книги из ГПНТБ / Ходинов, А. С. Открытая разработка месторождений горно-химического сырья

Разработка месторождений желваковых фосфоритов

Вскрытие и системы разработки

Особенности разработки месторождений желваковых фосфоритов определяются их горно-геологическими ус­ ловиями, характеризующимися наличием одного или не­ скольких рудных пластов малой мощности с горизон­ тальным залеганием и высоким коэффициентом вскрыши.

Расположение месторождений желваковых фосфори­ тов в районах с холодной и продолжительной зимой предопределило сезонность режима горных работ, начи­ нающегося 3 мая и заканчивающегося 6 ноября.

Участки месторождений вскрываются въездными траншеями, переходящими в разрезные, которые закла­ дываются в зонах минимальной вскрыши.

На месторождениях желваковых фосфоритов приме­

В зависимости от количества рудных пластов и фи­ зико-механических свойств пород вскрыши для разработ­ ки месторождений желваковых фосфоритов применяется бестранспортная система для однопластовых месторож­ дений и транспортно-отвальиая при двух и более пла­ стах.

Поточная транспортно-отвальная система разработки с использованием многоковшовых цепных экскаваторов и отвалообразователей применяется на Егорьевском ме­ сторождении с 30-х годов.

Карьеры были оборудованы горными агрегатами фирмы «Любек». На вскрыше использовался полнопово­ ротный многоковшовый цепной экскаватор, распола­ гавшийся на самостоятельных трехниточных путях. До­ бычной многоковшовый экскаватор был неповоротным, располагался на пятиниточных путях, на этих же путях был установлен отвалообразователь, который принимал породу как от вскрышного, так и от добычного экскава­ тора. Несколько позднее с целью более полного исполь­ зования мощности экскаваторов силами Лопатннского рудника был сконструирован и построен отвалообразова­ тель, который принимал породу от добычного экскавато-

ра при зачистке верхнего пласта, выемке породного про­ слойка между пластами и проходке водоотводной кана­ вы. Недостатком этого агрегата было то, что при распо­ ложении его на самостоятельных путях требовалось про­ ходить разрезную траншею значительной ширины.

Рис. 3. Многоковшовый цепной агрегат фирмы «Букау»

Для разработки Егорьевского и Полпинского место­ рождений были заказаны агрегаты многоковшовых цеп­ ных экскаваторов «Букау», состоящие из двух однотип­ ных полноповоротиых многоковшовых цепных экскава­ торов, оборудованных 30-метровыми сбрасывающими конвейерами, и отвалообразователя (рис. 3). Агрегат был расположен на общих шестиниточных путях. Каж­ дый из экскаваторов, мог работать как на вскрышном, так и на добычном уступах. Породы вскрыши транспор­ тировались во внутренний отвал с помощью отвалообра­ зователя. Предусмотрена возможность одновременной ра­ боты обоих экскаваторов па отвалообразователь.

В табл. 3 приведена техническая характеристика аг­ регатов многоковшовых экскаваторов.

Агрегат многоковшовых цепных экскаваторов, состоя­ щий из двух полноповоротиых однотипных экскаваторов II отвалообразователя, позволил создать высокомеханп-

20

Т а б л и ц а 3 Техническая характеристика агрегатов многоковшовых экскаваторов

Экскаваторы фирмы «Любек» «Букау»

Показатели

21

зированную технологию горных работ в карьере при раз­ работке месторождений желваковых фосфоритов с двумя

иболее рудными пластами. Многоковшовый экскаватор

суспехом ведет селективную разработку слоев мощно­ стью 0,1 м, а агрегат в целом производит весь комплекс горных работ по вскрыше и удалению породных прослоек с транспортировкой их в выработанное пространство, добычу руды и погрузку ее в думпкары.

Транспортно-отвальную систему разработки с приме­ нением агрегата многоковшовых цепных экскаваторов целесообразно называть «Многоковшовый агрегат-карь­ ер». Такое наименование системы разработки наиболее полно характеризует весь комплекс выполняемых в карьере работ.

Однако наличие крепких прослоек осложняет исполь­ зование многоковшового экскаватора на добыче руды Егорьевского месторождения. Это потребовало выполне­ ния научно-исследовательских и проектно-конструктор­ ских работ по совершенствованию рабочего органа эк­ скаватора.

Агрегат многоковшовых экскаваторов может быть с успехом применен и на однопластовых месторождениях фосфоритов. При этом для более полного использования параметров агрегата его следует располагать на вскрыш­ ном подуступе.

При разработке однопластовых месторождений фос­ форитов также может быть применена транспортно-от­ вальная система разработки с использованием роторного экскаватора и шагающего отвалообразователя.

На Вятско-Камском месторождении, вскрышные по­ роды которого представлены глинами, был организован опытный участок с экскаватором ЭРГ-400 и отвалообразователем ОШ-105/1500. Для освоения роторного экска­ ватора и предотвращения налипания глин на рабочем ор­ гане, конвейерах и узлах перегрузки потребовалось вы­ полнение комплекса мероприятий.

Лабораторией новых землеройных машин КИСИ, ГИГХСом и Верхнекамским фосфоритным рудником бы­ ли проведены промышленные испытания электроосмотического и виброэлектроосмотического щитов, устанавли­ ваемых в месте перегрузки, внутреннего обогревателя, питателя ротора, футеровки барабанов конвейеров эла­

22

стичной резиной и наружного обогревателя натяжного барабана отвального конвейера.

В результате выполненных работ и внедрения ряда мероприятий роторный экскаватор работал довольно устойчиво с производительностью до 410 м3/ч.

Бестранспортная система нашла широкое применение при разработке однопластовых месторождений фосфори­ тов. Особенно эффективной она стала с выпуском шага­ ющих экскаваторов. Увеличение параметров шагающих экскаваторов позволило отрабатывать более глубокие участки месторождений. Предельная глубина отработки по простой бестранспортной системе Вятско-КамСкого месторождения при экскаваторах ЭШ-4/40 составляла 8 м, а при ЭШ-6/60 и ЭШ-10/60 возросла до 12 м. Глу­ бина отработки 12 м определяется предельной высотой одноярусного отвала, сложенного из глин.

Для повышения высоты отрабатываемого вскрышного уступа в 1970 г. на Верхнекамском фосфоритном рудни­ ке были проведены опытные работы по простой бес­ транспортной системе разработки с установкой шагаю­ щего экскаватора ЭШ-10/60 на вскрышном подуступе и на кровле фосфоритного пласта и по усложненной с переэкскавацией породы при расположении шагающего экскаватора на отвале, сложенном из глин. Установка экскаватора на подуступе и кровле фосфоритного пласта позволила увеличить высоту уступа до 15 м и значи­ тельно улучшила условия работы и передвижения эк­ скаватора в связи с тем, что несущая способность плот­ ных глин и глауконитовых песков в два-три раза выше, чем глин, слагающих кровлю вскрышного уступа. Опыт­ ная проверка показала надежность работы шагающего экскаватора по созданию двухярусного отвала и воз­ можность отработки участков месторождения мощ­ ностью вскрыши 18—2Q м.

Исследование характера и усилий разрушения фосфоритовых руд и усовершенствование рабочего органа цепного многоковшового экскаватора

Наличие крепких рудных прослоек на месторожде^ ниях фосфоритов платформенного типа затрудняет рабо­ ту цепных многоковшовых и одноковшовых экскаваторов,

23

приводит к необходимости предварительного рыхления п снижению производительности многоковшовых экскава­ торов почти в три раза.

На Егорьевском, Вятско-Камском и Маардуском ме­ сторождениях был проведен комплекс исследовании фи­ зико-механических свойств и закономерностей разруше­ ния фосфоритных пластов и прослоек в условиях есте­ ственного залегания непосредственно в карьере с помо­ щью специального динамометрического стенда.

Стенд состоял из динамометрической тележки, двух электролебедок (тяговой и возвратной), комплекта опытных ножей, рельсового пути и регистрирующей ап­ паратуры. В стенде применена система независимой под­ вески режущего инструмента при помощи тензометриче­ ских балочек, позволяющая фиксировать на электронной измерительной аппаратуре касательную и нормальную составляющие, сопротивления грунта резанию, исключая при этом силы сопротивления перекатыванию тележки.

вающей аппаратурой. При каждой установке стенда в начале участка резания выкапывается приямок для кре­ пления ножей на заданную глубину. Перед установкой опытных ножей поверхность массива планируется спе­ циальным широким ножом. После чего в соответствии с программой опыта производится резание грунта с одно­ временной записью усилий на осциллограмме.

Для перехода от ординат осциллограмм к величинам сил сопротивления грунта производится тарировка дина­ мометрического стенда, заключающаяся в записи осцил­ лограмм напряжений в тензометрических балочках от известных нагрузок на режущий орган, измеряемых при нескольких ступенях нагрузки и разгрузки пружинным динамометром. Силовые масштабы тарировки вычисля­ ются по методу наименьших квадратов.

Максимальные ординаты осциллограмм соответству­ ют максимальным усилиям, при которых происходит от­ деление стружки от массива. Таким образом, среднемак­ симальные значения сил резания являются величинами, характеризующими крепость руды.

Средние силы резания определялись путем планимет­ рирования осциллограмм с последующим отнесением

24

площади осциллограммы к ее длине. Эта сила соответ­ ствует работе, произведенной при резании.

Таким образом, если отнести среднемаксимальную силу резания Рср к площади поперечного сечения F, по­ лучим показатель, называемый среднемаксимальной удельной силой резания. Этот показатель необходим для прочностных расчетов рабочего органа землеройной ма­ шины. Средняя удельная сила резания численно равна количеству энергии, затрачиваемой на разрушение еди­ ницы объема массива, т. е.

Ввиду различной прочности фосфоритов на Егорьев­ ском месторождении были исследованы отдельно верхний (фосфоритный слой) и средний (фосфоритная плита) слои Рязанского и Портландского пластов.

При проведении опытов фиксировались характер раз­ рушения и форма поперечного сечения прорези. Наблю­ дения показали, что после прохода опытного ножа неза­ висимо от степени износа режущей кромки при различ­ ных глубинах и углах резания образуется трапецеидаль­ ная зона разрушения, боковые поверхности которой на­ чинаются не от дна прорези, а несколько выше и накло­ нены к горизонту в среднем под углом 30—35°. У дна прорези образуются практически вертикальные боковые поверхности, свидетельствующие о срезе руды боковыми ребрами ножа.

Характер разрушения фосфоритных руд имеет сход­ ство с резанием талых и замерзших глинистых грунтов, исследованных профессором Ю. А. Ветровым, которым разработаны теоретические положения о закономерно­ стях резания грунтов и пород (рис. 4).

В соответствии с теоретическими положениями мож­ но считать, что разрушение фосфоритных руд при реза­ нии является результатом развития в них сложного на­ пряженного состояния и что в каждой части прорези раз­ рушение идет различными путями. Перед лобовой гранью оно происходит в результате скола и сдвига, в боковых расширениях прорези отрывом и у дна прорези срезом боковыми гранями ножа. Для острых ножей с постоянным углом резания лобовые сопротивления прак­ тически пропорциональны ширине ножа и глубине реза­

25

ния. Сопротивления в боковых расширениях прорези пропорциональны площади их поперечного сечения. Со­ противления срезу боковыми гранями ножа можно счи­ тать пропорциональными длинам вертикальных участ­ ков, образующихся у дна прорези, и не зависящими от

PäoK

Рис. 4. Схема к расчету усилий резания:

Лбок h — глубина расширяющейся части прорези: V — угол наклона расширяющейся части прорези; P g 0K— сила резания в боковой части прорези; Р си — сила резания в лобовой части прорези: Р док Ср — сила резания боковыми гранями ножа

ширины ножа. Таким образом, касательную составляю­ щую силы резания фосфоритных руд острым ножом в общем виде можно представить следующим образом:

щие удельную силу разрушения руды в соответствующей части прорези, т. е. крепость руды в лобовой части, бо­ ковой и бокового среза; b — ширина ножа; h — глубина резания.

После обработки экспериментальных данных получе­ ны значения среднемаксимальных сил резания острыми ножами, с помощью которых вычислены коэффициенты крепости исследованных руд (табл. 4).

По коэффициентам крепости можно рассчитать вели­ чины среднемаксимальной силы резания для различной ширины и глубины среза.

По условиям взаимодействия острого ножа с рудой

26

Т а б л и ц а 4 Коэффициенты крепости фосфоритовых руд

нормальная составляющая связана с касательной силой резания зависимостью

Касательная составляющая силы резания изношен­ ным или затупленным ножом выразится суммой каса­ тельной составляющей силы резания острым ножом и дополнительной силой резания Рпл, прикладываемой к ножу для преодоления сопротивлений, обусловленных площадкой износа или затуплением, которая считается практически пропорциональной ширине ножа при каж­ дой глубине резания.

^пл = (Ро + Рус» + Л + /гусл ) ь’

где ро — параметр, характеризующий дополнительную силу резания (его значение численно равно удельной си­ ле, полученной опытным путем при нулевой глубине ре­ зания), кгс/см; русл, кусл — условные параметры, харак­ теризующие сопротивление руды упруго-пластическому сжатию только для данной площадки износа или данно­ го радиуса: русл — условная сила резания; hycn — услов­ ная высота резания.

27

Наблюдения за характером износа режущих кромок ковшей многоковшовых экскаваторов и зубьев драглай­ нов, работающих на экскавации прочных фосфоритных руд, показали, что во всех случаях получается площадка износа. Используя опытные данные, вычислены парамет­ ры ро, Русл, Аусл (табл. 5), с помощью которых могут

быть рассчитаны значения дополнительной силы при различных параметрах среза исходя из предположения, что дополнительная сила резания прямо пропорциональ­ на ширине ножа и площадке износа.

Значения среднемаксимальной силы резания необхо­ димы для расчетов металлоконструкций рабочего органа землеройной машины на прочность, однако для опреде­ ления мощности, затрачиваемой на резание, необходи­ мо руководствоваться средними значениями силы реза­ ния за все время процесса. Профессором Ю. А. Ветро­ вым предложено величину этой силы определять с помо­ щью так называемого коэффициента энергоемкости, ха­ рактеризуемого отношением средней силы резания, по­ лучаемой при планиметрировании опытных осцилло­ грамм, к среднемаксимальным силам резания. По ре­ зультатам опытов получены следующие средние значе­ ния коэффициента энергоемкости:

Дополнительная сила резания для преодоления со­ противлений площадке износа, как показали исследова-

28