Применение одноковшовых экскаваторов на карьерах строительных горных пород

В практике открытых горных работ используются самые различные виды выемочно-погрузочного оборудования с широким диапазоном технологических и эксплуатационных качеств (рис. 3.17).

Основной объем выемочно-погрузочных работ на карьерах строительных горных пород выполняется одноковшовыми экскаваторами цикличного действия.

Отечественная промышленность выпускает шесть типов одноковшовых экскаваторов: строительные, карьерно-строительные, карьерные, гидравлические, вскрышные, шагающие.

Наибольшим разнообразием отличаются строительные экскаваторы с вместимостью ковша от 0,15 до 4 м. Их оснащают дизельным, дизель-электрическим, электрическим приводом, сменным рабочим оборудованием прямой и обратной мехлопат, драглайна, крана, грейфера. Ходовое устройство гусеничное или пневмоколесное. Они предназначены в основном для производства земляных работ при сооружении различных объектов и вспомогательных работ в карьерах. В качестве основного выемочно-погрузочного оборудования их применяют на карьерах по добыче строительных горных пород с производственной мощностью 0,5—2 млн м3/год. Строительные экскаваторы имеют индекс ЭО (экскаватор строительный одноковшовый).

Карьерно-строительные гусеничные экскаваторы (ЭКСГ) выпускаются с вместимостью ковша 1,25—8 м3. Карьерные экскаваторы (ЭКГ) выпускают только с электрическим многодвигательным приводом на гусеничном ходу и оснащают рабочим оборудованием прямой мехлопаты. Их типоразмерный ряд представлен базовыми моделями с вместимостью ковшей от 2 до 20 м3. Их индекс, например, ЭКГ-8И, означает: экскаватор карьерный на гусеничном ходу с вместимостью ковша 8 м3. Ижорского завода. Ряд моделей имеет удлиненное оборудование для верхней погрузки (ЭКГ-4у, ЭКГ-6,3у).

У гидравлических экскаваторов (ЭГ) все виды рабочих органов шарнирно связаны с полноповоротной или частично поворотной платформой и перемещаются с помощью гидроцилиндров. Отечественный параметрический ряд карьерных гидравлических экскаваторов включает базовые модели с вместимостью ковшей от 8 до 50 м3. Их ходовое устройство — гусеничное, основное рабочее оборудование — прямая мехлопата, привод — электрический многодвигательный. Группа цифр, расположенная за буквенным индексом, указывает на вместимость ковша в кубометрах (индекс ЭГ-12 означает: экскаватор гидравлический с вместимостью ковша 12 м3). Наряду с карьерными выпускается несколько моделей универсальных строительных гидравлических экскаваторов с вместимостью ковша до 4 м3 и сменным рабочим оборудованием: обратная мехлопата (реже прямая), грейфер, кран, гидромолот, зуб-рыхлитель и др. Ковш гидравлического экскаватора имеет три степени свободы, поэтому обладает разнообразной траекторией движения, обеспечивающей более эффективное использование мощности для внедрения и наполнения ковша, а также извлечения из забоев негабаритов. Большой интерес к гидравлическим экскаваторам обусловлен их главным технологическим преимуществом перед канатными — значительным увеличением усилий на рабочем органе без нарастания массы машины (экскаватор ЭГ-12 имеет массу 260—280 т при напорном усилии 1100 кН, а ЭКГ-12,5 — соответственно 684,5 т и 588 кН).

Вскрышные гусеничные экскаваторы (ЭВГ) оснащены прямой мехлопатой и многодвигательным электроприводом. Они снабжены удлиненными стрелой и рукоятью и предназначены в основном для перемещения породы в отвал. Ввиду большой массы экскаваторов их ходовое устройство многогусеничное с четырьмя спаренными гусеничными тележками. Вскрышные экскаваторы с вместимостью ковша до 15 м3 маркируют подобно карьерным (ЭВГ-6, ЭВГ -15), а в индексе более мощных машин присутствуют две группы цифр — ЭВГ-35/65 (числитель означает вместимость ковша в м3, знаменатель — длину стрелы в м).

Шагающие экскаваторы (ЭШ) имеют рабочее оборудование драглайна. Ряд отечественных машин включает модели с ковшами вместимостью от 5 до 100 м3. Драглайны оснащены удлиненными стрелами и предназначены главным образом для непосредственной перевалки вскрышных пород в выработанное пространство карьера. Их маркировка схожа с маркировкой вскрышных экскаваторов — ЭШ-10/70 (числитель — вместимость ковша в м3, знаменатель — длина стрелы в м).

Основные технологические параметры механических лопат: вместимость ковша, рабочие параметры (радиус и высота черпания и разгрузки, которые зависят от длины рукояти и стрелы, угла наклона последней, а также от положения мест черпания и разгрузки), габариты, преодолеваемый уклон, масса, удельное давление на фунт.

Карьерные механические лопаты с электрическим многодвигательным приводом, на гусеничном ходу применяются для выемки мягких и разрушенных пород любой кусковатости. Они используются (вместимость ковша 2—25 м3, высота уступов 6—20 м) на карьерах любой производственной мощности с применением наиболее распространенной нижней погрузки.

Выемка пород мехлопатами ведется торцевым (боковым), продольным (фронтальным) или тупиковым забоями (рис. 3.18).

Для верхней погрузки предпочтительны экскаваторы с удлиненным рабочим оборудованием. При равном объеме ковша техническая производительность экскаватора с удлиненным оборудованием на 20 — 40 % ниже, чем обычных лопат. Верхняя погрузка эффективна в тех случаях, когда в результате улучшения транспортного обслуживания повышается эксплуатационная производительность экскаваторов, сокращаются затраты на фанспортирование пород, улучшаются показатели горных работ карьера.

Ширина заходки экскаватора определяется (в м) по выражению:

где Rч.у. — радиус черпания на уровне стояния, м.

При автомобильном транспорте часто применяют узкие заходки шириной (0,7-1) Rч.у. и двухстороннюю погрузку автосамосвалов. Число заходок по развалу взорванной горной породы зависит от его ширины, которая в зависимости от физико-механических свойств пород и методов взрывания изменяется от 1,3 до 5 высоты уступа.

Высота разрабатываемого уступа в мягких породах по условию обеспечения безопасности не должна превышать максимальной высоты Hчmax черпания экскаватора, т.е. hy < Hч max. Высота разрабатываемого уступа в скальных и полускальных породах не должна превышать максимальной высоты черпания экскаватора Hч max более чем в 1,5 раза.

При разработке неоднородных по прочности пород, представленных пластами различной мощности, прямые мехлопаты используются для раздельной выемки и забойной сортировки различных пород. В случае горизонтального напластования пород может быть использована раздельная выемка несколькими заходками по высоте развала (см. рис. 3.19, а). Ввиду малой мощности пластов уступ взрывается на полную высоту, и экскаватор последовательно слоями сверху вниз отрабатывает заходку с верхней погрузкой. При разработке залежей, представленных крутыми и наклонными пластами, возможна раздельная выемка заходками переменной ширины (см. рис. 3.19, б). Для забойной экскаваторной сортировки пород характерна выборочная выемка в плане (см. рис. 3.19, в). Техническая характеристика прямых и обратных механических лопат приведена в табл. 3.16 и табл. 3.17.

Структура индексов одноковшовых универсальных экскаваторов приведена на рис. 3.20.

Теоретическая (паспортная) производительность экскаваторов зависит только от конструктивных факторов: линейных размеров рабочего оборудования, кинематической схемы и расчетно-конструктивных скоростей движения ковша, вместимости ковша, мощности двигателей и др. Она определяется (в м3/ч) согласно выражению:

где n — конструктивно-расчетное число циклов в минуту (или число ковшей, разгружающихся в минуту); E — вместимость ковша, м3; tц — теоретическая продолжительность рабочего цикла, с.

Теоретическая продолжительность цикла определяется, исходя из конструктивных данных мехлопаты, при высоте забоя, равной высоте напорного вала, угле поворота 90° и разгрузке породы в отвал. Ее величина указывается в паспорте экскаватора.

Техническая производительность экскаваторов относится к часу непрерывной работы и устанавливается по теоретической производительности (в м3/ч) с учетом коэффициентов, характеризующих конкретные условия работ:

где tцд — расчетная (действительная) продолжительность цикла в конкретных данных условиях, с, Кн — коэффициент наполнения ковша; Kp — коэффициент разрыхления породы в ковше; Кэ = Кн/Кр — коэффициент экскавации, характеризующий совокупное влияние физико-механических свойств пород на производительность экскаватора.

Значения коэффициентов Кн и Kр приведены в табл. 3.18.

Эксплуатационная сменная производительность экскаватора Qсм характеризует объем работы, который выполняет или может выполнить мехлопата с учетом действительных затрат времени на технические, технологические и организационные работы и перерывы, и определяется по выражению, м3/смену:

где Тсм — продолжительность смены, ч; n — коэффициент использования экскаватора во времени в течение смены.

Для конкретных практических расчетов производительность экскаваторов необходимо брать из «Единых норм выработки на открытые горные работы для предприятий горнодобывающей промышленности. Экскавация и транспорт».

У драглайнов так же, как и у механических лопат, различают следующие рабочие параметры и габаритные размеры; радиусы черпания и разгрузки, которые определяются длиной стрелы, углом ее наклона и величиной заброса ковша; отклонение подъемного троса от вертикали при забросе ковша составляет 15—20°; глубина черпания, которая зависит от длины стрелы, угла ее наклона, расположения драглайна в забое, физико-механических свойств породы, длины тросов и квалификации машиниста, высота разгрузки, определяемая длиной стрелы и углом ее наклона, радиус вращения задней части кузова; высотный размер кузова.

Техническая характеристика драглайнов приведена в табл 3.19.

Обычный наклон стрелы драглайна составляет 25—45°. Угол наклона стрелы уменьшают для увеличения глубины и радиуса черпания драглайна. При нижнем черпании высота отрабатываемого уступа определяется возможной (паспортной) глубиной черпания, углом откоса забоя и условиями разгрузки ковша.

Положение промежуточного горизонта и высота верхнего подуступа для драглайна определяется конструктивными особенностями экскаватора. Исходя из высоты разгрузки ковша, максимальная высота верхнего подуступа должна быть не более Hв<0,8Hpmax, где Нрmax — максимальная высота разгрузки драглайна, м.

Максимальная ширина заходки драглайна Amax определяется способом его работы и радиусом черпания (в м). Ее принимают с таким расчетом, чтобы углы разворота экскаватора в каждую сторону от его оси w1 и w2 не превышали 45° с целью сокращения продолжительности цикла, т.е.

Производительность драглайнов рассчитывается по тем же формулам, что и для мехлопат (формулы 3.72—3.74). Однако ввиду различного принципа выполнения отдельных операций (черпание, разгрузка) составляющие в указанных формулах будут иметь другое значение.

Средняя величина коэффициента наполнения ковша драглайна для различных пород составляет:

• влажные пески, суглинки — 1,05—0,9;

• песчано-глинистый грунт с галькой — 0,9—0,7;

• глинистые и суглинистые породы средней плотности — 0,9—0,6;

• плотные глинистые породы — 0,7—0,4;

• песчано-глинистые породы с галькой и валунами — 0,7—0,4.

Длительность цикла драглайна на 20—50 % больше, чем у механической лопаты с ковшом той же вместимости. Это обстоятельство влечет за собой меньшее число циклов в единицу времени и меньшую производительность драглайна, которая в практических условиях на 20—25 % ниже производительности механической лопаты.

Драглайны составляют около 20 % парка одноковшовых экскаваторов, и с их применением выполняется около 20 % объемов горных и земляных работ.