем составляют 20% от величины амортизационных отчислений, т.е

руб/ч.

Стоимость запасных частей в среднем составляет 30% от величины затрат на текущий ремонт оборудования, т.е

руб/ч.

Стоимость малоценных предметов принимается в размере 10% от величины затрат на текущий ремонт оборудования, т.е

руб/ч.

Величина неучтённых затрат принимается в размере 20% от суммы затрат на эксплуатацию оборудования

руб/ч.

Определим сумму затрат на рыхление мёрзлых пород бульдозером-рыхлителем ДЗ-35С

руб/ч