§2. Энергетический метод расчёта комплексной механизации технологических потоков

При формировании комплексной механизации технологических потоков в конкретных условиях возможны многочисленные сочетания бурозарядного, выемочно-погрузочного, транспортного оборудования, оборудования для отвалообразования пустых пород и некондиционных руд и оборудования для переработки полезного ископаемого.

Лучшим вариантом комплексной механизации будет тот, который полностью соответствует природным условиям, требованиям эффективной и безопасной технологии горных работ, обеспечивающей необходимую производительность.

При выборе средств комплексной механизации технологических потоков в конкретных условиях при реконструкции карьера или при проектировании нового - используется энергетический метод. Он позволяет количественно учесть природные условия (топографию, климат, свойства горных пород и массива, гидрогеологические условия), схемы вскрытия и системы разработки, рабочие параметры горного и транспортного оборудования, особенности технологических процессов для выбора эффективного в конкретных условиях комплекта оборудования технологического потока.

Сущность энергетического метода заключается в том, что для производства горных работ комплектом оборудования при определенной технологии, схеме вскрытия и системе разработки необходимо затратить энергию на дробление массива для получения требуемого состава горной массы по крупности, выемку и погрузку породы, перемещение и укладку её в отвал. При этом энергия расходуется на преодоление сопротивления в рабочих органах машин и совершение полезной работы по переводу объекта приложения энергии (горной породы) из одного состояния в другое.

Расход энергии зависит от технологии процесса и обусловливается свойствами горной породы, её состоянием, степенью изменения качества и состояния в процессе взаимодействия на горную породу. Так, разрушение массива, разрыхление горной массы, подъём для погрузки, перемещение и т. д. есть изменение её качества (массив - раздробленная порода) и состояния (подъем с одного уровня на другой). Некоторые свойства не являются постоянными, а изменяются под воздействием окружающей среды, например, связность горной массы. Сопротивление внедрению ковша увеличивается в результате слеживания горной массы, смерзаемости. Часть свойств является результатом принятой технологии или качества выполнения работ в предыдущих процессах технологического потока, например, состав горной массы по крупности, степень разрыхления и т. д.

Часть энергии, затрачиваемая для производства горных работ и идущая на изменение состояния, поглощаемая как бы горной породой в процессе производства, называется технологическим энергопоглощением.

Эта часть энергии представляет собой расход энергии на преодоление сопротивления породы в технологических процессах в отличие от фактического расхода энергии, которая учитывает коэффициент полезного действия машин. Энергопоглощение можно рассчитывать, и поэтому оно положено в основу выбора и обоснования комплексной механизации технологических потоков.

Метод предусматривает составление возможных вариантов комплектов оборудования для рассматриваемого технологического потока в конкретных условиях в виде альтернативного графа, и затем расчет технологического энергопоглощения по процессам и суммарного в каждом варианте на единицу массы разрабатываемых горных пород (Дж/кг). Вариант с меньшим удельным энергопоглощением указывает, что комплексная механизация наиболее полно соответствует горнотехническим условиям технологического потока, а следовательно, будет обеспечиваться большая эффективность разработки горных пород. Для удобства изображения вариантов технологических потоков (рис. 41) и его комплексной механизации рекомендуется использовать условные обозначения, представленные на рис. 3.

Рисунок 41. Схемы вскрышных и добычных технологических потоков при разработке горизонтального (а) и пологого (б) месторождений.

Исследование вариантов комплексной механизации для всех технологических потоков позволяет обосновать наиболее эффективную комплексную механизацию горных работ на карьере.

Общее выражение удельного энергопоглощения в технологическом потоке представляет собой сумму энергопоглощений (Дж/кг) по технологическим процессам: подготовке горных пород к выемке (при взрывной подготовке; на бурение и взрывное дробление , при механическом рыхлении ), выемке-погрузке перемещению , и отвалообразованию для пород вскрыши :

Удельное энергопоглощение по процессам.

При подготовке горных пород к выемке взрывным способом: энергопоглощение при бурении

энергопоглощение на взрывное дробление

При подготовке горных пород к выемке механическим способом

При выемке-погрузке одноковшовым экскаватором

При выемке-погрузке многоковшовым или роторным экскаватором

При перемещении транспортным средством

При рассмотрении комбинированных комплектов оборудования с передвижными дробилками в забое или комплектов оборудования с различными видами транспорта и промежуточным дроблением в полустационарных дробилках необходимо учитывать энергопоглощение на механическое дробление в дробилке

При отвалообразовании абзетцером

При отвалообразовании экскаватором удельное энергопоглощение рассчитывается по .

При отвалообразовании бульдозерами и плугом

При механическом рыхлении массива перед погрузкой возможно штабелирование горной массы, тогда в этом процессе удельное энергопоглощение будет аналогично удельному энергопоглощению при бульдозерном отвалообразовании, но с учетом подъёма горной массы на высоту штабеля:

В эти формулы входят следующие параметры и зависимости:

, - предел прочности горной породы при одноосном сжатии и растяжении. Па;

- степень измельчения породы при бурении, ( );

- диаметр скважины, мм ( );

- средний диаметр куска горной массы, регламентруемой по каким-либо условиям или обеспечивающий оптимальные затраты на подготовку, выемку, транспортирование и отвалообразование в технологическом потоке, мм.

Для комплектов оборудования с механическими лопатами

- ширина ковша выемочно-погрузочной машины, м;

- диаметр частиц продуктов разрушения при бурении;

- динамический модуль упругости, Па;

- плотность породы, т/м³;

- глубина скважины, ( );

- высота уступа, м;

- глубина перебура, м, ( );

- удельный расход взрывчатого вещества, кг/м³;

- линия сопротивления по подошве, м; при вертикальном бурении ;

- угол откоса уступа, градус;

- расстояние до первого ряда скважин от верхней бровки уступа;

- часть энергопоглощения при бурении, приходящаяся на единичный объем взрываемого блока:

- объем бурения, м³;

- объем взрываемого блока, м³, ( );

- число скважин взрываемого блока, ( );

- расстояние между скважинами, м, ( );

- расстояние между рядами скважин, ( );

- площадь взрывной скважины, м², ( );

- ширина заходки, м;

- длина взрываемого блока, м, ( );

- производительность экскаватора, м³/сут;

- предел прочности породы на растяжение в режиме динамического нагружения, Па ( );

- коэффициент динамичности;

- степень дробления горных пород при взрывном рыхлении, ( );

- средний размер отдельностей в массиве, мм;

Рисунок 42. Схема к расчёту параметров развала.

- степень разрыхления горной породы, ( );

- коэффициент разрыхления горной массы в развале;

- расстояние, на которое перемещается центр тяжести развала

при взрывной подготовке горных пород (рис. 42)

- высота развала горной массы в забое, м;

- сопротивление перемещению ковша, Н ( );

- удельное сопротивление породы копанию, Н/м²;

- толщина стружки, м, ( );

- длина пути, на котором происходит заполнение ковша, м ( );

- высота черпания экскаватора, м;

- масса горной породы в ковше за цикл погрузки, кг ( );

- вместимость ковша экскаватора, м³;

- коэффициент разрыхления горной массы в ковше;

- скорость перемещения горной массы к месту разгрузки, м/с;

- ускорение свободного падения, м/с²;

- высота разгрузки горной породы от уровня стояния выемочно-погрузочной машины, м;

- средняя скорость перемещения горной массы в технологическом потоке, м/с;

- основное сопротивление движению транспорта, Н/т;

- расстояние перемещения горной массы средствами транспорта в технологическом потоке, м;

- высота подъёма горной массы в технологическом потоке (разность отметок пункта погрузки и пункта разгрузки горной массы), м;

- динамический коэффициент трения породы о породу на отвале;

- уклон поверхности отвала, в тысячных;

- динамический коэффициент трения породы о металл ( );

- степень дробления горных пород в дробилке ( );

- расстояние перемещения породы на отвале, м;

- диаметр куска продукта в дробилке, м;

- высота штабеля, м.

В развернутом виде эти зависимости для конкретного вскрышного технологического потока применительно к определяющей его производительность выемочно-погрузочной машине выглядят следующим образом:

удельное энергопоглощение при бурении

, (Дж/кг).

удельное энергопоглощение при взрывном дроблении массива

, (Дж/кг).

удельное энергопоглощение при экскавации

, (Дж/кг).

удельное энергопоглощение при транспортировании

, (Дж/кг).

удельное энергопоглощение при отвалообразовании бульдозером

, (Дж/кг).

В конкретных условиях возникает необходимость оценки комплексной механизации технологических потоков по другим критериям, например, по трудоемкости обслуживания, удельной металлоемкости оборудования. При ограничении по электроснабжению района месторождения конкурирующие варианты комплексной механизации после оценки энергетическим методом могут сравниваться по установленной мощности электродвигателей во всем комплекте машин технологического потока. В рудных технологических потоках необходимо сравнение комплексной механизации по обеспечению минимальных потерь, разубоживания, возможности усреднения руды по качеству в забое, на складе или в транспортном потоке.

Сравнивание вариантов комплексной механизации технологических потоков в целом по этим критериям позволяет выбрать и обосновать наиболее эффективную ресурсосберегающую технологию горных работ.

Окончательное решение о выборе комплексной механизации технологического потока и карьера в целом принимается на основании экономической оценки конкурирующих вариантов по затратам на добычу полезного ископаемого.