Майнеры

Вопросы целесообразности применения

Горные породы характеризуются плотностными, прочностными, упругими, тепловыми, магнитными, электрическими и другими свойствами. Современная горная техника, используемая для разработки горных пород, в наибольшей степени имеет дело с прочностными и плотностными свойствами. Наиболее важный показатель при выборе способа разрушения породного массива – это крепость пород. Чем выше крепость, т. е. предел прочности при сжатии, сдвиге, растяжении, тем трудней воздействовать на массив, производить отделение породной стружки, или откалывать, или дробить и т. д. Повышение крепости требует увеличения энергонасыщенности процесса разрушения, т. е. надо увеличивать усилие на рабочем органе, скорость резания и т. д.

Wirtgen 2200 SM

Отсутствие материалов, стойких к воздействию разрушаемых крепких горных пород, ограничивает область применения горных машин для разработки без предварительного рыхления массива забоев, составленных крепкими породами. Рыхление может быть произведено механическим, взрывным или химическим воздействием.

Эффективное механическое рыхление применимо для пород крепостью ниже средней. Под химическим разупрочнением понимается обработка массива специальными химическими составами, которые, вступая в реакцию с горной породой, ослабляют связи между ее частицами. Этот метод из-за определенных особенностей не относится к широко применяемым.

Взрывное рыхление остается на сегодня самым распространенным способом качественной подготовки крепких горных пород для дальнейшей выемки (экскавации). Однако взрывные работы отрицательно влияют на экологию окружающей среды, связаны с повышенной опасностью, не применимы вблизи жилых зон, административных и технологических комплексов. Взрыв отрицательно воздействует на состояние горных пород в целиках и в близлежащих массивах.

Отработанные резцы после применения на крепких известняках

В результате поиска альтернативы буровзрывному способу были созданы новые выемочно-погрузочные машины нетрадиционного конструктивного исполнения и технологического использования. Среди них выделяется относительно новый тип машин – Surface Miner (майнеры) – комбинированные машины (горные комбайны) фрезерного типа. Их разработкой и внедрением занимаются известные производители техники ThyssenKrupp Fоrdertechnik, Man Takraf, Wirtgen, Vermeer. Принципиальные схемы исполнительного органа у машин этих производителей похожи: это фрезерный, снабженный резцами барабан соответствующей конструкции. Различия заключаются в направлении вращения барабана относительно хода (подачи) комбайна, наличии или отсутствии камеры дробления, месте расположения барабана, способе подачи фрезеруемого материала на погрузочные транспортеры и, конечно, в конструкции исполнительного органа. Барабан может быть многосоставным (КСМ-2000Р ThyssenKrupp Fоrdertechnik) или цельным (сварным) (Man Takraf, Wirtgen, Vermeer).

Идея использовать холодное фрезерование для разработки горных пород давно не нова, однако и сегодня не наблюдается массового внедрения на карьерах горных широкозахватных фрез – комбайнов. При этом на добыче полезных ископаемых подземным способом, например в угольных шахтах, в состав очистных и проходческих комплексов повсеместно включают комбайны (максимальное усилие резания до 350 кН/м, т. е. показатель крепости f<3), оборудованные режущим исполнительным органом – шнеками, барабанами, буровыми коронками разной конструкции.

Фрезерный барабан Wirtgen 2500 SM

Сразу отмечу, что на карьерах и разрезах широко применяются роторные экскаваторы и целые комплексы, работающие с применением поточных технологий. Но роторные экскаваторы наиболее эффективно используются и при разработке некрепких (f

Майнеры в большей степени позиционируются как машины именно для разработки крепких пород, требующих при традиционных схемах (с использованием экскаваторов) рыхления взрывом. Казалось бы, сама возможность уйти от проблемных, дорогостоящих буровзрывных работ должна способствовать быстрому внедрению комбайнов на карьерах, но этого не происходит, хотя первые попытки внедрения майнеров делались уже в конце 1980-х годов.

Постараемся определить диапазон эффективного применения майнеров, т. е. ту область, где они будут наиболее конкурентоспособными по сравнению с другой добывающей техникой.

Wirtgen 2500 SM

Карьерные экскаваторы довольно успешно справляются с рыхлыми, мягкими и плотными грунтами с f

Сегодня наиболее динамично выступает на направлении внедрения комбайнов послойного фрезерования Wirtgen Group – компания, основной деятельностью которой является создание дорожно-строительной техники. Комбайны Wirtgen SM уже прошли апробацию на горных работах по всему миру, в том числе в России, поэтому можно смело опираться на реальный опыт их эксплуатации.

Основой для семейства горных комбайнов Wirtgen SM послужила конструкция дорожных фрез Wirtgen, предназначенных для снятия старого дорожного покрытия в процессе восстановления и ремонта автодорог. Наследственность от дорожных фрез прослеживается в высокой скорости фрезерования, относительно небольшой мощности фрезеруемого слоя, компактности и легкости металлоконструкций.

На комбайнах Wirtgen SM крутящий момент от двигателя посредством ременной передачи передается на планетарный редуктор, встроенный во фрезерный барабан. Фрезерный барабан вращается снизу вверх по ходу движения комбайна, отделяя породу и частично дробя ее в камере барабана. Из камеры отделенная порода попадает на нижний транспортер, с которого перегружается на верхний погрузочный транспортер. Угол подъема (высота погрузки) верхнего транспортера, выполненного в виде консоли, можно менять с помощью гидроцилиндров. Верхний транспортер также может поворачиваться вокруг оси крепления к комбайну. Привод конвейеров осуществляется от гидромоторов, частота вращения которых регулируется.

Ходовая часть включает четыре свободно качающиеся в вертикальной плоскости гусеничные тележки с приводом от гидромоторов с регулировкой частоты вращения. Тележки объединены рычажной системой с приводом от гидроцилиндров. Для поворота машины тележки поворачиваются вокруг своих гидростоек на требуемый угол. Благодаря такой системе комбайн отличается высокой маневренностью.

Wirtgen 2200 SM

Рассмотрим более детально процесс разрушения горной породы резцом фрезерного барабана комбайна. Усилие на рабочем острие резца при его внедрении в массив затрачивается на местное (вокруг наконечника) дробление материала, создание напряженного состояния в прилегающих частях массива и формирование уплотненного ядра перед наконечником. В результате давления, передаваемого через растущее ядро, в стороне обнажения массива происходит отделение элементов породы. С появлением трещины развитие уплотненного ядра прекращается, ядро начинает играть роль клина, который расширяет трещину и отжимает элемент породы в сторону свободной поверхности, а далее роль клина берет на себя наконечник резца (отсюда абразивный износ инструмента). Причем процесс «резания» состоит из множества таких циклов. При разрушении крепких пород «стружка» представляет собой череду отколотых от массива элементов.

Режущий инструмент практически испытывает контактную прочность разрушаемой породы, ее твердость. За меру контактной прочности принимают удельное давление под основанием штампа (диаметр штампа в 3...5 раз больше размера зерен испытуемого материала) в момент хрупкого разрушения породы, т. е. выкола элемента. Для сравнения приведем некоторые значения контактной прочности и коэффициента крепости отдельных пород (cм. таблицу).

ЭР-1250 – техника непрерывного действия для открытых горных работ

В таблице представлены горные породы, для разработки которых как раз и позиционируются горные комбайны. Как видим из приведенных данных, при использовании традиционного принципа резания пород крепостью f>6 режущий инструмент (резец) испытывает предельные нагрузки (контактная прочность более 1000 МПа), при которых его относительно долговременная и устойчивая работа становится невозможной. При таких контактных усилиях даже в процессе разработки малоабразивных пород (тот же известняк с показателем абразивности менее 5 мг) многократно усиливается абразивное воздействие на инструмент. Обычный твердосплавный резец стачивается за короткий промежуток времени, теряет заданную геометрию, затупляется или разрушается. Изготовление более стойких резцов возможно, но такие специальные резцы очень дороги в производстве, и вряд ли в ближайшие годы стоит рассчитывать на их массовое использование. Быстрый износ резцов приводит к повышению нагрузок на привод исполнительного органа, еще более увеличивая динамику колебаний, что в свою очередь усиливает неконтролируемую вибрацию металлоконструкций машины.

Натурные испытания комбайна Wirtgen 2500 SM на Кумовогорском месторождении известняка в Рязанской области (известняк f=8) показали низкую эффективность работы машины. Фактический расход резцов составил от 8 до 15 на каждую тысячу тонн добычи, в течение смены (10 ч) приходилось менять от 20 до 30 резцов (цена самого дешевого резца от 14 евро). Сильная вибрация всей машины вызывает опасения по поводу срока безотказной работы механизмов. Вибрация отрицательно влияет и на оператора комбайна: находиться в трясущейся кабине несколько часов подряд попросту невозможно. При фрезеровании наблюдается периодическое проскальзывание гусениц, машине не хватает сцепного веса. Время полной загрузки самосвала грузоподъемностью 40 т – 5...8 мин.

Обуривание блока станком ударно-вращательного бурения

В то же время у комбайнов Wirtgen 2200 SM, работающих на карьере Джегутинского месторождения известняков на Северном Кавказе (f=5), расход резцов составляет 0,7...1,5 на тысячу тонн добычи, более низкий уровень вибрации. Время полной загрузки самосвала грузоподъемностью 40 т составляет 5...6 мин, расход топлива – 0,45 л/т добычи.

Комбайны Wirtgen 2200 SM эксплуатируют на Северном Кавказе уже 2,5 года. За этот период самыми проблемными стали периодический выход из строя радиаторов системы охлаждения двигателя (замена семи радиаторов на трех машинах), повышенный расход дорогостоящих лент транспортеров, выход из строя дизельных двигателей из-за попадания пыли в системы двигателя. После двух лет работы на несущих элементах металлоконструкций машин стали появляться трещины, в том числе на корпусах топливных баков, что можно объяснить воздействием вибрации. Одним из негативных моментов кроме прочего является очень высокая стоимость оригинальных запасных частей. Годовые затраты на запасные части и комплектующие (при работе двух-трех комбайнов) соизмеримы с половиной стоимости новой машины.
Эти проблемы нельзя назвать характерными для всех майнеров, это скорее сигнал для конструкторов компании Wirtgen Group, чтобы доводить конструкцию.

Можно утверждать, что с учетом конструктивных доработок комбайнов возможна их эффективная эксплуатация на горных породах с крепостью f=2...5. Следовательно, область эффективной работы майнеров довольно узкая и включает в себя ограниченную группу горных пород – каменный уголь, слабый известняк, бокситы, слабые песчаники, отдельные виды некрепких руд и др.

Буровзрывной способ разработки крепких пород основной и на подземных, и на открытых работах

Применение майнеров на более крепких и абразивных породах становится экономически нецелесообразным. Неслучайно буровики на карьерах используют станки типа СБР-160 или СВБ-2М с резцовой коронкой на породах с показателем крепости f

Ожидать от машины, оснащенной резцовым исполнительным органом, продуктивной работы на породах крепостью более 50 МПа на сжатие просто нельзя. Необходимо использовать иной принцип разрушения горных пород, основанный не на классическом резании, а на создании максимальных напряжений сдвига или растяжения в разрабатываемом слое без скольжения инструмента в породе.