В настоящее время используется на практике несколько способов оценки качества взрывной подготовки горных пород к экскавации. Среди них наиболее распространенными являются два: фотопланиметрический способ и способ непосредственного замера. Кроме названных существует еще и энерготехнологический способ, основанный на определении энергозатрат при ведении горных работ [1, 2, 3, 4]. Отличие этого способа от остальных состоит в том, что качество подготовки забоя к экскавации оценивается по показаниям энергосчетчиков, по которым представляется возможным оценивать и степень механической нагруженности металлоконструкций экскаваторов и устанавливать скорость развития трещин [5].
С целью установления взаимосвязи между удельным энергопотреблением экскаваторов, длительностью образования трещин в металлоконструкциях и скоростью их роста на разрезах Кузбасса были проведены экспериментальные исследования. В качестве объектов исследования были выбраны экскаваторы типа ЭКГ-12,5, ЭКГ-15 с ковшом 18 м3 (дальше по тексту ЭКГ-15(18)) и ЭШ-13/50 и ЭШ 10/70.
При определении общего потребления электроэнергии использовались стандартные счетчики переменного тока СА-3, которые устанавливались в энергораспределительные ячейки экскаваторов. Эксперименты проводились в забоях с разным грансоставом взорванной горной массы.
На исследуемые элементы металлоконструкций экскаваторов в зонах интенсивного образования трещин наклеивались тензорезисторы, электросигналы которых в процессе экскавации регистрировались с помощью шлейфового осциллографа. Расшифровка полученных осциллограмм позволила оценить деформации металла и определить изменения уровня напряжения в этих зонах.
В результате исследований были установлены зависимости энергопотребления экскаваторов от грансостава пород.
При изменении диаметра среднего куска взорванной горной массы от 0,3 м до 0,5 м энергопотребление экскаваторов в среднем возрастало в 1,3 раза.
С целью расчета затрат энергии экскаваторами на выполнение полезной работы были проведены замеры затрат электроэнергии при имитации работы. Затраты энергии на выполнение полезной работы равны разности между полной работой и работой имитирующей процесс экскавации. Эти затраты электроэнергии составляли для ЭКГ-12,5, ЭКГ-15(18), ЭШ 13/50 соответственно 460 кВт; 505 кВт, 615 кВт.
Общие удельные энергозатраты экскаваторов на экскавацию 1 м3 горной массы определялись расчетным путем на основе использования полного энергопотребления экскаваторов. В зависимости от грансостава пород они изменялись в следующих пределах: ЭКГ-12,5 - от 0,5 до 0,9 кВтч/м3; ЭКГ-15(18) - от 0,6 до 1,0 кВтч/м3; ЭШ 13/50 - от 1,4 до 1,9 кВтч/м3.
Удельные энергозатраты на экскавацию 1 м3 горной массы соответствующие совершаемой полезной работе определялись аналогично предыдущему параметру и они составляли в зависимости от грансостава: ЭКГ-12,5 - 0,18¸0,29 кВтч/м3; ЭКГ-15(18) - 0,17¸0,27 кВтч/м3; ЭШ 13/50 - 0,31¸0,58 кВтч/м3.
Нагруженность металлоконструкций экскаваторов существенно зависит от коэффициента разрыхления пород (Кр), величина которого изменяется как по ширине, так и по высоте развала. В результате исследования отмечено, что энергозатраты на операцию черпания изменялись изменению в зависимости от Кр по степенному закону. Так, для драглайна ЭШ 13/50 при dср = 0,45 м и Кр = 1,15 удельные энергозатраты были равны 0,8 кВтч/м3, при Кр = 1,3 - 0,5 кВтч/м3, Кр = 1,5 - 0,4 кВтч/м3.
Для оценки числа дополнительных циклов нагружения, возникающих в металлоконструкциях экскаваторов при разработке некачественно подготовленных забоев, было проведено сравнение потребляемой электроэнергии при разработке развалов пород с разным качеством подготовки. В некачественно подготовленных забоях присутствуют крупные, некондиционные куски в большем количестве, на экскавацию которых требуется большое число дополнительных движений ковша и большее количество электроэнергии. За базовый забой принимался забой с dср = 0,3 м и Кр = 1,35, число некондиционных кусков в некачественных забоях определялось теоретическим методом и при помощи фотопланометрии. В результате были получены зависимости между потребляемой экскаватором электроэнергией и числом дополнительных циклов нагружения при работе экскаваторов в некачественно подготовленном забое.
Эти зависимости показывают с увеличением потребляемой электроэнергии нарастает и число дополнительных циклов нагружения. Для экскаваторов прямая лопата зависимости от марки при увеличении энергопотребления с 0,4÷0,5 кВт×ч/м3 до 0,7÷1,0 число дополнительных циклов возрастает в 1,5÷1,7 раз. У драглайнов этот же параметр возрастает в 1,9÷2,0 раза при росте удельного расхода электроэнергии с 1,0÷1,8 до 2,5÷4 кВт×ч/м3.
В результате выполненных на разрезах Кузбасса исследований установлено, что при взрывной подготовке горных пород к экскавации максимальная производительность экскаватора обеспечивается при условии, когда средний диаметр куска в развале не превышает 0,3÷0,4 м. Однако, в отдельных случаях при ведении взрывных работ имеют место отказы, приводящие к некачественной подготовке забоя, и соответственно увеличению среднего диаметра куска во взорванной горной массе до 0,5 м. Это обстоятельство приводит к увеличению расхода удельной электроэнергии и числа дополнительных циклов нагружения металлоконструкций экскаваторов по сравнению с качественно подготовленным забоем.
Для оценки долговечности металлоконструкций экскаваторов по энерготехнологическим характеристикам был проведен анализ циклограмм изменения их нагруженности в зависимости от качества подготовки пород к экскавации. На основании этого были получены зависимости, позволяющие по удельным энергозатратам определять скорость роста трещин в различных металлоконструкциях экскаваторов, и тем самым оценивать долговечность.
Типичной трещине длиной 0,0015 м развивающейся в ходовой тележке экскаватора ЭКГ-15(18) со скоростью 4×10-7 м/цикл соответствовали удельные энергозатраты 0,35 кВтч/м3, а для аналогичной трещины в верхней секции стрелы драглайна ЭШ 13/50 такая же скорость достигается при энергозатратах равных 0,4 кВтч/м3.
Выполненные исследования позволяют по энерготехнологическим характеристикам оценивать механическую нагруженность металлоконструкций экскаваторов, их долговечность, предотвращать неожиданные отказы работы, продлевать период безаварийной эксплуатации и увеличивать общий срок службы.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
- Тангаев И.А. Энергетические основы оптимизации технологических процессов открытых горных работ. Автореферат диссертации на соискание степени доктора технических наук. Фрунзе. Фрунзенский политехнический институт. 1988. С. 32.
- Голубев В.Ф. Влияние горно-технических условий на энергоемкость экскавации. / В.Ф. Голубев, В.Я. Лидес, В.Ф. Захаров. // Горный журнал. 1985 г., № 3. C. 49-50.
- Васильев И.В. Определение энергоемкости экскавации горной массы и целесообразности ее снижения. / И.В. Васильев, Г.И. Данилиди, Д.С. Чумбуридзе, В.А. Косинцев. // Горный журнал. 1990 г., № 8. С. 46-47.
- Носырев М.Б. Удельный расход электроэнергии экскаватором-драглайном за период рабочего цикла. / Горный журнал-Известие Вузов. 1987 г. № 2, C. 105-110.
- Паначев И.А. Оценка качества подготовки забоя к экскавации по величине энергоемкости процессов. / И.А. Паначев, М.Ю. Насонов, М.В. Беленко // Материалы III международной научно-практической конференции «Наукоемкие технологии добычи и переработки полезных ископаемых», Новосибирск, апрель 2003, С. 26-28.
- Насонов М.Ю. Оценка долговечности металлоконструкций экскаваторов по энергопотреблению в процессе работы. / Материалы XII международной научно-практической конференции "Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири" г. Кемерово, ГУ КузГТУ, 20-21 ноября 2008 г., 463 с., С. 175-179.