§ 12. Разработка горных пород комбайнами
Для разработки плотных и полускальных пород и особенно угля и руды используются комбайны, обеспечивающие по принципу действия одновременную непрерывную выемку и погрузку горной массы. По аналогии с комбайнами для проходческих работ в подземных условиях они эффективно работают в породах с прочностью на одноосное сжатие 180—200 МПа. В породах с коэффициентом крепости 12÷14 по шкале проф. М.М. Протодьяконова вследствие поточности производства и отсутствия буровзрывной подготовки горной массы затраты на разработку почти в 2 раза ниже. В настоящее время они успешно используются для добычи строительных материалов, угля, фосфоритов, бокситов, гипса. В Якутии проведены успешные испытания фрезерного комбайна для разработки кимберлита.
Прообразом современных комбайнов для открытых горных работ является экскаватор с фрезой Н.Г. Громонщикова.
Современные комбайны различаются принципом действия, конструкцией и расположением рабочего органа. Они изготовляются в Германии, США, Англии, Австрии, Японии и Швеции.
К первой группе относятся комбайны с рабочим органом в виде цилиндрической фрезы, расположенной в центре в нижней части опорной рамы между передними и задними гусеницами. Фреза представляет собой шнековый барабан, оснащенный штыревыми зубками, расположенными по винтовой линии и армированными вставками из кобальто-вольфрамового твердого сплава. Вращение фрезы может осуществляться как в направлении движения комбайна, так и против (рис. III.24).
Число зубков, их тип, расстояние между ними зависит от физико-механических свойств горных пород, необходимого состав горной массы по крупности и устанавливаете применительно к конкретным природным условиям месторождение. Разрушенная горная порода со средним размером
Рис. III.24.Принцип работы роторных комбайнов:
а – фирмы «Виртген»; б – фирмы «Хьюрон»
куска до 300 мм конвейером загружается в транспортные средства или в штабель вдоль полосы выемки, из которого горная масса погрузчиком или экскаватором загружается в транспорт (рис. III.25).
Наиболее известные комбайны этого типа выпускает немецкая фирма «Виртген». Используя опыт изготовления дорожных машин для фрезерования старых дорожных покрытии из бетона и асфальта, они создали ряд комбайнов для карьеров с шириной фрезы 1900÷4200 мм, глубиной фрезерования за одни проход от 150 до 600 мм и теоретической производительностью до 1700 т/ч.
Срок службы комплекта резцов при двухсменной работе 2 месяца.
Модель 4200 SМ/1600 снабжена автоматической системой, поддерживающей заданную глубину резания. На режущем барабане расположены датчики для обнаружения различия между полезным ископаемым и
Рис. III.25.Технология разработки горных пород фрезерными комбайнами:
а – автотранспортом; б –в штабель
породой, например углем и породным прослойком. По данным фирмы комбайном больших моделей можно вести работы при наличии твердых включений крепостью до 20 по шкале проф. М.М. Протодьяконова
Американская фирма «Хьюрон» выпускает фрезерные комбайны, которые используются для разработки плотных глин, сланцев и угля. Комбайны фирмы ЕМ-1224 отрабатывает слой толщиной 0,6м. Расположенный в центре машины барабан, оснащенный резцами, отделяет породу от массивапутем скола под действием массы машины, дробит и передает его на погрузочный конвейер. Перемещается комбайн на четырех гусеницах, уровень которых устанавливается гидроцилиндрами. При работе гусеницы одной стороны находятся на поверхности отрабатываемого слоя, другой –на основании слоя. При добыче угля производительность комбайна составила 2360 т/ч.
Модель «Юниматик» фирмы «Юнит Риг» (США)позволяет отрабатывать слой горных пород средней крепости и угля 1,22÷2,44 м по высоте и 4,6 м по ширине со скоростью 26,8 м/мин .
Фрезерные комбайны с передним креплением рабочего органа позволяют разрабатывать массив горных пород уступами высотой 1,8÷2,5 м, шириной захвата 7÷7,6 м и производительностью 550÷2100 т/ч (рис. III.26).
Рис. III.26. Комбайны с передним креплением рабочего органа:
а – фрезерный фирмы «Си-Майнер»; б – его вид сбоку и в плане;
в – роторный фирмы «Саттервит»
Подобные комбайны серии «Континнус Майнер» выпускают немецкие фирмы «Везерхютте» и «Порат». Режущий инструмент – резец сдвигового типа, который обычно используется в комбайнах для проведения подземных горных выработок. Тип и количество резцов на двухстороннем барабане устанавливается для конкретных пород.
Срезанная порода подается боковыми частями шнекового валика к середине рабочего органа откуда через отверстие в упорном щите поступает на погрузочный конвейер.
Рабочий орган поднимается и при необходимости наклоняется в поперечном направлении гидроцилиндрами.
Переднее расположение рабочего органа позволяет производить разработку горизонтов обычной технологией – уступами, как и ковшовой техникой, проходить траншеи, легко производить осмотр состояния рабочего органаи замену резцов. Работа с конвейерным транспортом обеспечивает поточную технологию разработки горных пород средней крепости.
По сравнению с традиционными роторными экскаваторами этой же фирмы эти комбайны имеют в 5-6 более высокие усилия копания при разработке массива горных пород. Высота разрабатываемого уступа от 2,2 до 2,7м, ширина заходки от 4,3 до 7,1м, производительность по углю от 880 до 3500т/час.
Комбайн со струговым рабочим органом представляет собой конструкцию из двух тягачей, между которыми расположен струг с конвейером (рис.III.27).
Рис. III.27. Схема комбайна со струговым рабочим органом:
1 – тракторные тягачи; 2 – струг; 3 и 4– контейнеры
При движении с поверхности массива стругом срезается стружка горной породы толщиной до 0,5м, которая попадает на конвейер и загружается в средства транспорта, в штабель вдоль трассы движения струга или через отвалообразователь при разработке горизонтальных пластовых месторождений во внутренний отвал.
Сам струг представляет собой вертикальный лемех с поперечным или диагональным расположением, оснащенный режущими элементами, отделяющий породу от массива с использованием эффекта обрушения или горизонтальный лемех, отделяющий от массива слой необходимой толщины. В некоторых конструкциях стругов, предназначенных для уменьшения усилий на отделение от массива, предусматриваются по краям лемеха вертикальные штангис резцами, при вращении которых образуются щели.
Производительность стругов при разработке плотных горных пород достигает 2600м3/час, а затраты в 2 раза ниже по сравнению с разработкой скреперами.
Стреловые комбайны с фрезерным рабочим органом позволяют разработку массива горных пород забоями аналогично ковшовым экскаваторам. Отделенная рабочим органом от массива порода попадает на погрузочную плиту, с которой загружающими устройствами подается на конвейер. В практике горного производства стреловые комбайны с фрезерным рабочим органом широко используются для проведения подземных горных выработок в полускальных и даже скальных массивах без взрывных работ.
По способу внедрения в массив и направлению перемещения рабочие органы стреловых комбайнов делят на два типа: с продольным и поперечным перемещением.У первых головка вращается вокруг продольной оси стрелы, главное перемещение стрелы перпендикулярно к оси вращения режущей головки. У вторых ось вращения головки перпендикулярно к оси стрелы. Главное направление перемещения стрелы совпадает с направлением оси вращения головки.
Продольно расположенные головки имеют конусную, сферическую или шнековую форму, а поперечные – форму цилиндра, штанги или набора дисков, оснащенных резцами. Скорость вращения режущих головок обеспечивает оптимальную для резания горных пород линейную скорость резцов в пределах 1 – 3,5м/с, более высока скорость при работе в крепких породах ведет к увеличению износа резцов и пылеобразованию.
Разрушение породы осуществляется за счет напорного усилия, создаваемого комбайном, и вращательного движения режущей головки, При продольных головках разрушение горной породы между врубовыми щелями производится в результате усилий от перемещения стрелы комбайна.
Оба типа рабочих органов оснащают однотипными резцами, Форма, размеры резцов и тип твердого сплава зависит от прочности и абразивности горных пород. Для резания крепких горных пород обычно используются тангенциально расположенные круглые или остроконечные резцы.
Комбайны с поперечно расположенными головками более устойчивы в работе, имеют более сложный набор резцов и применяются для трудно разрушаемых пород. Комбайны с продольно расположенными головками отличаются меньшей сложностью в наборе резцов, могут оснащаться головками ударно-скалывающего действия, имеют одну или две стрелы, поэтому при возможности осуществления крупного сколамежду врубовыми щелями достигается более высокая производительность.
Стреловые комбайны позволяют получить в забое любой необходимый состав горной массы по крупности и куски разрушенной горной породы размером до 500 – 600 мм и могут работать с любым видом транспорта (рис. 3,29).
Наиболее известными фирмами, выпускающими стреловые комбайны для открытых горных работ, являются немецкая «Вестфалия Лунен», австрийская «Вест-Алпине», американская «Рахко» и английская «Доско».
Комбайн ВАФ-170 немецкой фирмы с двумя поперечно расположенными на поворотной стреле головками, нагребающими лапами на погрузочный скребковый конвейер разрабатывает горные породы с пределом прочности до 100 – 1200 МПа при высоте забоя 5,5м,ширине захвата 6,3м и производительности 300т/ч (рис. …..). Австрийская фирма выпускает серию фрезерных стреловидных комбайнов с неповоротной стрелой с поперечно расположенными режущими головками с вращательно-вибрационными действиями производительностью от 400 до 2300 м3/ч по целику крепостью до 100 МПа. Комбайн сконструирован по модульному принципу, поэтому легко и быстро монтируется и демонтируется, привод электрический или дизельный. Высота забоя от 4 до 24,6 м, ширина захвата от 5 до 43,6 м. Наиболее производительная работа с конвейерным транспортом. В сравнении страдиционным оборудованием применение стреловых комбайнов данного типа наиболее эффективно в достаточно крепких породах.
Американский стреловой комбайн СМЕ-12 имеет рабочий орган в виде фрезерного барабана, способного разрабатывать горную породу уступами высотой до 4,8 м, с шириной захвата 3,6 м и производительностью 800 т/чю.
Фрезерный стреловой комбайн ТВ-3000 английской фирмы «Диско» является наиболее крупным стреловым комбайном в мире. Он способен разрабатывать полускальные и скальные горные породы с пределом прочности на сжатие 160 ÷ 180 Мпа, производительностью до 690 т/ч, уступами высотой 5м, обеспечивая захват 9м, обеспечивая кусковатость горной массы 0 ÷ 600мм.