Зарубежный опыт разработки угольных месторождений открытым способом

Несмотря на интенсивный рост объемов добычи и потребления нефти и газа, объемы добычи угля — одного из основных энергоносителей, неуклонно возрастают. При этом во всех угледобывающих странах (кроме Китая) объем подземной добычи угля снижается, а открытые разработки получают дальнейшее интенсивное развитие, обеспечивая общий рост угледобычи. Если в первой половине 80-х годов объем открытой добычи угля в мире составлял 1,5 млрд т (около 42%), то к 2000 году по прогнозным данным объем открытой угледобычи превысит 3 млрд.т, а удельный вес открытого способа достигнет 65%.

Практически во всех основных угледобывающих странах мира (США, Германия, Чехия, Польша, Австралия, Индия, Канада) намечается рост объемов открытой добычи угля. При этом происходит дальнейшая концентрация производства за счет строительства новых крупных предприятий и реконструкции действующих с увеличением их мощности на базе совершенствования конструкций имеющихся типов горного и транспортного оборудования, разработка и внедрение более эффективных технологических схем и новых типов оборудования, внедрение новых разработок в области охраны природы.

Открытым способом в ближайшей перспективе, как и в настоящее время, будут разрабатываться преимущественно буроугольные месторождения. Это относится как к странам Восточной Европы, так и к капиталистическим и развивающимся странам. Каменный уголь открытым способом будет добываться в Великобритании и ЮАР, где отсутствуют буроугольные месторождения.

Природно-климатические условия месторождений в странах Восточной Европы способствуют применению при их разработке экскаваторов непрерывного действия, хотя некоторая доля горных работ в Болгарии, Венгрии и Чехии выполняется одноковшовыми экскаваторами. Преобладающий вид транспорта в этих странах (кроме Чехии и Болгарии) — конвейерный. Мощность наиболее крупных разрезов в перспективе будет достигать: в Польше — 40 млн.т угля в год, Болгарии — 28, в Чехии — 17, в Венгрии и Румынии — 8-10 млн.т/год.

Из восьми капиталистических стран Европы, где добывается уголь открытым способом (Австрия, Великобритания, Греция, Испания, Италия, Германия, Франция и Турция) только в Великобритании открытым способом добывается каменный уголь, в остальных — бурый.

Буроугольные месторождения в основном представлены горизонтальным залеганием пластов, покрытых толщей мягких пород. Это предопределило преимущественное применение экскаваторов непрерывного действия без предварительного рыхления горных пород. В Великобритании как уголь, так и покрывающие породы при разработке подвергаются предварительному взрыванию; погрузка их осуществляется одноковшовыми экскаваторами.

Наибольший объем добычи из рассматриваемых европейских стран достигнут в Германии, где разрабатываются буроугольные пласты мощностью в основном от 10 до 60 м. Залегание пластов близко к горизонтальному. Мощность вскрыши в Рейнском бассейне достигает 100-120 м. Коэффициент вскрыши 2,7-3 м3/т. Мощность разрезов непрерывно возрастает. Проектная годовая мощность наиболее крупных из них («Гарцвейлер» и «Хамбах») составляет 50 млн т каждого. Предпочтение отдается крупным роторным экскаваторам, работающим в комплексе с конвейерным транспортом и консольными отвалообразователями.

В Австралии на каменноугольных разрезах на вскрышных работах применяется бестранспортная технология с использованием мощных драглайнов с доставкой угля автотранспортом, на буроугольных — транспортная технология с применением роторных экскаваторов и средств конвейерного и железнодорожного транспорта.

В Индии добыча угля открытым способом развивается быстрыми темпами. К 2000 году при общей добыче 328 млн.т открытым способом предполагается добывать 65%. При этом предполагается строительство крупных разрезов с годовой добычей 10-14 млн т. На разрезах в основном применяются одноковшовые экскаваторы в комплексе с автосамосвалами. В благоприятных условиях предусмотрено применение роторных экскаваторов в комплексе с конвейерным транспортом.

В Канаде, где 90% угля добывается открытым способом, широко применяется бестранспортная технология с использованием драглайнов, частично используются механические лопаты в комплексе с автотранспортом. Предусматривается использование компактных роторных экскаваторов производительностью 300-1500 м3/ч (в массиве).

В Великобритании разработку угля открытым способом ведут примерно на 60 участках угольных разрезов. Разработку угля осуществляют подрядные фирмы. Примерно на 20 отработанных разрезах ведут работы по восстановлению поверхности. Запасы участков открытых работ колеблются от 36 тыс.т (со сроком отработки один год) до 12 млн.т (срок отработки 10-11 лет). Глубина разрезов от 8 до 220 м при среднем значении 36 м. На разрезах обычно разрабатывается от 3-4 до 20 пластов. Некоторые пласты имеют мощность всего 10-15 см. Эксплуатационные потери небольшие, всего 5-12%, чему способствует применение гидравлических экскаваторов типа прямой и обратной лопаты. Для производства вскрышных работ по бестранспортной технологии на разрезах используют шагающие драглайны.

США по объему добычи угля открытым способом занимают первое место в мире (1986 г. было добыто 485,9 млн т). Открытым способом здесь разрабатываются месторождения каменного и бурого угля.

Каменноугольные месторождения представлены 1-5 рабочими пластами, мощность каждого из которых обычно не превышает 2 м. Углы падения пластов до 2-3°. Мощность покрывающих пород редко превышает 40 м. Разработка пород и угля осуществляется с предварительным буровзрывным или механическим рыхлением.

Буроугольные месторождения представлены пластами мощностью от 2-3 до 15-17 м. Мощность покрывающих пород достигает 50-60 м.

Приведенные условия угольных месторождений США благоприятствуют применению бестранспортной технологии, на долю которой приходится примерно 90% общего объема разрабатываемой вскрыши. Отработка угольных пластов, залегающих в холмистой местности, осуществляется с конфигурацией уступов, соответствующей рельефу поверхности. На некоторых разрезах для снятия верхней части вскрыши используются роторные экскаваторы, а для ее перемещения в выработанное пространство — консольные отвалообразователи.

Транспортирование угля осуществляется автотранспортом. На некоторых вновь разрабатываемых буроугольных месторождениях для удаления вскрыши предполагается использовать роторные экскаваторы в комплексе с конвейерным транспортом.

В 1984 г. в США действовало 2792 угольных разреза со средней годовой мощностью по углю 170 тыс.т. В США имеются и более мощные разрезы: 18 разрезов имеют годовую мощность более 5 млн.т, девять — более 10 млн т. Наиболее крупный разрез «Блэк Тандер» в 1985 г. достиг добычи угля 19,5 млн т. В 1985 г. 46 наиболее крупных разрезов обеспечили 48 % общей добычи угля.

Основными факторами, определяющими выбор типа оборудования на зарубежных разрезах, являются горно-геологические условия месторождений.

На месторождениях с горизонтальным (или близким к нему) падением пластов предпочтение отдается бестранспортным или транспортно-отвальным технологиям. На разрезах с полускальными породами выемка вскрыши производится одноковшовыми экскаваторами с погрузкой в колесные виды транспорта с последующим дроблением и погрузкой пород на конвейеры.

На выбор модели высокопроизводительного оборудования решающее влияние оказывает экономический фактор. Максимальное упрощение всего технологического процесса и повышение эффективности работы достигается при использовании в каждом звене одной высокопроизводительной машины.

При выборе технологической схемы ведения горных работ основное внимание уделяется сокращению расстояния транспортирования. Выбор добычного оборудования производится с учетом необходимости селективной выемки и транспортирования разносортного угля. Срок службы разреза также влияет на выбор оборудования: мощное оборудование эксплуатируется на разрезах с большими запасами; на разрезах с небольшим сроком эксплуатации применение тяжелого мощного оборудования нерентабельно.

Ниже приводятся некоторые сведения по механизации и технологии выполнения основных технологических процессов.

Буровое оборудование. В зависимости от крепости буримых пород на зарубежных разрезах применяют в основном два вида бурения — бурение резанием и шарошечное бурение.

Бурение резанием осуществляется при помощи станков с долотами режущего типа, армированных, как правило, резцами из твердых сплавов, со шнековой эвакуацией из скважин продуктов разрушения. Такие станки нередко называют шнековыми; они применяются в слабых, малоабразивных породах с временным сопротивлением сжатию до (400-500) 10в5 Па. При этом диаметр взрывной скважины, как правило, не превышает 171 мм.

Шарошечный способ бурения с очисткой скважин от буровой мелочи сжатым воздухом на зарубежных карьерах продолжает оставаться основным способом бурения вертикальных и наклонных скважин диаметром 140-440 мм в породах различной крепости и абразивности.

Крупные угледобывающие компании Автралии, Канады и США в последнее время предпочитают использовать буровые станки среднего и тяжелого типа на гусеничном ходу с электроприводом, оснащенные системой сухого пылеулавливания. Как показала практика последних лет, с увеличением диаметра шарошечного долота возрастает и скорость бурения. Так, поданным фирмы «Бьюсайрус-Эри», при увеличении диаметра бурения со 187 до 381 мм скорость бурения возрастает более чем в 2 раза, а стойкость долот — в 1,7 раза.

На разрезах со сравнительно небольшими объемами вскрышных работ широко применяются легкие вращательные буровые станки, как правило, универсальные, позволяющие производить бурение как шарошечным, так и режущим буровым инструментом, а иногда при помощи погружных пневмоударников. Эти станки, смонтированные на автомобильном или гусеничном ходу, обычно предназначаются для бурения скважин диаметром 117,5-215,9 мм.

Современные станки шарошечного бурения характеризуются высокой степенью механизации и автоматизации спуско-подъемных операций и в ряде случаев снабжаются автоматизированными системами контроля или программными системами управления процессом бурения.

Рассматривая основные направления развития шарошечных буровых станков за рубежом, можно отметить следующее:

• четко прослеживается тенденция к созданию мощных станков для бурения скважин диаметром до 445 мм; рабочая масса последних моделей станков тяжелого типа превышает 120 т; несмотря на высокую стоимость тяжелых буровых станков область их применения расширяется;

• бурение на силовых режимах с удельным нажатием на долоте 1000-1500 кг на 1 см диаметра при относительно невысоких скоростях вращения (100-140 об/мин);

• применение вращательно-подающих механизмов, обеспечивающих непрерывную подачу на всю длину штанги;

• плавное регулирование величины осевого нажатия и скорости вращения бурового инструмента;

• возможность бурения наклонных скважин под углом 20-30° к вертикали;

• оснащение станков тяжелого, а иногда и среднего типов автоматической системой управления процессом бурения;

• широкое применение гидропривода в системах хода, подачи и вращения.

Станки для бурения резанием нашли применение главным образом на небольших разрезах США. Как правило, это станки легкого типа, предназначенные для бурения скважин диаметром до 200 мм, отличающиеся простотой конструкции и высокой мобильностью. Область их применения ограничивается крепостью пород.

Управление станками осуществляется одним человеком, который одновременно наблюдает за бурением, соединяет и разъединяет буровые секции.

Взрывчатые вещества. Технология взрывных работ. Возрастающие объемы добычи угля открытым способом оказывают непосредственное влияние на методы совершенствования взрывных работ, от которых зависит качество подготовки горного массива к экскавации и транспортированию.

В последние годы четко определилась тенденция к расширению области применения аммиачно-селитренных BB с добавлением дизельного топлива (АС+ДТ), водонасыщенных шламообразных BB, к взрыванию зарядов BB в наклонных скважинах. В ближайшие годы при дроблении крепких пород будут использоваться смеси АС+ДТ с добавками дисперсного алюминия.

Смесь АС+ДТ отличается рядом эксплуатационных преимуществ, главными из которых являются низкая стоимость и относительная безопасность применения. Недостатком смесей АС+ДТ является низкая водостойкость аммониевой соли, что делает практически невозможным применение этого BB для дробления обводненных пород.

В 70-х годах в США и Канаде были разработаны водосодержащие взрывчатые вещества (BBB), в которых межгранульное пространство твердых компонентов заполняется раствором аммиачной селитры. Водостойкость этих BB достигается введением в состав смеси желатинизирующих добавок. В отличие от смеси АС+ДТ при изготовлении водосодержащего BB возможно регулирование объемной концентрации энергии путем изменения плотности раствора AC и введения металлизированных добавок (например, дисперсного алюминия).

Водонасыщенные шламообразные BB обладают значительными преимуществами по сравнению с обычными BB как в отношении безопасности, так и с точки зрения разнообразия способов применения. Использование таких BB обеспечивает безопасность работ и водоустойчивость заряда ВВ. Последнее достигается благодаря тому, что к водному раствору AC добавляются твердые компоненты (BB или мелкоизмельченные металлические порошки). Присутствие воды в шламообразных BB делает их инертными, невосприимчивыми к случайному воспламенению. Отсутствие нитроглицерина в этих BB обеспечивает безопасность как при транспортировании, так и при хранении. Благодаря достаточной водостойкости водосодержащие BB стали широко использоваться в виде эластичных, жестких патронов или жидкой смеси, перекачиваемой насосами; эти BB пригодны как для механизированного, так и для ручного заряжания.

На крупных карьерах самым эффективным способом приготовления смесей и изменения состава АС+ДТ+А1 останется способ с использованием смесительно-зарядных машин. В настоящее время имеются машины грузоподъемностью 15 т, при помощи которых можно готовить составы с содержанием алюминия в пределах 0-15% и заряжать скважины со скоростью до 450 кг/мин.

В последующее десятилетие BB типа АС+ДТ сохранят, очевидно, доминирующее положение.

В целях дальнейшего снижения стоимости BB ведется поиск новых дешевых горючих добавок. В последние годы дизельное топливо стали заменять отработанным дизельным маслом, угольной пылью.

В ряде случаев оказывается целесообразным отказ от использования смеси (АС+ДТ) высокой плотности и переход к более дорогостоящим водонасыщенным шламообразным BB для обводненных скважин при расширенной сетке их расположения, особенно при бурении по крепким породам и завышенной величине линии сопротивления по подошве.

В зарубежной практике имеет место в ряде случаев использование энергии BB не только для отделения горных пород от массива и их дробления, но и для направленного сброса пород в выработанное пространство. Это способствует в соответствующих условиях не только снижению эксплуатационных затрат, но и повышению интенсивности разработки месторождений.

Техника и технология добычных и вскрышных работ. На открытых разработках СШВ, Канады, Австралии, Великобритании и ЮАР значительное распространение получила технология с экскаваторной перевалкой вскрышных пород во внутренние отвалы. Этому способствовали условия залегания угольных пластов и успехи мирового экскаваторостроения. За последние 10-15 лет были созданы мощные модели вскрышных экскаваторов — механических лопат и драглайнов. За последнее десятилетие в эксплуатацию вводилось ежегодно в среднем 29 шагающих драглайнов со средней вместимостью ковша 41 м3. Диапазон изменения параметров вскрышных экскаваторов позволяет создавать наиболее выгодные схемы бестранспортной технологии для отработки вскрыши мощностью до 50 м.

Применяемые в США схемы бестранспортной технологии характеризуются большим разнообразием как вариантов размещения оборудования, так и моделей применяемых экскаваторов, соответствующих конкретным условиям разработки. Вскрышные работы ведутся с применением одного, реже двух мощных экскаваторов, а добыча с использованием карьерных механических лопат или фронтальных погрузчиков. Tранспортирование угля осуществляется исключительно средствами автомобильного транспорта.

Основными направлениями в конструировании мощных машин являются использование высокопрочных сталей, допускающих повышение нагрузки и снижающих общую массу машин.

В последнее десятилетие мировая практика экскаваторостроения характеризуется созданием новых типов выемочно-погрузочных машин цикличного действия с гидроприводом и большегрузных одноковшовых погрузчиков на пневмоколесном ходу.

Погрузчики оснащены рабочим оборудованием с гидроприводом и мощными дизельными двигателями. От традиционных экскаваторов типа механической лопаты они отличаются высокой скоростью перемещения, маневренностью, низкой металлоемкостью и небольшими эксплуатационными затратами при погрузке рыхлых пород.

Наиболее мощные погрузчики оснащены ковшами вместимостью до 25 м3, имеют привод мощностью до 300 л.с. и рабочую массу 80-90 т.

Область применения этих машин ограничена легкими породами, так как сравнительно небольшое усилие напора и низкая собственная масса машин не позволяют использовать их для разработки слаборазрыхленных взорванных скальных пород, содержащих крупные фракции.

Достоинствами механических лопат и погрузчиков обладают карьерные гидравлические экскаваторы. Они сохраняют все технологические преимущества погрузчиков, но в отличие от последних являются универсальными машинами для открытых горных разработок и могут применяться в различных горно-геологических условиях. Широкое производство и использование экскаваторов с гидроприводом в условиях карьеров обусловлены рядом их преимуществ перед механическими лопатами и погрузчиками. К ним относятся:

• компактность конструкции и небольшая масса;

• возможность применения различного рабочего оборудования;

• простота передачи движения от источника энергии к исполнительным механизмам;

• несложное преобразование вращательного движения в поступательное;

• бесступенчатое регулирование скоростей движения механизмов и др.

Кинематические особенности конструктивных схем экскаваторов с гидроприводом позволяют реализовать следующие технологические преимущества этих машин:

• повышенные мобильность и маневренность;

• сокращение продолжительности рабочего цикла за счет интенсификации процесса черпания;

• значительное повышение усилия на зубьях ковша;

• возможность перемещения ковша по любым (в том числе и прямолинейным) траекториям;

• лучшее наполнение ковша, особенно при отработке уступов небольшой высоты.

Особенностью работы экскаватора с оборудованием типа прямой механической лопаты является ограничение реализуемого усилия резания при движении ковша по криволинейной траектории. При разработке же насыпного и взорванного материала наиболее рациональной траекторией движения ковша является прямолинейная (преимущественно горизонтальное перемещение с дальнейшим поворотом ковша в вертикальной плоскости). Усилие внедрения ковша ограничивается силой сцепления ходовой части экскаватора с грунтом.

Одним из главных преимуществ гидравлического экскаватора является возможность независимых перемещений ковша, рукояти и стрелы. Это значительно расширяет его технологические возможности, так как различные траектории движения ковша могут быть реализованы при минимальных энергозатратах и усилиях черпания.

Ведущими машиностроительными фирмами, выпускающими гидравлические экскаваторы, являются «Оренштейн-Коппель», «Демаг», «Либхерр» (ФРГ), «Поклен» (Франция), «Хитачи» (Япония). Фирмы «Мэрион», «Харнишфегер», «Бьюсайрус-Эри» (США), выпускающие экскаваторы-механические лопаты, заявили о готовности создать карьерные гидравлические экскаваторы с ковшами вместимостью до 30 м3 (РН-300).

Количество выпускаемых за рубежом гидравлических экскаваторов ежегодно возрастает.

За сравнительно короткий период было создано 23 модели гидравлических экскаваторов массой более 100 т, десять из которых имеют массу 100-150 т., восемь — 150-190, три — 220 и два — 500 т.

В соответствующих горнотехнических условиях все большее распространение получают гидравлические карьерные экскаваторы с рабочим оборудованием обратной гидравлической лопаты (см.рис. 13.3). Кроме американских моделей все остальные экскаваторы являются модификацией той или иной базовой модели с рабочим оборудованием типа прямой лопаты. Экскаваторы — обратные лопаты поставляются с ковшами различной вместимостью и, как правило, различной конфигурации.

Роторные экскаваторы в сочетании с конвейерным транспортом применяются как для отработки всей толщи покрывающих пород (допускающих по своим механическим свойствам применение этих экскаваторов), так и для отработки вскрышных уступов по комбинированной схеме.

При внешнем и внутреннем отвалообразовании обычно используются комплексы, состоящие из соединенных последовательно роторного экскаватора, ленточных конвейеров и отвалообразователя. Производительность таких комплексов достигает 120 млн.м3 в год.

Развитие конвейерного транспорта идет по пути увеличения длины ставов и применения лент, армированных стальными тросиками. Ширина лент достигает 3000 мм, скорость движения ленты — до 6 м/с. В современных конструкциях конвейеров для поддержания ленты применяются гирляндные опорные ролики, подвешенные на свободном несущем канате.

Самый мощный, изготовленный в ФРГ роторный экскаватор SchRs 6640, имеет расчетную производительность 19120 м3/ч, или 240 тыс.м3/сутки. Фактическая суточная производительность этого экскаватора достигает 360 тыс.м, или 55 млн м3/год. Крупные роторные экскаваторы (производительностью свыше 2300 м /ч) выпускаются с погрузочным устройством на собственном ходу и с соединительными конвейерными мостами длиной до 100 м.

При определенной высоте разрабатываемого уступа экскаваторы большой производительности работают с укороченной стрелой. Это позволяет уменьшить массу экскаватора и, следовательно, снизить его стоимость. Такие экскаваторы применяются на разрезах «Белхатув» и «Щерцув» (Польша). На разрезе «Белхатув» эксплуатируется экскаватор фирмы «Крупп» SchRs 4600, длина стрелы которого в обычном исполнении равна 71,5 м, а для условий данного разреза она сокращена до 37,8 м; масса экскаватора уменьшилась с 7660 до 4700 т. На разрезе «Щерцув» вылет стрелы экскаватора SchRs 4000 фирмы «Оренштейн-Коппель» уменьшен с 71,5 до 46 м, масса машины — с 6333 до 5373 т.

Примером полностью конвейеризированного предприятия с отработкой породы и угля роторными экскаватора является разрез «Фортуна» в ФРГ производственной мощностью 40 млн.т угля в год (максимальная фактическая 48,1 млн.т). Средняя мощность угольного пласта, отрабатываемого разрезом, 70 м. В зонах тектонических нарушений угол падения пласта достигает 22°. Выемка низкозольных и высокозольных участков пласта производится селективно. Мощность покрывающих пород изменяется от 25 до 280 м. При использовании роторных экскаваторов предварительного буровзрывного рыхления не требуется. Средний коэффициент вскрыши равен 2,1 м3/т.

На разрезе эксплуатируется шесть роторных экскаваторов, четыре из которых имеют производительность по 100, два — по 200 тыс.т/сутки. Перемещение породы и угля осуществляется конвейерами с лентами шириной 2200 и 3000 мм, со скоростью движения 5,2 и 6 м/с, протяженность конвейерных линий порядка 50 км. Для укладки породы в отвалы применяются консольные ленточные отвалообразователи производительностью 100 и 240 тыс.м3/сутки. Кроме основного на разрезе применяется различное вспомогательное оборудование — планировочные машины, бульдозеры, ковшевые погрузчики, очистители для конвейерных лент, передвижники конвейеров и др.

Производительность труда на разрезе «Фортуна» в 1985 г. составляла 87,7 т/смену.

На зарубежных угольных разрезах все большее распространение в благоприятных горнотехнических условиях находит применение оборудования непрерывного действия для тонкослоевой выемки, так называемые фрезерные комбайны (см. 13.2.4). Находит распространение циклично-поточная технология, ориентированная в основном на применение самоходных дробильных агрегатов.

Автомобильный транспорт угля и вмещающих пород получил доминирующее распространение на открытых разработках США, Австралии, Великобритании, Канады, в странах Латинской Америки. Его широкому применению способствовали важные технологические достоинства, связанные с возможностью использования в стесненных условиях горного производства, при вскрытии карьерных полей, при технологии с экскаваторной перевалкой вскрышных пород во внутренние отвалы, при отработке передовых уступов. В США, например, на открытых разработках средствами автотранспорта перевозится более 85% всей горной массы.

Наибольший опыт создания автосамосвалов большой грузоподъемности накоплен фирмой «Юнит Риг» (США). До 1987 года этой фирмой выпущено более 2000 автосамосвалов грузоподъемностью 90-180 т. Зарубежный опыт эксплуатации автосамосвалов большой грузоподъемности (150-250 т) показал, что эти машины экономичнее, чем 100-тонные (в пересчете на 1 т грузоподъемности). В практике работы сложились определенные соотношения между вместимостью ковша экскаватора и грузоподъемностью автосамосвала. Считается, что в комплексе с экскаватором с ковшом вместимостью 15-16 м3 целесообразно использовать автосамосвалы грузоподъемностью 150-160 м. При этом обеспечивается погрузка в автосамосвал 5-6 ковшей.

Коэффициент тары автосамосвала равен 0,6-0,75 и наблюдается тенденция к некоторому его снижению при увеличении грузоподъемности машины.

Обычно фирмы-изготовители автосамосвалов наряду со стандартным предлагают несколько вариантов кузова применительно к условиям работы автосамосвалов, транспортирующих породы с различной плотностью.

За рубежом созданы и применяются дизель-троллейвозы.

С развитием открытого способа угледобычи за рубежом усиливается внимание охраны окружающей среды. В ряде стран, особенно в Европе и США ведутся интенсивные разработки природоохранных технологий открытой добычи полезных ископаемых, эффективно ведется техническая и биологическая рекультивация.