Обоснование эффективных технологий открытых горных работ на основе совершенствования процесса выемки пород

Горнодобывающаяпромышленность является ведущей отраслью народного хозяйства нашей страны. Объем добычи твердых полезных ископаемых приближается к 20 млрд. т/год [1]. Весомый вклад в общий объем добычи полезных ископаемых вносит Дальневосточный регион. Дальний Восток богат различными полезными ископаемыми (олово, золото, платина, серебро, железо, марганец, медь, титан, вольфрам, свинец, цинк, молибден, уран, флюорит, угли разных марок, разнообразные строительные материалы, химическое сырье) [2]. Однако начиная с 1987 г., в горнорудной промышленности России, включая и Дальний Восток, наметилась тенденция сокращения производства практически всех основных металлов и угля [3, 4, 5, 6, 7]. К началу 90-х годов горнодобывающая промышленность России, как и другие виды промышленности, попала в полосу глубокого кризиса, вызванного высокими издержками производства и отсутствием рынков сбыта произведенной продукции.

Распад СССР и нарушение хозяйственных связей, многочисленные ошибки в переходном периоде к цивилизованным рыночным отношениям сыграли дополнительную деструктивную роль на ход социально-экономических процессов в горнодобывающей промышленности. За характеризуемый период устарело технологическое оборудование, а изношенность морально устаревшей горной техники на отдельных карьерах достигла 70%. Из-за ограничения источников финансирования и резкого снижения объемов геолого-разведочных работ наметилась тенденция уменьшения прироста запасов минерального сырья. На внутреннем и внешнем рынках существенно поменялись конъюнктура потребления металлов и угля. Сложившиеся современные рыночные условия в России, в том числе и на Дальнем Востоке, вызывают необходимость существенного снижения себестоимости товарной продукции горных предприятий.

Открытый способ разработки месторождений полезных ископаемых оказывает серьезное негативное влияние на состояние окружающей среды, вызывая ландшафтные и аэрологические изменения загрязнением прилегающих к горному предприятию территорий, воздушного и водного бассейнов.

Целесообразно рассматривать два направления повышения рентабельности освоения месторождений полезных ископаемых. Первое направление связано с отработкой богатых месторождений полезных ископаемых, при этом в недрах останется бедное по содержанию минеральное сырье, которое, вероятнее всего, в перспективе будет уже не востребовано. Этот путь освоения месторождений был широко распространен в СССР и в достаточно больших масштабах практикуется в настоящее время на месторождениях Дальнего Востока.

Второе направление — это повышение рентабельности горных работ за счет внедрения новой горной техники и прогрессивных технологий добычи и переработки минерального сырья.

Актуальность работы. Применяемые в настоящее время технологии и технические средства в большинстве своем не соответствуют комплексу современных требований экономики, экологической и социальной безопасности. На россыпных месторождениях природного, природно-техногенного и техногенного типов применяется чаще всего бульдозерный способ выполнения вскрышных и добычных работ. Известно, что бульдозеры являются неэффективными с точки зрения энергозатрат машинами, поскольку перемещают горную массу волоком. Кроме того, эффективная дальность перемещения горной массы бульдозерами мала, что требует частой перестановки промывочного оборудования. Применение более мощных бульдозеров с целью повышения эффективности добычных работ даже на техногенных россыпях, где требуется валовое перемещение породы, не приносит существенной экономии, поскольку более мощная техника не комплектуется по производительности с существующим промывочным оборудованием. Практика вскрышных и добычных работ на россыпных месторождениях настоятельно требует снижения затрат на эти виды работ путем применения новой менее энергоемкой техники, модернизации промывочного оборудования первичного обогащения и совершенствования технологий добычи.

На угольных месторождениях вскрышной слой состоит преимущественно из наносных пород. Глинистые, суглинистые, супесчаные породы в вскрышном слое характерны для Лучегорского, Ерковецкого, Райчихинского и других месторождений, а достаточно крепкие песчаники (с коэффициентом крепости ?=6 по шкале М.М. Протодьяконова), например, для Ургальского месторождения. Для первого ряда угольных месторождений разупрочнение вскрышного слоя осуществляется с применением буровзрывных работ в зимний период, а для второго круглогодично. Установлено, что механический способ разрушения мерзлых и пород средней крепости путем резания (рыхления), например, навесными рыхлителями на базе тракторов промышленного назначения или фрезерными машинами в 1,7.2 раза дешевле, чем буровзрывной способ. Буровзрывной способ, кроме того, является одним из самых вредных по воздействию на окружающую среду. В данном случае так же важно снизить затраты на вскрышные и добычные работы путем внедрения на угольных месторождениях безвзрывных, экологически чистых технологий и прогрессивной горной техники для разупрочнения и выемки пород.

Аналогичные недостатки существуют при освоении других месторождений, например, при вскрыше и промывке алмазосодержащих песков Якутии, вскрыше месторождений флюоритов (Приморский край), бокситов (Кольский полуостров) и т. д. В связи с этим проблема повышения эффективности и экологической безопасности разработки месторождений с коэффициентом крепости породы < 8 по шкале М. М. Протодьяконова требует научно обоснованных технических и технологических решений по созданию и применению новых выемочных и выемочно-транспортирующих машин, схем выемки и перемещения разрушенной горной массы на карьерах.

Решению этой проблемы посвящена настоящая диссертационная работа и ее решение может быть найдено путем исследования процесса выемки пород различного состояния и состава резанием (рыхлением), черпанием, выгрузкой, перемещением горной массы, совершенствования этого процесса и рабочего оборудования выемочных машин.

Работа основана на результатах НИР, выполненных в 1975;2003 гг. при непосредственном участии и под руководством автора в Хабаровском государственном техническом университете, в ИГД ДВО РАН, по прямым хоздоговорам с Главдальстроем (г. Хабаровск), Северовостокстроем (г. Магадан), а так же на результатах испытаний предлагаемых автором технологических решений в артели старателей «Восток» ассоциации «Хабаровскзолото», ЗАО «ЛуТЭК», ОАО «Ургалуголь».

Несмотря на то, что предлагаемые технологические решения в диссертации разработаны и апробированы в производственных условиях применительно к наиболее характерным для Дальневосточного региона месторождениям (россыпным и угольным), однако они пригодны для большинства месторождений, осваиваемых открытым способом. Это положение основывается на том, что процессы выемки породы однотипными горными машинами в большинстве случаев идентичны.

Целью работы является создание эффективных технологий освоения россыпных и угольных месторождений и ряда других месторождений с коэффициентом крепости пород до 8 единиц по шкале М. М. Протодьяконова на основе совершенствования процесса выемки.

Основная идея работы заключается в том, что поставленная цель достигается применением новых технических средств с усовершенствованным рабочим оборудованием, позволяющим более рационально, с точки зрения энергоемкости, воздействовать на массив породы механическим путем, а именно резанием (рыхлением), черпанием, выгрузкой или перемещением горной массы.

Задачи исследования:

1. Разработать аналитические зависимости для расчета максимальных сопротивлений резанию и черпанию мерзлой породы (с экспериментальной проверкой) и пути усовершенствования этого процесса в снижении энергоемкости при работе горных машин с различным рабочим оборудованием.

— 2. Обосновать зависимость усилий для выемки блоков из разупрочненных откосов уступов карьера в зимнее время от распределения значений прочностных характеристик породы в слое промерзания и степени ослабления сечений в плоскостях отделения.

3. Выполнить технико-экономическое обоснование возможности увеличения вместимости ковшей и соответственно производительности скреперов (без изменения мощности двигателей) с интенсификаторами загрузки в виде промежуточных подгребающих стенок (1111С). Разработать аналитические зависимости для определения сопротивлений перемещению горной массы внутри ковша с помощью ППС в процессе выемки породы из массива с экспериментальным подтверждением результатов расчета.

4. Теоретически и экспериментально оценить влияние эксцентрического закрепления козырька на раскрывающихся ковшах гидравлических карьерных экскаваторов на процесс выемки породы.

5. На основе теоретических и экспериментальных исследований установить технические параметры ряда горных машин и оборудования, разработать и апробировать в производственных условиях эффективные технологии вскрышных и добычных работ с применением предлагаемых технических средств.

Методы исследований: анализ теорий взаимодействия рабочих органов горных машин с породой и технологий открытой разработки с применением техникитеоретические исследования вопросов взаимодействия рабочих органов горных машин с породойэксперименты в лабораторных и полевых условиях на стендах и натурных машинахразработка и обоснование новых технологических решенийразработка методик для определения основных параметров машиннатурные наблюдения, измерения и испытанияпроектирование опытных образцов рабочих органов машин и опытно-эксплуатационных работиспытания модернизированных машин и технологий в производственных условияхтехнико-экономическая и экологическая оценка результатов исследований.

Основные научные положения, представленные к защите:

1. Максимальное сопротивление выемке мерзлых пород различных типов и состояния, в том числе и с крупнообломочными включениями, блокированным, сотовым или щелевым способами резания (рыхления) рассчитывается путем интегрирования напряжений по поверхности отделения стружки, а так же и перед крупнообломочным включением.

2. Метод расчета необходимых усилий для выемки блоков из разупрочнен-ных откосов уступов с учетом распределения прочных характеристик породы по глубине ее промерзания ?1 степени ослабления сечений отделения разупрочнением.

3. Эффективность скреперования на горных выработках обеспечивается увеличением длины и, следовательно, вместимости ковшей скреперов с интенсифи-. каторами загрузки в виде промежуточных подгребающих стенок, сопротивление перемещению которыми горной массы внутри ковша аналитически определяется с использованием принципа пассивного отпора породы на подпорную стенку.

4. Теоретическое и экспериментальное обоснование возможности и эффективности эксцентрического закрепления козырьков на раскрывающихся ковшах гидравлических карьерных экскаваторов, обеспечивающее повышение производительности выемки породы.

5. Прогрессивные технологические решения с обоснованием:

— разупрочнения промерзших уступов угольных карьеров со стороны рабочих площадок траншейными экскаваторами, со стороны откосов дискофрезерным оборудованием или бурением;

— выемки и транспортировки крепких (Г=6.8) и мерзлых пород (1=2.3) машинами послойного фрезерования и скреперами;

— вскрышных и добычных работ на россыпных месторождениях бульдозер-но-скреперно-рыхлительными агрегатами с модернизацией промывочного оборудования первичного обогащения.

Научная новизна работы:

1. Разработаны схемы (физические модели) действия сил и напряжений в предельном равновесии отделяющихся элементов стружки в процессе выемки путем резания (рыхления) мерзлых мелкозернистых пород различных типов, в том числе мелкозернистых пород при малых значениях отрицательных температур (-1.-5°С), мерзлых пород с крупнообломочными включениями для блокированного, сотового и щелевого способов резания, на основе которых выведены аналитические зависимости для расчета максимальных значений касательной и нормальной составляющих сопротивлению резанию.

2. Выявлены характер и степень зависимости среднемаксимальной касательной составляющей сопротивления резанию (рыхлению) мерзлой породы от количества в ней (по массе) крупнообломочных включений.

3. Установлена зависимость усилия выемки блока мерзлой породы из разу-прочненного откоса уступа от диаметра пробуренных скважин, расстояния между скважинами (или глубины щелей, нарезанных в откосе дискофрезерным оборудованием) и распределения предельных изгибающих напряжений в ослабленных разупрочнением сечениях откоса.

4. Установлены закономерности изменения металлоемкости, удельной металлоемкости, энергоемкости, производительности и эффективности работы скреперов от длины ковша и, следовательно, его вместимости, при неизменной мощности двигателя и уставлена рациональная длина ковша скрепера с интенси-фикатором загрузки в виде промежуточной подгребающей стенки.

5. Выявлено влияние угла наклона днища ковша скрепера на коэффициент его заполнения, определена наиболее рациональная, с точки зрения энергоемкости, траектория движения промежуточной подгребающей стенки (1И 1С) в ковше и разработаны аналитические зависимости для определения сопротивления перемещению породы внутри ковша с помощью 1111С с использованием законов механики сыпучей среды.

6. Выполнен анализ возникающих сопротивлений при раскрытии ковшей экскаваторов с простым (по окружности) и сложным (по окружности и вниз) движениями козырька в процессе выгрузки породы. Установлена зависимость для определения ускорения движения козырька вниз и возможность достижения им ускорения свободного падения, при котором нагрузки на штоки гидроцилиндров раскрытия ковша уменьшаются в 10 раз.

7. Обоснованна эффективная технологическая схема разупрочнения промерзших уступов карьеров с помощью траншейных экскаваторов, буровых станков (дискофрезерного оборудования) с расчетом комплекта машин (пат. ГШ 2 187 647 и 1Ш 2 187 600).

8. Установлена область рационального использования бульдозерно-скреперных агрегатов (БСА) и разработана эффективная технологическая схема добычных работ на россыпных месторождениях с применением БСА, с комплектованием промывочного оборудования и определением размеров добычного блока (пат. Яи 2 194 860).

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечена использованием апробированных методов моделирования, теорий прочности и механики сыпучей среды, результатами проведенных численных и инструментальных исследований, выполненных в производственных и лабораторных условиях, высокой сходимостью их результатов, внедрением разработок на горных предприятиях с положительным экономическим эффектом, апробацией результатов на международных конференциях, в производственных объединениях, признанием приоритета работ авторскими свидетельствами и патентами Российской Федерации.

Практическая ценность работы заключается в том, что полученные результаты исследований, обоснований и апробаций позволяют решить в едином комплексе ряд сложных и актуальных для горной промышленности задач, и в частности:

— проектировать эффективные машины и оборудование для воздействия на горные породы карьеров путем резания (рыхления);

— реализовать экологичную и экономически эффективную технологию разупрочнения промерзших уступов карьеров;

— повысить роль скреперования на открытых горных работах за счет применения большегрузных скреперов с интенсификаторами загрузки в виде ППС и путем комплектования этих скреперов с комбайнами послойного фрезерования перевести их на круглогодичную работу;

— повысить производительность карьерных гидравлических экскаваторов и тем самым увеличить объемы вскрышных и добычных работ;

— обеспечить экономически эффективную технологию добычных работ на россыпных месторождениях путем применения скрепер-дозерных агрегатов и усовершенствования оборудования первичного обогащения;

— значительно повысить объемы вскрышных и добычных работ на крепких породах (/=4.8) путем применения выемочных машин фрезерного типа в комплекте с прицепным бункером и автосамосвалами или в комплекте с большегрузными скреперами, оборудованными интенсификаторами загрузки ковша;

— обеспечить существенное повышение эффективности выемки и транспортировки предварительно взорванной породы в карьерах путем использования новых технологических схем работы с применением комплектов машин: скрепер-дозеры — большегрузные скреперыодноковшовый карьерный гидравлический экскаватор с раскрывающимся ковшом — большегрузные скреперы с интенсификаторами загрузки породы в ковш.

Реализация результатов работы. Основные результаты исследований по разработке мерзлых пород роторными траншейными экскаваторами (ЭР-7А) с модернизированной расстановкой зубьев внедрены на объектах «Главдальст-роя» в 1972;73 гг. Годовая экономия на каждую модернизированную машину составила 6000 рублей (в ценах 1972 г). Испытанная расстановка зубьев на ЭР-7А была использована при создании экскаваторов ЭТР-254−01, которые в 198 283 гг. выполнили большой объем работ на мерзлых и вечномерзлых породах при строительстве газопровода «Уренгой-Помары-Ужгород». Экскаваторные ковши с дополнительными рыхлящими зубьями на днище к одноковшовым строительным экскаваторам Э0−5015, ЭО-3322, ЭО-4121 были внедрены в 1979;81 гг. на объектах «Главдальстроя» и на предприятиях «Северовостокст-роя» (г. Магадан). Годовая экономия на один экскаватор по объектам «Главдальстроя» составила 1785 рублей (в ценах 1981 г.), а по объединению «Севе-ровостокстрой» 64 т. рублей, в среднем 3−4 т. рублей на каждую модернизированную машину (в ценах 1979 г.). В настоящее время фирма Caterpillar выпускает аналогичные ковши с рыхлительными зубьями на днище.

Конструкторская документация на сменное дискофрезерное оборудование к экскаватору ЭО-6123 для разупрочнения промерзших откосов уступов передана в 2002 г. Лучегорскому топливно-энергетическому комплексу (Лу-ТЭК) с целью изготовления и внедрения на угольных разрезах.

Технология разупрочнения промерзшего поверхностного слоя уступов прошла в 2002 г. производственные испытания в ЗАО ЛуТЭК на угольном разрезе в результате чего было выявлено, что себестоимость разупрочнения одного кубометра мерзлой породы в 1,5. 1,7 раза меньше, чем при взрывном способе.

Технология добычных работ на открытых россыпных месторождениях с применением бульдозерно-скреперного агрегата прошла производственные испытания в 2002 г. в артели старателей «Восток» ассоциации «Хабаровскзолото» по результатам которых было выявлено, что расчетный годовой дисконтированный доход на одном участке составляет 30 000 у.е. (долларов).

Усовершенствованная послойно-полосовая технология открытых горных работ с применением прицепного бункера к выемочной машине КСМ-4000 и большегрузных скреперов с интенсификаторами загрузки передана для внедрения на ОАО «Ургалуголь» и прошла производственные испытания в 2002 г. на угольных разрезах, в результате чего был установлен расчетный годовой дисконтированный доход на одном блоке в размере 24 000 у.е. (долларов).

Личный вклад автора состоит:

— в постановке проблем и задач повышения эффективности разупрочнения промерзшего вскрышного слоя в карьерах, снижения затрат на вскрышных и добычных работах с применением большегрузных колесных скреперов с ин-тенсификаторами загрузки, гидравлических одноковшовых экскаваторов, машин послойного фрезерования породы, в снижении затрат на вскрышные и добычные разработки россыпных месторождений с применением бульдозерно-скреперных агрегатов и модернизации промывочного оборудования первичного обогащения;

— в разработке схем действия сил и напряжений на отделяющийся элемент стружки в процессе резания (рыхления) мерзлых пород, теоретических зависимостей для определения максимальных сопротивлений резания и черпания с экспериментальным подтверждением аналитических положений;

— в обосновании применения длинных ковшей на колесных скреперах с интенсификаторами загрузки в виде промежуточных подгребающих стенок (ППС), в разработке аналитических зависимостей для определения сопротивления продвижения ППС внутри ковша с экспериментальным подтверждением теоретических положений;

— в обосновании применения раскрывающихся ковшей на одноковшовых гидравлических карьерных экскаваторах со сложной траекторией открывания козырька, разработке расчетных зависимостей для определения сопротивлений и времени разгрузки породы с экспериментальной проверкой аналитических зависимостей;

— в разработке метода расчета усилий для выемки блоков мерзлой породы из разупрочненных откосов уступов;

— в обосновании технических и конструктивных параметров рабочего оборудования горных машин для открытой разработки;

— в разработке и апробировании в производственных условиях технологий вскрышных и добычных работ с применением предлагаемой горной техники;

— в экологической оценке и экономическом обосновании предлагаемых технологий вскрышных и добычных работ с применением новой горной техники.

Апробация результатов работы. Основные положения докладывались на XIV Международной научно-технической конференции «Механизация и автоматизация земляных работ» (г. Киев, 1991) — на Международной научно-технической конференции «Интерстроймех 98» (г. Воронеж, 1998) — на Международной научной конференции «Автомобильный транспорт Дальнего Востока 2000» (г. Хабаровск, 2000) — на Международной научно-технической конференции «Интерстроймех — 2002» (г. Могилев 2002) — на Международной научно-технической конференции «Итоги и проблемы производства, науки и образования в сфере добычи полезных ископаемых открытым способом» (в связи с 75-летием B.C. Хохрякова) (г. Екатеринбург, 2002) — на техническом Совете артели старателей «Восток» ассоциации «Хабаровскзолото» (г. Хабаровск, 2002) — на Международной научно-практической конференции, посвященной 75-летию Национального научного центра горного производства — ИГД им. A.A. Скочинского и 50-летию Института обогащения твердых горючих ископаемых, 27−29 ноября 2002 г., г. Люберцына научно-техническом Совете Хабаровского государственного технического университета (г. Хабаровск, 2003) — на «Неделе горняка — 2004» г. Москва.

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 56 опубликованных работах, включая 2 монографии, 15 изобретений и патентов.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения и общей характеристики работы, 6 глав, основных выводов, заключения, списка использованных источников из 261 наименования, содержит 292 страницы текста, в том числе 13 таблиц, 90 рисунков и приложений (отдельным томом) на 67 страницах текста.

Выводы.

1. Разработанные, обоснованные и апробированные технологии и технические средства для их реализации способствуют улучшению экологической — обстановки на осваиваемых месторождениях, а именно:

— на россыпных месторождениях за счет уменьшения количества машин на вскрышных и добычных работах и соответственно уменьшению вредных выбросов в окружающую среду;

— на угольных месторождениях в результате замены буро-взрывного способа разупрочнения уступов механическим и тем самым устранению вредного влияния взрыва.

— уменьшению вредного воздействия на окружающую среду и людей запыленности и загазованности в карьерах, на обогатительных фабриках, дро-бильно-перегрузочных установках и т. д. путем применения устройств непрерывной очистки воздуха, разработанных при участии автора;

— использованию скреперов с регулируемым средним выступающим ножом, которые повышают качество и скорость рекультивации земель.

2. Эффективность предлагаемых технологических решений достигается:

— на россыпных месторождениях за счет внедрения прогрессивной выемочной техники (БСА или БСРА) и модернизации промывочного оборудования первичного обогащения;

— на угольных месторождениях путем замены взрывного способа разупрочнения промерзших уступов в зимнее время машинами, разрушающими породу резанием (рыхлением). К этим машинам следует отнести роторные траншейные экскаваторы, дискофрезерное оборудование на одноковшовых экскава-, торах или буровые станки;

— на вскрыше крепкой и средней крепости породы в результате применения машин послойного фрезерования и большегрузных скреперов с интенсифи-каторами загрузки типа ППС;

— на выемке и транспортировке предварительно взорванной крепкой породы за счет использования большегрузных скреперов с ППС в комплекте с бульдозерно-скреперными агрегатами или одноковшовыми гидравлическими экскаваторами с эксцентрическим закреплением козырька к ковшу.

3. Реализация предлагаемых технологических решений, подтвержденных актами о внедрении, дает чистый дисконтированный доход, совокупный по: ОАО «Ургалуголь» и артели старателей «Восток» ассоциации «Хабаровскзоло-: то», в размере 4 000 000 у.е. и расчетный по ЗАО ЛуТЭК в сумме 1 669 000 у.е. Следует отметить что за период с 1972 по 1982 г. г. под руководством автора был выполнен ряд модернизаций одноковшовых и многоковшовых экскаваторов с рабочими органами для разработки мерзлых пород, по которым был получен значительный экономический эффект, подтвержденный актами о внедрении, однако перевести этот эффект в цены 2003;2004 годов достаточно затруднительно.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации, представляющей собой законченную научную работу, разработаны и научно обоснованы технологические, технические, экономические и экологические решения, которые в совокупности своей вносят значи-! тельный вклад в практику и ускорение научно-технического прогресса в области открытой разработки месторождений полезных ископаемых, обеспечивая повышение эффективности добычи различных полезных ископаемых в сложных условиях освоения месторождений Дальневосточного региона.

В диссертационной работе выделены и решены наиболее важные вопросы открытых горных работ для Дальневосточного региона, а именно, разработка месторождений золота и угля. Предлагаемые технологии могут быть использованы при выработке мелкозернистых пород в талом и мерзлом состояниях, на породах с крупнообломочными включениями, на крепких породах (с коэффи-: циентом крепости до восьми единиц по шкале М.М. Протодьяконова) без при-| менения буро-взрывных работ и, наконец, на очень крепких породах после разрушения взрывом.

В диссертации методологически последовательно исследовано: во-первых, взаимодействие рабочих органов горных машин с породойво-вторых, на базе полученных теоретических и экспериментальных результатов исследований рекомендованы параметры рабочего оборудования горных машин или машин в целом, и, в-третьих, на основе предлагаемых горных машин и оборудования разработаны новые способы ведения открытых горных работ. Предла— гаемые способы и техника частично апробированы на производстве и зарекомендовали себя как эффективные. Техническая документация на другие предлагаемые технологические решения и технику переданы на производство с целью внедрения.

Основные научные и практические выводы, полученные в результате проведенных исследований, заключаются в следующем:

1. Разработанный метод аналитического расчета сопротивлений выемке мерзлых однородных и неоднородных пород путем резания (рыхления) на основе интегрирования напряжений, возникающих по поверхности отделения элемента стружки, для всех основных способов резания (блокированное, сотовое, щелевое) позволяет достоверно определять нагрузки на рабочих органах машин, предназначенных для разрушения мерзлых пород, поскольку результаты расчета с малой степенью погрешности совпадают с экспериментальными данными. 2. Регрессионные уравнения для определения геометрических параметров поперечных сечений прорезей, образующихся после прохода зубьев, а также энергоемкости и сопротивлений резанию (черпанию) мерзлых пород, полученные на основании экспериментальных исследований в зависимости от размеров режущего инструмента и их расстановки на рабочих органах выемочных машин, в совокупности с аналитическим методом расчета, позволили:

— усовершенствовать одноковшовые и траншейные роторные экскаваторы для разработки мерзлых пород на рабочих площадках уступов;

— установить возможность разрушения мерзлой породы на рабочих площадках уступов машинами послойного фрезерования и разупрочнения бортов уступов дискофрезерным оборудованием на базе одноковшовых экскаваторов;

— обосновать постановку рыхлительного оборудования на бульдозерно-скреперные агрегаты.

3. Необходимое усилие для выемки блоков мерзлой породы из разупроч-ненных откосов уступов определяется методом интегрирования предельных разрывных напряжений .в перемычках между разупрочняющими пустотами в породе.

4. Предложенная, запатентованная (патент № 2 187 647) и апробированная в производственных условиях технология разупрочнения промерзших рабочих площадок уступов угольных карьеров с помощью усовершенствованного рабочего оборудования строительных экскаваторов с рыхлительными зубьями на днище ковша (а. с. № 787 564, а. с. № 1 373 765, патент № 2 122 073) или с помощью модернизированных роторных траншейных экскаваторов, а откосов путем нарезания щелей дискофрезерным оборудованием (патент № 2 187 600) или бурением, по себестоимости в 1,5 раза дешевле, чем взрывным способом.

5. Обосновано, что эффективная дальность транспортирования породы бульдозерно-скреперными агрегатами находится в пределах от 20 до 300 м. Если дальность транспортирования породы более 300 м, то эффективнее скреперы, а менее 20 м бульдозеры. Это обстоятельство позволяет при использовании бульдозерно-скреперных агрегатов увеличить размеры добычных блоков, например на россыпных месторождениях.

6. Предложенный и апробированный в производственных условиях спо-I соб (патент № 2 194 860) ведения добычных работ на россыпных месторождениях двухкрылыми блоками параллелограммной конфигурации с применением бульдозерно-скреперных агрегатов (БСА) вместо бульдозеров, объединением нескольких гидровашгердов и возможностью прохода БСА над их приемными бункерами, позволяет уменьшить вдвое число работающей техники, увеличить размеры добычных блоков, уменьшить число перестановок промывочного оборудования за сезон и тем самым повысить эффективность работы по сравнению с традиционным бульдозерным способом. Данный способ можно эффективно использовать на техногенных россыпях, так как с одной установки промывоч-. ного оборудования можно отрабатывать одновременно несколько гале-эфельных отвалов.

7. На основе тяговых и прочностных расчетов выявлена возможность увеличения емкости ковшей скреперов в 2.3 раза за счет их удлинения, применения интенсификаторов загрузки в виде промежуточных подгребающих стенок (ППС), установки переднего и заднего механизмов подъема-опускания ковша. Эти усовершенствования конструкции скреперов (а. с. № 1 208 143, а. с. № 1 559 056, патент № 2 188 279) приводят к меньшей себестоимости выполнения выемочно-транспортных работ по сравнению с комплектом машин экскаватор автосамосвалы — бульдозер.

8. Теоретические и экспериментальные исследования процесса выемки породы скреперами с удлиненными ковшами и перемещения породы внутри ковша по наиболее рациональной траектории с помощью ППС с использованием законов механики сыпучей среды подтвердили, во-первых, хорошую сходимость результатов эксперимента с результатами аналитического расчета, во-вторых, правомерность разработанных аналитических зависимостей для определения сопротивлений перемещению породы с помощью ППС, в-третьих, преимущества ППС по сравнению с другими интенсификаторами. Эти исследования дают основу для разработки новых технологических решений по выемке и транспортировке породы на карьерах.

9. Анализ нагрузок, действующих в процессе разгрузки породы из ковшей гидравлических экскаваторов с простой и сложной траекторией движения козырька и кинематический анализ движения козырька по сложной траектории качания при эксцентрическом закреплении его к днищу показывает преимущество последнего исполнения. В этом случае улучшается процесс выемки за счет десятикратного уменьшения сопротивлений выгрузке породы. Производительность экскаваторов увеличивается на 4.5% из-за уменьшения веса гидроцилиндров раскрытия ковша и соответственно возможного увеличения вместимости ковша. Повышение производительности экскаваторов с эксцентрическим закреплением козырька к днищу ковша способствует повышению эффективности открытых горных работ по различным технологическим схемам, поскольку: экскаваторы в комплекте машин являются, как правило, головными.

10. Обоснование возможности применения в практике открытых горных работ усовершенствованной техники, повышающей эффективность процесса выемки породы, а именно, бульдозерно-скреперных агрегатов, большегрузных скреперов с 1111С, выемочных машин послойного фрезерования, гидравлических одноковшовых экскаваторов с эксцентрическим закреплением козырька к днищу ковша, позволяет рекомендовать к внедрению новые прогрессивные технологические схемы, к которым следует отнести:

— разволовку предварительно взорванной крепкой породы бульдозерно-скреперными агрегатами, или одноковшовыми гидравлическими экскаваторами с последующей выемкой и транспортировкой ее скреперами с ППС;

— разработку крепких и мерзлых пород выемочными машинами фрезерного типа с последующей выемкой и транспортировкой их скреперами с ППС;

— разработку крепких и мерзлых пород выемочными машинами фрезерного типа с накопительным бункером с последующей транспортировкой их авто, самосвалами;

— разработку крепких и мерзлых пород выемочными машинами фрезерного типа с последующей выемкой и транспортировкой их скреперами с ППС.

Доход (чистый дисконтированный) определен по отдельным месторождениям. По Ургальскому угольному разрезу расчетный чистый дисконтированный доход от внедрения в технологию вскрышных работ выемочных машин фрезерного типа с бункерами составляет 4 689 000 у.е. (за 6 лет эксплуатации), а в комплекте с большегрузными скреперами 15 200 000 у.е. Расчетный доход от применения технологии с использованием бульдозерно-скреперных агрегатов! по артели старателей «Восток» составляет 1 612 500 у.е. Расчетный доход от применения безвзрывной технологии разупрочнения уступов в зимнее время с использованием роторных траншейных экскаваторов и дискофрезерного оборудования на ЭО-6121 на Лучегорском угольном разрезе составляет 1 669 000 у.е.

Все предлагаемые технологии и техника значительно улучшают экологическую обстановку в районах их применения. Эти технологии и техника могут быть использованы и в других районах Российской Федерации с аналогичными горно-климатическими условиями.