В обозримой перспективе угольная составляющая в топливно-энергетическом балансе страны по-прежнему будет занимать ключевые позиции. Сложности переходного периода последнего десятилетия постепенно преодолеваются, что в наибольшей степени ощутимо в открытой угледобыче и тяжелом горном машиностроении. В практике производства на угольных разрезах осваиваются или намечаются к внедрению в ближайшее время новые решения в технике и технологии открытых горных разработок, нетрадиционные методы управления прочностными и структурными свойствами экскавируемых пород.
К числу наиболее заметных инженерных новаций в упомянутой области угольной промышленности есть все основания отнести: выемочно-погрузочные машины типа КСМ-2000Р и технологии поточной организации работ, реализуемые на их базе [1; 2; 3]; поколение новых гидравлических экскаваторов, известных под товарной маркой «LB», обладающих повышенными энергосиловыми возможностями не только по сравнению с мехлопатами, но и с экскаваторами, имеющими традиционную конструктивную схему гидрофицированного рабочего оборудования [4, 5]; способы физико-химической безнапорной пропитки массивов горных пород, что в конкретной горно-технической ситуации либо позволяет осуществлять безвзрывную экскавацию горного массива, либо производить комбинированную подготовку пород к отработке с использованием поверхностно-активных и взрывчатых веществ, значительно сокращая при этом расход последних, уменьшая объемы бурения и улучшая качество подготовленной к экскавации горной массы [6; 7; 8].
Реализуемыми и формируемыми на 1999-2003 годы программами технического перевооружения отечественных действующих и строительства новых угольных разрезов все в больших масштабах предусматривается применение в практике открытой угледобычи новых технико-технологических решений. Это обуславливает необходимость более скрупулезного отношения к определению степени их совершенства. Концептуальные подходы к выбору критериев оценки продолжают совершенствоваться, но при этом приоритеты, бесспорно, остаются неизменными [9].
Качество намечаемых инженерных решений не может определяться только уровнем локальной отраслевой экономической эффективности. В регионах с активной техногенной деятельностью главенствующими признаками являются минимизация экологической нагрузки на окружающую среду и рациональные режимы природопользования. При этом степень совершенства того или иного технико-технологического варианта производства горных работ оценивается уровнем ресурсозатрат на этапах полной и качественной выемки твердого топлива и релаксации первоначальных параметров ноосферы после завершения деятельности отдельного участка или угольного разреза в целом.
К числу наиболее значимых критериев при выборе предпочтительного варианта, помимо упомянутых, относятся: достигаемый уровень производительности труда, как определяющий фактор состояния социально-экономической обстановки; материалоемкость комплексов основного технологического оборудования, поскольку, в конечном счете, производство используемых конструкционных и расходных материалов сопровождается расходом ресурсов смежных отраслей промышленности.
Конечно, важным показателем при проведении экспертных оценок качества инновационных проектов является величина эксплуатационных издержек, как правило, исчисляемая в абсолютных показателях.
На относительно небольших по глубине интервалах времени такого рода подход при выборе предпочтительной альтернативы оказывается достаточно обоснованным и корректным. Хотя необходимо учитывать субъективность сопоставляемых стоимостных показателей, что является следствием складывающейся конъюнктуры рынка в конкретный текущий период времени, в том числе, в области привлекаемых инвестиционных ресурсов.
В этой связи, более объективной является оценка эксергетических показателей функционирования производственного процесса [10]. При этом случае сопоставление энергетических показателей, как обобщенной количественной меры форм движения материи, позволяет оценить адекватность задалживаемых энергоресурсов («эне-ргопоглощение» [11]) величине энергопотенциала, формируемого добываемым твердым топливом.
В последнее время, вполне обоснованно, все большее внимание на этапах предпроектных проработок альтернативных технических решений уделяется степени энергопоглощения в основных технологических процессах.
Управление этим параметром в циклах транспортировки горной массы имеет весьма лимитированные возможности (для транспортных систем разработок исследуемые альтернативы сводятся к анализу показателей применения колесного или конвейерного транспорта различных модификаций). Помимо этого, энергопоглощение в процессах транспортировки горной массы, как правило, обусловлено литологией месторождения, рельефом местности, горнотехническими условиями, в которых предстоит функционировать угольному разрезу, как фрагменту технологической цепи топливно-энергетического комплекса.
Существенно большие возможности активного влияния на результативные социально-экологические и технико-экономические показатели предприятий открытой угледобычи имеются в области выбора рациональных приемов ведения горных работ и комплектации структур механизации в технологических процессах подготовки и экскавации массивов горных пород.
С появлением упомянутых ранее новых методов и технических средств организации выемочно-погрузочных работ, особую значимость при выборе предпочтительного варианта их производства приобретают обеспечиваемые эксергетические показатели и степень энергопоглощения при подготовке горного массива и экскавации отрабатываемых пород.
До недавнего времени практически повсеместно на отечественных угольных разрезах применялась технология, предусматривающая предварительное буровзрывное рыхление массива крепких горных пород и последующие выемочно-погрузочные работы с использованием традиционных механических лопат типа ЭКГ.
Hа рис. 2 представлен график взаимосвязи энергопоглощения и прочностных свойств разрабатываемого горного массива при его буровзрывной подготовке и последующей экскавации мехлопатами типа ЭКГ. Эта зависимость W=f(σсж) является обобщенной по результатам многолетних наблюдений для машин с ковшами вместимостью от 4.6 до 15 м3. Конечно, при использовании мехлопат с реечным или канатным механизмом напорного устройства, а также для машин с различной конструктивной массой и модификациями линейных параметров рабочего оборудования, уровень энергопоглощения при экскавации горной массы варьируется в достаточно широком диапазоне.
Тем более, что в качестве обобщающего показателя прочностных и структурных свойств пород принимается предел прочности на сжатие σсж и косвенным образом учитываются вязкопластичные характеристики отрабатываемых литологических разностей (зависимость установлена для пород с отношением пределов прочности на сжатие и растяжение σраст, изменяющимся в пределах от 7 до 11 ед.). При установлении анализируемой зависимости предполагается следующее.
Удельное энергопоглощение (та часть энергии, которая идет на совершение необходимой по технологии полезной работы и как бы поглощается единицей количества горной породы) при буровзрывной технологии разработки складывается из энергопоглощения на бурение:
взрывное дробление массива и формирование развала горной массы необходимых параметров:
где E — модуль упругости, Па;
ρ — плотность горной породы, кг/м3.
В первой формуле при бурении шарошечным станком энергия расходуется на измельчение горной породы в скважине в степени n’=dскв/dч, преодолевая сопротивление породы на сжатие σсж, удаление продуктов бурения из скважины; dскв — диаметр скважины, мм; dч — диаметр продуктов разрушения горной породы при бурении, мм; Lскв — глубина скважины, м.
Учитывая, что затраты энергии на бурение необходимо отнести к единице взорванной массы, в формуле энергопоглощения процесса бурения это учитывается через отношение объема бурения к величине взрываемого блока:
где Vбур — объем бурения, м3;
Vбл— объем взрываемого блока, м3;
nскв — число скважин взрываемого блока;
Sскв — площадь взрывной скважины, м2;
h — высота уступа, м;
Bбл и Lбл — ширина и длина взрываемого блока, м.
Взрывное разрушение массива происходит в основном в результате преодоления сопротивления породы на растяжение. Энергопоглощение разрушения породы пропорционально степени дробления массива, т.е. отношению размера естественной блочности (dотд) к необходимой для эффективности экскавации величине среднего диаметра куска (dср) взорванной горной массы, определяется как:
Второе слагаемое в формуле энергопоглощения при взрывной технологии разработки горных пород учитывает удельную энергию на создание необходимого для эффективной экскавации разрыхления взорванной горной массы (kp) в развале:
Третье слагаемое при взрывном дроблении массива позволяет учесть удельную энергию на создание развала горной массы с параметрами, определяемыми по условиям безопасности и эффективности процесса экскавации:
где c — расстояние первого ряда скважин от верхней бровки уступа, м;
α — угол откоса уступа, град.;
кр — коэффициент разрыхления горной массы в развале;
hр — допустимая по безопасности высота развала горной массы в забое, м.
На рис.2 приведена также обобщенная графическая интерпретация взаимосвязей степени энергопоглощения и прочностных свойств горного массива при условии его комбинированного разупрочнения (с использованием взрывчатых и водных растворов поверхностно-активных веществ) с последующей экскавацией с использованием мехлопат и карьерных гидравлических экскаваторов типа «LB».
Известно [8], что эффективность методов физико-химического воздействия на прочностные характеристики обрабатываемого горного массива зависит от его структурного строения и степени анизотропности.
В условиях постоянства поверхностной энергии и модуля упругости, прочность пород обратно пропорциональна квадратичной величине пустотности, трещиноватости, пористости, дефектности и др., которые в разной степени предоставляют водным растворам разупрочнителя возможности модифицировать внутреннюю поверхность пород за счет формирования адсорбционных и смачивающих пленок.
В связи с этим величина разупрочнения горного массива зависит от степени наполнения порового пространства породы модифицирующим раствором: чем меньше незаполненный поровой объем породы, тем выше степень разупрочнения (рис. 3).
Снижение прочности пород после воздействия разупрочняющих растворов поверхностно-активных веществ приводит к уменьшению энергии разрушения пород.
В табл.1 приведены типичные значения характеристик пород до и после воздействия разупрочняющих растворов. Прочность при сжатии и прочность при растяжении определяются по ГОСТ 21153.3-85; коэффициент хрупкости оценивается величиной kхр=σсж/σраст; удельная энергоемкость разрушения вычисляется по формуле:
Здесь же приведена информация о степени разупрочнения (kраз — отношение прочности при растяжении образцов после обработки на прочность при растяжении до обработки) и о показателе способности пород к хрупкому разрушению:
где µисх,mобр — коэффициент Пуассона исходной и обработанной породы.
Как следует из приведенных расчетных данных, при комбинированной опережающей физико-химической обработке горного массива уровень энергопоглощения существенно понижается, что в основном обеспечивается: сокращением на 30-40% расхода взрывчатых веществ; на 5-10% — объемов буровых работ, необходимых для закладки как заливочных, так и взрывных скважин по значительно разреженной сетке, по сравнению с аналогичным показателем при традиционной буровзрывной обработке массива крепких горных пород.
Помимо этого, при комбинированной подготовке горного массива к выемке, как показывают результаты многочисленных испытаний в широком диапазоне горно-геологических условий, значительно улучшается качество экскавируемого материала: долевое участие фракций с диаметром условного куска 0.3-0.4 м возрастает примерно на 15%; кратно уменьшается выход негабаритов (в среднем в 4 раза). Это обстоятельство позитивно отражается не только на энергоемкости процесса экскавации, но и на производительности и надежности эксплуатации выемочно-погрузочных машин.
С появлением в практике открытой угледобычи машин нового поколения типа КСМ значительно расширяются возможности безвзрывной экскавации массивов горных пород. Опыт применения первой в мировой практике машины КСМ-2000Р (рис. 1) на разрезе «Талдинский» (введена в эксплуатацию в июне 1996 г.) убедительно доказывает возможность и эффективность применения этого типа выемочно-погрузочных машин при отработке массивов горных пород со средневзвешенными значениями предела прочности на сжатие до 80 МПа.
При этом, фрагментарно забои, отрабатываемые КСМ-2000Р (высотой до 3.0 м и шириной до 7.0 м) в ходе испытаний, были представлены песчаниками мощностью до 0.8 м с σсж=90-100 МПа, минерализованными пропластками сидеритов мощностью 0.15-0.3 м с σсж достигающим 130 МПа. Конечно, отработка таких забоев сопровождалась снижением производительности КСМ-2000Р, но при этом неизменно регистрировалась надежная и устойчивая работа машины (коэффициент динамичности привода не превышал 1.38).
Разработанные технологические схе-мы послойно-полосовой безвзрывной отработки горных массивов с использованием машин типа «КСМ» и с полной конвейеризацией транспорта экскавируемого материала позволяют вне зависимости от конструктивных линейных параметров машин «КСМ» формировать системы разработок с требуемыми характеристиками рабочей зоны [2], задаваемыми темпами годового подвигания фронта работ.
Как показали результаты расчетных и натурных экспериментов, область безвзрывных технологий отработки массивов крепких горных пород с применением машин типа «КСМ» может быть существенно расширена за счет применения опережающей безвзрывной обработки горного массива с использованием разупрочняющих растворов поверхностно-активных веществ соответствующего состава и концентрации [5; 6].
При этом происходит не только улучшение энергосиловых и эксплуатационных характеристик выемочно-погрузочной техники, но и практически исключаются предпосылки к образованию крупнокускового материала в рабочем процессе КСМ-2000Р (рис. 4).
Приведенные на рис. 2 графики зависимостей энергопоглощения КСМ-2000Р от прочностных характеристик горного массива, отрабатываемого по безвзрывной технологии, убедительно доказывают предпочтительность новых средств механизации перед традиционными мехлопатами типа ЭКГ и гидравлическими экскаваторами (в последнем случае — при пределах прочности пород на сжатие до 90 МПа).
Если же принять к сведению, что стоимость энергоносителей, используемых при производстве взрывных работ, примерно в 4 раза выше, чем затраты, связанные с энергопоглощением в процессе экскавации, то справедливо предположить предпочтительность «КСМ» перед одноковшовыми экскаваторами различных модификаций во всем диапазоне прочностных свойств горных пород, характерных для условий разработки угольных месторождений. При этом, на этапе выбора предпочтительного типа экскавационной техники, решающим аргументом является возможность формирования протяженных фронтов горных работ, необходимых для использования машин типа «КСМ» в технологиях сопряженной работы со средствами конвейерного транспорта, а также директивно задаваемые темпы подвигания и углубки фронтов горных работ.
Вместе с тем, в конкретной горнотехнической обстановке, с точки зрения величины энергопоглощения и стоимостных показателей по процессам подготовки и экскавации сложноструктурного горного массива, может оказаться предпочтительным вариант применения машин типа «КСМ» при сопряженной работе со средствами колесного транспорта. Это хорошо иллюстрируется данными сопоставительного анализа (табл. 2), проведенного с использованием результатов исследований, выполненных под руководством акад. В.Рудольфа (фирма «KRUPP Fordertechnik», Германия).
Как следует из данных табл. 2, энергопоглощение в процессах экскавации и транспортировки горной массы к месту разгрузки для машин типа КСМ-2000Р примерно на 40% выше по сравнению с аналогичными показателями при работе карьерных гидравлических экскаваторов с традиционной конструкторско-компоновочной схемой рабочего оборудования. Это связано как с существом рабочего процесса КСМ-2000Р, когда режущим инструментом сначала разрушается массив, а затем ковшами роторных колес экскавируемая порода передается на конвейерный тракт выемочно-погрузочной машины, так и с тем, что протяженность этого тракта в плане достигает 50 м, а высота подъема горной массы — до 16 м (максимальная высотная отметка головки разгрузочной консоли КСМ-2000Р).
Вместе с тем, упомянутая разница в величинах энергопоглощения полностью перекрывается энергопоглощением в процессе буровзрывной подготовки горного массива к экскавации. Если же предположить, что этот массив представлен полезным ископаемым, то необходимо учесть энергопоглощение в процессе додрабливания твердого топлива, экскавируемого одноковшовой машиной до фракционного состава, обеспечиваемого в рабочем процессе КСМ-2000Р.
Таким образом, энергопоглощение выемочно-погрузочных работ с использованием машин нового поколения типа «КСМ» не менее чем на 5% сокращается при отработке вскрышных пород, а при отработке угольных пластов эта разница достигает 23%.
В зарубежной практике стоимость энергоресурсов, воспроизводимых с использованием взрывчатых веществ, достигает 0.6 USD на 1 кВт·час, в то время как по прочим статьям энергозатрат (бурение, экскавация, транспортировка) этот показатель в среднем не превышает 0.25 USD на 1 кВт·час. С учетом этого, в стоимостном выражении эффективность рабочего процесса КСМ-2000Р более чем в три раза превосходит показатели, обеспечиваемые при использовании одноковшовых экскаваторов.
Возвращаясь к тенденциям, характеризуемым графическими зависимостями рис.2, необходимо отметить, что интенсивность увеличения энергопоглощения в процессах подготовки и экскавации горной массы с возрастающими прочностными характеристиками в наибольшей мере проявляется при использовании методов буровзрывной подготовки и мехлопат традиционных типов.
Градиент (интенсивность роста) показателя энергопоглощения Wi=f(σсж) при использовании гидравлических экскаваторов типа «LB» (рис.5) и выемочно-погрузочных машин КСМ-2000Р в среднем на 15% ниже, что характеризует как существенно более высокие энергосиловые ресурсы техники новых поколений, так и прогрессивность физико-химических методов управления состоянием горного массива.
Применительно к реалиям отечественной практики открытой угледобычи укрупненно можно считать, что замещение технологии буровзрывной подготовки и экскавации с использованием мехлопат типа ЭКГ позволяет: при безвзрывной отработке массивов горных пород с σсж не более 40 МПа экономить до 1.5 деноминированных рублей на 1 м3 продукции; при отработке предварительно разупрочненного массива со средневзвешенными значениями σсж = 80 МПа с использованием поверхностно-активных веществ условная экономия возрастает до 3.2 руб. на 1 м3.
Если сопоставить степень энергопоглощения традиционной технологии (ЭКГ и буровзрывная подготовка) с аналогичным показателем при работе гидравлических машин типа «LB» в забоях, предварительно подготовленных к экскавации методами комбинированного воздействия (с уменьшенным расходом взрывчатых веществ и опережающей обработкой разупрочняющими растворами поверхностно-активных веществ), следует констатировать следующее.
Сокращение энергопоглощения высвобождает в энергетическом цикле трансформации энергопотенциала твердого топлива (со средней теплотворной способностью 6000 ккал/кг) до 0.5% намечаемых объемов в открытой угледобыче.
Это означает, что в перспективе, планируемой на глубину 12-15 лет, отечественная открытая угледобыча может быть освобождена от необходимости ввода в эксплуатацию, примерно, трех новых угольных разрезов с годовой нагрузкой по 2.5 млн.т угля каждый только за счет массового освоения в практике машин новой концепции типа «LB» взамен традиционных мехлопат ЭКГ с ковшами вместимостью от 8-10 до 12-14 м3. Применительно к сложившейся практике строительства новых производственных мощностей это предопределяет условную экономию примерно 25 млрд. деноминированных рублей.
Принимая во внимание, что в планируемой перспективе в Ерунаковском геолого-экономическом районе, Забайкалье, Южной Якутии и Дальневосточном регионе может быть внедрено не менее 10-12 технологических комплексов на базе машин КСМ-2000Р с полной конвейеризацией транспорта (с годовой нагрузкой по 2.7-3.0 млн.т угля каждый), тем более очевидной становится прогрессивность концепции широкого освоения новых решений в технике и технологии горного производства.
Изложенное позволяет утверждать правомерной ориентацию на широкое освоение безвзрывных технологий отработки породно-угольных массивов, что актуально с технологических, экологических и экономических позиций.
