Выбор, расчет и обоснование буровых и выемочно-погрузочных работ

Введение

 

Горнодобывающая промышленность России на современном этапе характеризуется  интенсивным развитием открытого способа разработки полезных ископаемых. Преобладающее значение открытые разработки уже приобрели при добыче руд черных и цветных металлов, горно-химического сырья и строительных материалов.

Парк горных и транспортных машин, занятых в сфере горного  производства открытым способом, требует  качественных изменений за счет увеличения единичной мощности машин и грузоподъемности работающих с ними в технологической цепочке средств транспорта, создания более безопасного, надёжного в эксплуатации и ремонтопригодного оборудования, обладающего повышенной комфортностью для экипажа и удобством в управлении, и, наконец, создания и внедрения принципиально новых средств труда, превосходящих по своим технико-экономическим показателям лучшие отечественные и зарубежные образцы техники.

Машины и оборудование, используемые на открытых горных работах, принято подразделять по роду выполняемой  работы, т.е. по технологическому признаку, на семь классов:

– машины для подготовки горных пород к выемке;

– выемочно-погрузочные  машины;

– выемочно-транспортирующие машины;

– транспортные машины;

– отвалообразующие машины;

– сортировочно-обогатительное оборудование;

– машины для вспомогательных  работ.

Машины каждого класса дополнительно можно разделить  на группы. В каждую группу включаются типы машин, отличающиеся друг от друга  уже не характером выполняемой работы, а только конструкцией отдельных  узлов или всей машины в целом.

Каждый тип машины имеет  несколько типоразмеров (моделей), совпадающих  в основном по конструкции, но различающихся  между собой производительностью, параметрами рабочего оборудования, массой и т.д.

Горные машины для открытых работ могут быть также классифицированы по видам используемой энергии, ходовому оборудованию, способу экскавации, массе и конструктивным признакам.

Каждая машина состоит  из рабочего, исполнительного и силового оборудования, непосредственно выполняющего технологические операции; передаточных механизмов, связывающих рабочее  и исполнительное оборудование с  силовым; ходового оборудования, обеспечивающего транспортные и технологические перемещения машины; несущих металлоконструкций; систем управления и автоматизации для регулирования, включения и выключения отдельных агрегатов и механизмов машины.

Рабочее оборудование состоит  из рабочего органа и исполнительных механизмов. Рабочий (исполнительный) орган (ковш экскаватора, нож бульдозера, буровая коронка и др.) предназначен для непосредственного воздействия  на рабочую среду (забой). Необходимые  движения и усилия сообщаются рабочему органу исполнительными механизмами.

Передаточный механизм служит для передачи движения от двигателя  к исполнительным механизмам с трансформацией как вида движения, так и скоростей и сил (моментов).

Таким образом, рабочее оборудование и передаточные механизмы для  машин каждого класса и каждой группы различны и определяются их функциональным назначением (выемка породы, транспортирование, бурение и т.д.). Силовое оборудование, а также  механизмы управления для большей  части горных машин, применяемых  на открытых разработках, однотипны. Так, основная часть бурового и выемочно-погрузочного оборудования имеет электропривод, тогда как выемочно-транспортирующие машины и экскаваторы, работающие в условиях отсутствия линий электропередач, оборудуются двигателями внутреннего сгорания.

Подробные сведения по каждому  из узлов машины даются в паспорте, прилагаемом к машине заводом-изготовителем, где обязательно указываются  техническая характеристика машины, ее кинематическая схема и ряд  других данных.

 

Целью данного  курсового проекта является решение комплексной механизации буровых и экскаваторных работ открытых разработок. При этом необходимо предусматривать возможность достижения высокой производительности с максимальным технико-экономическим эффектом.

Задачи проекта:

– предварительный расчет и выбор карьерного рабочего оборудования;

– обоснование выбранного оборудования;

– получение навыков в решении горно-инженерных задач с использованием различного рода справочных материалов;

– получение навыков в изложении установленных результатов, грамотном обосновании принимаемых решений.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Краткая характеристика предприятия

(Мазульский известняковый рудник)

 

Мазульское месторождение известняков расположено в Ачинском районе Красноярского края юго-западнее г. Ачинска, в 3 км от действующего Ачинского глиноземного комбината, с которым связано автомобильной и железной дорогой. Транспортировка известняка и глин на комбинат осуществляется автомобильным транспортом. Известняк Мазульского месторождения применяется как вспомогательное сырье при комплексной переработке нефелиновой руды в глиноземном производстве.

Месторождение расположено  на северном склоне хребта Арга, плоская, слабо расчлененная поверхность которого покрыта смешанным лесом (береза, осина, сосна, реже лиственница и кедр). Севернее хребта простирается равнинная лесостепь Западно-Сибирской низменности с хорошими черноземными почвами.

Река Мазулька – небольшой правый приток Чулыма – протекает вдоль северо-западной границы месторождения. Длина речки 28 км, площадь водосброса 72 км², скорость течения 0,3 м/с, средний годовой расход в створе у города Ачинска 0,36 м³/с. В геолого-тектоническом отношении район месторождения находится в средней части Аргинского подножия.

Месторождения известняков  Ачинской группы связаны с мощной (2900-3100 м) толщей карбонатных отложений, залегающих в основании геологического разреза хребта Арги. Мазульское месторождение представлено серыми однородными и пятнистыми, реже полосчатыми известняками мощностью более 700 м.

 

В целом продуктивная толща слагается следующими породами:

 

известняки кондиционные      71,1%

известняки некондиционные      20,1%

дайки          8,1%

карст          0,7%

 

Известняки представлены в основном мономинеральными разностями, реже содержат кварц, глинистые материалы, углистое графитизированное вещество. Перечисленные минералы и включения выводят известняки за кондиции.

Большие затруднения при  добыче представляют лайковые породы и бречкии на интрузивном цементе, с которыми связано повышенное содержание SiO₂, SiO₃ и потери кондиционного известняка.

Интрузивные породы (дайки) образуют тела очень сложной и  изменчивой формы, что делает невозможным  зарисовку и увязку на планах и  разрезах. Эти породы не являются кондиционным сырьем и требуют селективной выемки, что обуславливает большую величину потерь для открытых горных работ.

Река Чулым – крупная  река Обского бассейна – имеет  среднемноголетний расход воды у  города Ачинска 190 м³/с, в зимнюю межень расход снижается до 100 м³/с. Урез воды в русле в районе месторождения находится в среднем на абсолютной отметке 187 м, т.е. ниже поверхности месторождения на 60-150 м.

Район относительно густо населен. Население занято в сельском хозяйстве и на промышленных предприятиях.

Климат района резко-континентальный, лето короткое (3-4 месяца) и дождливое, зима продолжительная с обильными  снегопадами и сильными ветрами. Среднегодовая температура составляет –0,5 ^оС. Самым холодным месяцем является январь (–16,8 ^оС), а самым теплым – июль (+18,3 ^оС). Среднегодовое количество осадков составляет 439,6 мм, большая часть которых выпадает в летние месяцы. Снежный покров устанавливается в конце октября, а таяние снега заканчивается в первой половине мая. Среднегодовая мощность снежного покрова достигает 70 см. Промерзаемость грунтов около 170 мм. Преобладают западные и юго-западные ветры.

Ближайшим к месторождению  административным и промышленным центром  является г. Ачинск, расположенный на транссибирской магистрали с железнодорожными ветками на города Абакан и Лесосибирск. Связь месторождения с городом Ачинском осуществляется по улучшенной шоссейной дороге и железнодорожной ветке г. Ачинск–Мазульский рудник.

Промышленность района представлена Ачинским глиноземным комбинатом и нефтеперерабатывающим заводом, а также другими предприятиями местного значения.

Электроэнергией промышленные предприятия города Ачинска и  Мазульского рудника питаются от Назаровской ГРЭС, работающей на бурых углях Назаровского и Березовского месторождений Канско-Ачинского бассейна.

Хозяйственно-питьевое водоснабжение  предприятий обеспечивается из центрального водозабора на реке Чулым с помощью  водовода. Подземные воды используют для поливки дорог. Водоснабжение  и теплоснабжение Мазульского известнякового рудника осуществляется по магистральным сетям от ТЭЦ ОАО «АГК».

Медицинское обслуживание ведет  поликлиника, расположенная на территории ОАО «АГК» в 2,5 км от карьера. В  распоряжении поликлиники имеется  служба скорой помощи. В здании АБК  Мазульского рудника действует медицинский пункт.

Мазульское месторождение известняков разрабатывается по транспортной системе с перемещением с помощью автотранспорта вскрышных пород во внешние отвалы, а кондиционного известняка на дробильную фабрику.

Для обеспечения АГК известняком  необходимого качества в карьере  ведется раздельная выемка высококремнистых включений путем совместного  рыхления с помощью БВР и селективной  экскавации.

 

Данные по карьеру:

 

Годовой объем работ А_г = 3,9 млн.т

 

Коэффициент вскрытия К_в = 4 м/м

 

Коэффициент крепости: полезного  ископаемого f_п.и = 14

породы      f_в.п = 19

 

Плотность в целике: полезного ископаемого γ_п.и = 1,8 т/м³

породы                           γ_в.п = 2,4 т/м³

 

Высота уступа: полезного  ископаемого Н_п.и = 17 м

породы                            Н_в.п = 20 м

 

Категория породы по ЕНиР – I

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Выбор, обоснование  и расчет бурового оборудования

 

Для создания наилучших условий использования средств механизации технологических процессов на открытых горных работах применяют различные способы подготовки горных пород к выемке: механический, гидравлический, физический, химический, комбинированный и взрывной. Выбор способа подготовки горных пород к выемке зависит, прежде всего, от вида, агрегатного состояния и свойств пород в массиве, мощности предприятия, наличия технических средств. Выемка мягких, песчаных и естественно мелкоразрушенных пород успешно производится всеми видами выемочно-погрузочного оборудования. При этом подготовка совмещена с выемкой и теми же средствами механизации.

Выемка плотных пород  также может осуществляться непосредственно  из массива выемочными машинами с  повышенным усилием копания.

Скальные и полускальные породы подготавливают к выемке взрывным способом, как наиболее эффективным  и универсальным. Процессами подготовки в этом случае являются бурение и  взрывание.

В настоящее время при  разработке месторождений полезных ископаемых открытым способом в основном применяют буровые станки вращательного (шнекового) бурения, шарошечные, ударно-вращательные, комбинированные, а в особых случаях (при глубине скважины более 50м) в крепких породах станки ударно-канатного бурения.

 

1.1. Расчет бурового  оборудования по вскрышным породам

 

1.1.1. Расчет параметров  бурения скважин

 

Диаметр скважины принимаем  с учетом обеспечения нормальной проработки подошвы уступа при данной высоте Н_у и угле откоса уступа α:

 

d_скв = = = 0,143 м,     (1)

 

где  γ – плотность  породы, т/м³;

       с –  минимальное допустимое расстояние  от оси скважины до верхней  бровки уступа, м;

       m – коэффициент сближения скважин, принимается в зависимости от трудности взрывания (табл. 5).

 

Исходя из рассчитанного  диаметра скважины (d_скв = 0,143 м), а также заданной высоты уступа (Н_у = 19 м), предварительно принимаем станок шарошечного бурения СБШ-250МНА-32 (прил. А).

 

Выбираем конструкцию  долота (табл. 1):

 

тип – ОК; породы – очень  крепкие хрупкие абразивные; исполнение шарошек – со вставными зубьями.

 

Таблица 1 – Типы шарошечных долот и область их применения

Тип	Породы	Исполнение шарошек
М	Мягкие (f < 4–5)	С фрезерованными зубьями
МЗ	Мягкие абразивные (f < 4–5)	Со вставными зубьями
С	Средней твердости (f = 5–6)	С фрезерованными зубьями
СЗ	Абразивные средней твердости	Со вставными зубьями
СТ	Средней твердости с пропластками твердых (f = 5–8)	С фрезерованными зубьями
Т	Твердые (f = 6–10) малоабразивные	С фрезерованными зубьями
ТК	Твердые с пропластками крепких (f = 8–10)	Комбинация фрезерованных  и вставных зубьев
ТЗ	Твердые вязкие абразивные (f = 8–14)	Со вставными зубьями
ТКЗ	Твердые абразивные с пропластками крепких	Со вставными зубьями
К	Крепкие породы (f = 12–14)	Со вставными зубьями
ОК	Очень крепкие хрупкие  абразивные (f > 12–14)	Со вставными зубьями

 

Долото (табл. 2):

 

III161-ОК-ПВ; схема опоры – Р-Ш-Ш; диаметр долота – 161 мм.

 

Таблица 2 – Шарошечные долота для горнорудной промышленности

Долото	Схема опоры	Стадии освоения
III98,4ОК	Ш-Ш-С	Серийное производство
III112ОКПВ	Ш-Ш-С	Серийное производство
III146Т-ПВ	Р-Ш-Ш	Освоение производства
III146-ОК-ПВ	Р-Ш-Ш	Серийное производство
III161Т-ПВ	Р-Ш-Ш	Серийное производство
III161-ОК-ПВ	Р-Ш-Ш	Серийное производство
III215,9М-ПГВ	Р-Ш-Р	Серийное производство
III215,9МЗ-ПГВ	Р-Ш-Р	Освоение производства
III215,9Т-ПВ	Р-Ш-Р	Серийное производство
III215,9ТЗ-ПВ	Р-Ш-Р	Освоение производства
III215,9ТКЗ-ПВ	Р-Ш-Р	Освоение производства
III215,9К-ПВ	Р-Ш-Р	Серийное производство
III215,9ОК-ПВ	Р-Ш-Р	Серийное производство
III244,5Т-ПВ	Р-Ш-Р	Серийное производство
III244,5ТЗ-ПВ	Р-Ш-Р	Освоение производства
III244,5К-ПВ	Р-Ш-Р	Серийное производство
III124,5ОК-ПВ	Р-Ш-Р	Серийное производство
III244,5ОК-ПВ-З	Р-Ш-УПО-Р	Серийное производство
III269,9Т-ПГВ	Р-Ш-УПО-Р	Освоение производства
III269,9ТЗ-ПГВ	Р-Ш-УПО-Р	Серийное производство

Окончание таблицы 2

III269,9ОК-ПВ	Р-Ш-Р	Серийное производство
III320Т-ПГВ	Р-Ш-Р-УПС	Серийное производство
III320ТЗ-ПГВ	Р-Ш-Р-УПС	Серийное производство
III320ОК-ПВ	Р-Ш-Р-УПС	Серийное производство

 

Рациональное осевое усилие на шарошечное долото можно определить по формуле:

 

Р_ос = ∙ К ∙ f ∙ d = ∙ 7 ∙ 16 ∙ 161 = 180 кН,       (2)

 

где  К = 6–8;

       f – коэффициент крепости породы;

       d – диаметр долота, мм.

 

Определяем техническую (механическую) скорость шарошечного бурения по формуле:

 

υ = = = 0,195 м/мин,       (3)

 

где  Р_ос – осевая нагрузка на долото, кН;

       ω –  частота вращения долота, с^-1 (табл. 3);

       К_фш – коэффициент формы зубьев шарошечного долота (для типа ОК –

К_фш = 1; К – К_фш = 1,3; ТЗ – К_фш = 2,25; Т – К_фш = 2,3; МЗ – К_фш = 2,5; М –

К_фш = 3).

 

Таблица 3 – Параметры  режимов бурения шарошечными  долотами

Диаметр долота, мм	Наружный диаметр штанг, мм	Нагрузка на долото, кН		Частота вращения долота, с-1		Расход сжатого воздуха, м3/с
		М, Т	ТЗ, К, ОК	М, Т	ТЗ, ТЗК, ОК, К
161	127	100–130	130–150	2,5–1,67	2–1	0,2–0,25
215,9	180	140–180	160–200	2,5–1,33	2–1	0,37–0,42
244,5	203; 215	180–220	180–250	2,5–1,33	2–1	0,42–0,53
269,9	219	200–270	250–300	2,5–1,33	2–1	0,58–0,67
320	273	300–350	350–500	2,5–1,33	2–1	0,83–1

 

Углубление долота на глубину  h можно определить по формуле:

 

h = = = 0,144 см,          (4)

 

где  υ – скорость бурения, см/мин;

       К_ск – коэффициент, учитывающий уменьшение υ из-за неполного скалывания породы между зубьями (К_ск = 0,5);

       Z_ш – число шарошек на долоте (Z_ш = 3);

       ω – частота вращения долота, об/мин.

 

Преодолеваемое вращателем сопротивление от сжимающих и скалывающих усилий при перекатывании шарошек:

 

Р_Z = h ∙ ∙ σ_бур ∙ Z_ш ∙ = 0,144 ∙ ∙ 1620 ∙ ∙ 3 ∙ =

(5)

= 56337 Н,

 

где  h – внедрение долота, см;

       d – диаметр долота, см;

       σ_бур – прочность породы при бурении, Па (табл. 4).

 

Таблица 4 – Характеристики горных пород по буримости

Породы	Плотность породы в целике, т/м3	Коэффи–циент крепости f	Предел прочности  σ ∙ 105, Па		Среднее значение прочности  породы при бурении  σб ∙ 105, Па
			на сжатие σсж	на скол σск
Мел, каменная соль, гипс, обыкновенный мергель, каменный уголь	2,28–2,65	2–4	340–800	24–230	182–515
Обыкновенный песчаник, конгломераты, плотный мергель, известняки	2,65–2,72	4–6	800–1000	230–250	515–625
Железные руды, песчаные сланцы, сланцевые песчаники, крепкие песчаники	2,72–2,84	6–10	1000–1400	250–320	625–860
Гранит, мрамор, доломит, колчедан, порфиры	2,84–2,89	10–12	1400–1800	320–440	860–1120
Плотный гранит, роговик	2,89–2,95	12–14	1800–2430	440–500	1120–1465

 

 

Окончание таблицы 4

Очень крепкий гранит, кварциты, самые крепкие песчаники и  известняки, роговики	2,95–3,00	14–16	2430–2720	500–520	1465–1620
Базальты, диабазы, исключительные по крепости породы	3,00–3,21	16–20	2720–3430	520–530	1620–1980

 

Момент, необходимый для  вращения долота и става штанг, находим  по формуле:

 

М_ш = Р_Z ∙ ∙ К_тр ∙ = 56337 ∙ ∙ 1,12 ∙ = 3386 Н∙м,     (6)

 

где  К_тр – коэффициент, учитывающий трение в подшипниках шарошек и бурового става о стенки скважины (К_тр = 1,12).

 

Определяем мощность двигателя  для привода вращателя:

 

N_вр = ∙ = ∙ = 49 кВт,         (7)

 

где  ω – угловая  скорость долота, рад/с;

       η_мех – КПД механизма вращателя (η_мех = 0,65).

 

Рассчитываем мощность привода  механизма подачи:

 

N_П = = = 47 кВт,           (8)

 

где  Р_ос – осевая нагрузка на долото, кН;

       υ_П – скорость подачи,

 

υ_П = 0,5 ∙ h ∙ ∙ 3 = 0,5 ∙ 0,00144 ∙ ∙ 3 = 0,184 м/с,        (9)

 

где  h – углубление долота, м;

      

        η_П – КПД механизма подачи (η_П = 0,65–0,75).

1.1.2. Расчет эксплуатационных  показателей буровых станков

 

Сменную производительность бурового станка определяем по формуле:

 

Q_см = = = 54 м,                 (10)

 

где  К – коэффициент эффективного использования станка в течение смены

(К = 0,7–0,9);

       Т_с – продолжительность рабочей смены, с;

       υ –  техническая (механическая) скорость  бурения, м/с;

       t_в – время, затрачиваемое на вспомогательные операции и отнесенное к единице длины скважины, с/м (t_в = 90 с/м).

 

Теперь определяем годовую  производительность станка:

 

Q_год = (Т_к – Т_в – Т_кл – Т_рем – Т_п) ∙ n_см ∙ Q_см =

         (11)

= (365 – 54 – 50 – 40 – 30) ∙ 3 ∙ 54 = 30942 м,

 

где  Т_к – календарное количество дней в году;

       Т_в – количество выходных дней в году;

       Т_кл – количество дней простоя по климатическим причинам;

       Т_рем – количество дней на планово-предупредительный ремонт;

       Т_п – количество праздничных дней в году;

       n_см – количество смен в сутки.

 

Рабочий парк буровых станков:

 

N_бс = = = 10,8 (принимаем 11 станков),      (12)

 

где  А_гм – годовая производительность карьера по горной массе,

 

А_гм = А_пи ∙ К_в = 12 ∙ 10⁶ ∙ 2,1 = 25,2 ∙ 10⁶ т;                 (13)

 

        φ  – выход горной массы с 1 м скважины,

 

φ = = = 32,7 м³,     (14)

 

где  W – линия сопротивления по подошве,

 

W = ∙ К_в ∙ d_c ∙ = ∙ 1,1 ∙ 0,1771 ∙ = 6,3 м,       (15)

 

где  β – угол наклона  скважины, град (β = );

       К_в – коэффициент, учитывающий взрываемость пород в массиве (табл. 5);

      d_с – диаметр скважины,

 

d_с = К_р.с. ∙ d_д = 1,1 ∙ 0,161 = 0,1771 м,               (16)

 

где  К_р.с. – коэффициент расширения скважины при бурении (К_р.с. = 1,05–1,2);

       d_д – диаметр долота, м;

 

      Δ – плотность  заряжания ВВ в скважине, кг/м³ (табл. 6);

      m – коэффициент сближения зарядов (табл. 5);

      γ – плотность  породы, кг/м³;

      К_вв – переводной коэффициент от аммонита №6ЖВ к принятому ВВ

(табл. 6);

 

       b – расстояние между рядами скважин (b = a, т.к. квадратная сетка скважин);

       n_р – число рядов скважин (табл. 7);

       а –  расстояние между скважинами  в ряду,

 

а = m ∙ W = 1 ∙ 6,3 = 6,3 м;                   (17)

 

       L_с – длина скважины,

 

L_с = = = 23,1 м,                   (18)

 

где  l_п – длина перебура,

 

l_п = (0,1–0,25) ∙ Н_у = 0,21 ∙ 19 = 4 м.                 (19)

 

Таблица 5 – Коэффициенты для расчета параметров скважинных зарядов

Наименование	Породы
	легко-взрываемые	средне-взрываемые	трудно-взрываемые
Коэффициент сближения зарядов, m	1,1–1,2	1,0–1,1	0,85–1,0
Коэффициент,  учитывающий  взрываемость пород, Кв	1,2	1,1	1,0
Коэффициент, зависящий от взрываемости пород, К	5–6	3–4	1,5–2,5

 

Таблица 6 – Характеристика ВВ

ТипВВ	Плотность ВВ, г/см3	Переводной коэффициент  Квв
Акватол Т-20	1,25-1,3	1,28
Алюмотол	0,95-1,0	0,84
Гранулит С-6М	1,0-1,05	1,11
Гранулит АС-4	0,85-0,9	0,98
Гранулш- АС-4В	0,8-0,85	0,98
Гранулит М	0,78-0,82	1,13
Гранулотол	0,9-0,95	1,2
Граммонит 50/50	0,85-0,9	1,01
Граммонит 30/70	0,85-0,9	1,17
Граммонит 79/21	0,8-0,85	1,0
Игданит	0,8-0,9	1,11
Ифзанит Т-20	1,25-1,3	1,28
Карбатол 15Т	1,4-1,5	1,12
Карбатол ГЛ-10В	1,55-1,6	0,8
Аммонит №-6ЖВ	0,85-0,9	1,0
То же в полиэтиленовых патронах	1,0-1,2	1,0
Акванал А-10	1,4-1,45	1,06
Акванал ГЛА-20	1,5-1,58	0,8
Аммонал скальный № 3	1,0-1,1	0,84
Гранитол 1	0,9-0,95	1,16