Горные фрезы как альтернатива взрывным работам в карьерах

Любая отрасль переживает разные моменты технологических преобразований. История сохранила нам описание способов разрушения горных пород в различные периоды развития человечества. И смена промышленных укладов становится стимулом для геологического обновления собственного производственного процесса.

Взрывать или резать?

Открытие взрывных методов разрушения произвело революцию в горном деле и увеличило возможности горного производства в тысячи раз.
Горная порода характеризуется плотностью, прочностью, упругостью, теплопроводностью, электропроводностью и другими свойствами. Любая горная техника, используемая для разработки горных пород, чаще всего имеет дело с прочностными и плотностными свойствами. В этом случае самым важным показателем при выборе способа разрушения породного массива будет крепость (твёрдость) пород. Чем выше крепость, тем труднее воздействовать на массивы породы – откалывать или дробить её. Каждый уровень повышения крепости всегда требует увеличения энергии для её разрушения.

Традиционным стал способ разработки карьеров проведением буровзрывных работ. Львиную долю ежегодно расходуемых промышленных взрывчатых веществ поглощают взрывы в горном деле. Разрушение пород с помощью энергии взрыва является универсальным и практически единственным высокоэффективным способом подготовки скальных горных пород к выемке.

В основном рудные карьеры имеют воронкообразную форму с системой уступов, которые постепенно отодвигаются по мере разрастания карьера. Такая структура позволяет безопасно вывозить породу и руду, размещать всю необходимую технику, а также строить капитальные съезды для самосвалов и размещать энергоснабжающие сооружения.

Руда и окружающая её горная порода — вовсе не мягкий песочек, который экскаватор мог бы взять и погрузить в самосвал. Её необходимо дробить. Делают это при помощи мощной взрывчатки — горняки режут камень будто масло, в любом направлении и на любую глубину. Взрывник — это непростое ремесло, требующее филигранного расчёта, хирургической точности и железной дисциплины. В противном случае всё может закончиться плачевно.

Эксперты отмечают, что взрывные работы, как доминирующий способ разрушения больших объёмов горных пород, в себестоимости добычи полезных ископаемых занимают до 30%. Взорванная масса состоит из кусков разного размера — от пылевидных частиц до негабаритов. В дальнейшем добытое полезное ископаемое подвергают дополнительному качественному дроблению. Также взрывные работы наносят ощутимый урон окружающей среде — выброс продуктов горения взрывчатого вещества вредит экологии, особенно при массовых взрывах.
Сам взрыв воздействует на большой объём окружающих горных пород и нарушает сплошность массива, влияя тем самым на устойчивость откосов уступов борта карьера и т. д. Если учесть, что КПД взрыва на дробление не превышает нескольких процентов, то становится очевидной необходимость в совершенствовании технологии добычи горной породы.

Идея создания безвзрывных технологий разработки крепких пород родилась не один десяток лет назад. Основные инженерно-исследовательские работы велись по направлению создания горных комбайнов, оборудованных рабочим органом фрезерного типа. Ещё в середине XX века в шахтах использовались горные комбайны и комплексы для очистных и проходческих работ. Подземные комбайны создавались преимущественно для разработки каменных углей или проходки подготовительных горных выработок по вмещающим породам слабой и средней крепости.

На открытых горных работах безвзрывные технологии не имели широкого распространения. Первая попытка внедрить подобные технологии в России предпринималась в 1996 году, когда на кузбасском разрезе Талдинский шли промышленные испытания комбайна послойного фрезерования. Комбайн являлся результатом совместной работы немецких и российских разработчиков.

Для достижения высокой производительности горный комбайн был оборудован многоковшовым исполнительным органом, который располагался в передней части машины. Рассчитан он был на отработку блоков значительной ширины и мощности. Испытания показали, что энергоёмкость разрушения породного массива при такой конструктивной схеме очень высока. Правда, он оказался малоэффективен при разработке крепких пород. В итоге после проведения испытаний на разрезе отказались от применения такого оборудования и вернулись к буровзрывным работам. Однако испытания показали перспективность новой технологии, была получена важная информация, позволившая проводить дальнейшие поиски способов по совершенствованию горных комбайнов.

Эксперты отмечают, что за несколько десятилетий был создан целый класс машин принципиально нового типа для ведения безвзрывной высокоселективной добычи полезных ископаемых и вскрышных пород. Сама технология производства открытых горных работ с использованием машин способна удовлетворить всем требованиям по ресурсосбережению, обеспечению снижения экологической нагрузки и полноты извлечения минерального сырья высокого качества.

Фрезерные комбайны

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 напряжённого состояния в прилегающих частях массива и формирование уплотнённого 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 берёт на себя наконечник резца (отсюда абразивный износ инструмента). Причём 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, её твёрдость. За меру контактной прочности принимают удельное давление под основанием штампа (диаметр штампа в 3-5 раз больше размера зёрен испытуемого материала) в момент хрупкого разрушения породы, то есть выкола элемента.

При проектировании фрезерных комбайнов используется принцип отбойки горных пород «холодными» фрезами. Это способ заимствован из металлообработки и получил широкое применение в конструкциях для подземных проходческих комбайнов. Рабочие органы машин осуществляют отбойку горной породы при помощи резцов разных конструк- ций. Согласно расчётам специалистов, применение таких машин на карьерах позволит получить ряд положительных эффектов:
— улучшить потребительские свойства полезного ископаемого за счёт регулирования размера отбиваемой породы;
— в разы уменьшить засорённость полученного материала;
— исключить из рабочего процесса комплекс буровых и взрывных работ;
— сохранить качество и природные характеристики самого сырья;
— снизить затраты на транспортирование и добычу минерального сырья;
— обеспечить возможности извлечения попутных полезных ископаемых из вмещающих пород;
— повысить качество формирования стационарных бортов на предельном контуре в карьере.

В зависимости от конструкции и способа работы такие комбайны можно разделить на четыре типа: шнеково-фрезерные машины; машины с роторными колесами, расположенными спереди или сзади машины; стреловые фрезерные комбайны; фронтальные роторные агрегаты.
У машин с роторными колёсами, принцип работы основан на режущем роторе. Например, четыре роторных колеса расположены фронтально и разрабатывают породу разной степени прочности.

Заметное развитие во всём мире приобретает идея эксплуатации на карьерах малогабаритных машин. Изготавливают их специально для открытых горных работ либо переделывают из проходческих комбайнов машин различных конструкций: с режущими дисками, колёсами и цепями, одной или двумя вращающимися фрезами. Ряд моделей предназначен для разработки торцевого забоя. Рабочий орган таких машин устанавливается на штангах. Однако на открытых горных работах наибольшее распространение получили машины, забоем которых служит площадка уступа. Они имеют более низкие показатели по металло- и энергоёмкости. Рабочий орган этих комбайнов — фреза цилиндрической формы, на поверхности которой по винтовой линии размещены резцы. Такие комбайны способны разрабатывать природный массив слоями от 1 до 60 см с одновременным дроблением и погрузкой полезного ископаемого, это позволяет не только обеспечить поточность выемки, погрузки и дробления, но и улучшить качество добываемого полезного ископаемого за счёт снижения засорения.

При демонстрации работы техники всегда делаются замеры производительности техники. результаты замеров подтвердили высокую эффективность комбайнов — рыхление и замена рабочего инструмента занимают 31% от общего времени. Остальные временные затраты — это стандартные операции для выемочно-погрузочного оборудования по отгрузке, а также вспомогательные работы, такие как подготовка забоя, зачистка, ожидание автотранспорта. Среднечасовая производительность по рыхлению и отгрузки скальных пород составила 660 т/час. Сравнивая со взрывными работами, следует отметить значительно большую скорость работы комбайна, низкую трудоемкость при проведении работ, простоту и безопасность выполняемых работ.

Ещё одним из преимуществ работы фрезерными комбайнами против взрывных работ является отсутствие цикла предварительных работ с использованием другой техники (зачистка блоков, бурение), вследствие чего снижаются суммарные простои выемочно-погрузочной и транспортной техники карьера. Также он будет полезен в тех случаях, когда невозможно взрывные работы проводить вблизи населённых пунктов. По оценкам экспертов, при переходе от взрывных работ к работе комбайнов ожидаемый срок окупаемости капитальных вложений за счёт снижения затрат в среднем составляет 7–8 миллионов рублей в год. Несложно будет просчитать среднюю окупаемость такой техники. также все поставляемые машины имеют гарантированный срок эксплуатации с последующим постгарантийным обслуживанием. Главное, чтобы на технике работали квалифицированные специалисты.
В настоящее время в горной промышленности существенно ограничены инвестиции, поэтому одной из важнейших задач является совершенствование технологий, в которых используется оборудование с уменьшенными линейными размерами. такое оборудование имеет меньшие удельные металло- и энергоёмкость, а, следовательно, оно значительно дешевле.

Но, несмотря на явные преимущества, современные технологии разработки скальных пород на карьерах продолжают базироваться на применении буровзрывных работ. Механические способы разрушения используются в ограниченном объёме, преимущественно при разработке осадочных пород. различные компании предлагают значительное количество машин, которые способны разрушать скальные породы. Многие из этих машин способны выполнять несколько технологических процессов. А рачительному руководителю стоит присмотреться и попробовать новые, перспективные и экономически выгодные технологии.
.
Текст: Дмитрий Трапезников