Современные технологии извлечения твердого минерального сы­рья из массива.

На современном этапе выделяются несколько направлений развития БВТ с использованием рыхлительно - бульдозерных агрегатов или мощных гидрав­лических или гидропневматических молотов в сочетании с бульдозе­рами и экскаваторами, выемочных машин (комбайнов) послойного фрезерова­ния [МПФ] или роторных экскаваторов, и, наконец, экскаваторов с исполнительным органом активного действия.

Первое направление предусматривает применение нескольких последова­тельных операций: рыхление массива, штабелирование и погрузку из штабеля в транспортные средства. Рыхлители – первое поколение машин для безвзрывной выемки, используются свыше двух десятилетий с появле­нием мощных промышленных тракторов при разработке трещиноватых пород прочностью 30 – 60 МПа. Механическое рыхление обычно в 2 – 3 раза

де­шевле буровзрывных работ. Последнее десятилетие характеризуется ускоре­нием внедрения на зарубежных карьерах технологий с использованием новых видов выемочного

Последнее десятилетие характеризуется ускорением внедрения на зарубеж­ных карьерах технологий с использованием новых видов выемочного оборудования, так называемых карьерных комбайнов непрерывной выемки [3,4].

– первое поколение машин для безвзрывной выемки, используются свыше двух десятилетий с появлением мощных промышленных тракторов при разработке трещиноватых пород прочностью 30 – 60 МПа. Механическое рыхление обычно в 2 – 3 раза дешевле буровзрывных работ. Последнее десятилетие характеризуется ускорением внедрения на зарубежных карьерах технологий с использованием новых видов выемочного оборудования, так называемых карьерных комбайнов непрерывной выемки.

Как отмечалось в разделе 2.3, основой, ядром любой системы преобразования является техно­логия Tg.

Детализацию сложных операций проведем на примере операции 4- вторичное дробление (дробильно-перегрузочная операция), которая выполняется сложной технической системой КДУ.

Начальное состояние операнда - определенного грансостава горная масса находится либо в исполнительном органе забойного оборудования, либо в транспортном сосуде, подается в КДУ через некоторый интервал времени, т.е. циклично.

Основное функциональное назначение КДУ состоит, как отмечалось, в преобразовании циклично поступающей на КДУ горной массы в непрерывный поток и сокращении крупности негабаритных (по условиям транспортирования на ленточных конвейерах) кусков до допустимых размеров, как правило 300- 400 мм.

Отсюда начальное положение операнда горная масса исходного грансостава в бункере КДУ. Промежуточные состояния - операнд на питателе транспортируется на дробящее устройство, операнд в дробящем устройстве, на выходе - которого он имеет уже другой грансостав и конечное положение его - горная масса сокращенной крупности на разгрузочном устройстве.

Процесс преобразования циклично поступающих отдельных “порций” горной массы осуществляется с помощью двух устройств: бункера и питателя. Бункер выполняет функцию аккумулятора, выравнивающего пульсации потока, из которого поступающая в него горная масса уже непрерывным потоком подается в дробящее устройство питателем. В некоторых случаях функцию выравнивающего устройства, наряду с бункером, выполняет дробилка. В этом случае горная масса под действием собственного веса из бункера подается в дробилку (гирационного типа) и в ней этот поток преобразуется в непрерывный. Дробилка выполняет функцию сокращения крупности поступающей горной массы и, реже, функцию выравнивающего поток устройства.

Зачастую с целью увеличения пропускной способности дробящего устройства, снижения на него нагрузки и уменьшения износа дробящих органов, поступающая из бункера горная масса классифицируется с помощью грохота на два класса - кондиционные, не требующие дробления, куски направляются непосредственно на разгрузочное устройство, а куски больше допустимого размера направляются на дробление.

Таким образом, операнд, проходящий через систему КДУ, подвергается следующим преобразованиям:

а) изменяется характер движения - из циклического в непрерывный,

б) транспортируется на дробящее устройство,

в) классифицируется на два класса,

г) сокращается крупность

д) транспортируется на забойный или магистральный ленточный конвейер.

Эти промежуточные преобразования операнда могут выполняться с помощью таких операторов: бункер, питатель, грохот, грохот-питатель, дробилка, передаточный конвейер или питатель, конвейер. Как видно все перечисленные устройства - это специальные технические системы, механически воздействующие на операнд и осуществляющие его транспортирование, грохочение и дробление. Приведенное описание технического процесса, осуществляемого КДУ, можно представить в виде функциональной модели, рис. 5. 6.

В приведенном описании не отражена еще одна функция, не оказывающая непосредственного воздействия на операнд, но необходимая для выполнения КДУ своей основной функции - это функция перемещения всей

 

 

Подача на дробление

Накопление ГМ

Дробление

Подача на конвейер

Рис. 5.6. Функциональная модель КДУ

 

системы КДУ. С учетом этого обстоятельства в функциональную структурную модель, приведенную на рис.5.7 и разработанную на основе функциональной модели, введен механизм перемещения как отдельная подсистема.

 

Рис. 5.7. Структурная модель КДУ

Система КДУ

ППУ

ЗО, ВКТ

ДОФ Отвал

ДУ

МП

РУ

 

Здесь отображены основные функциональные подсистемы:

ППУ - приемно-подающее устройство, служит для выравнивания потока горной массы, подаваемой из забоев оборудованием цикличного действия, и для подачи горной массы в дробилку. Приемное (бункер) и подающее (питатель) устройства объединены в одну подсистему по той причине, что зачастую конструктивно выполняются как единое целое, т.е. питатель служит днищем бункера.

ДУ - дробильная установка служит для сокращения крупности исходной горной массы;

РУ - разгрузочное устройство служит для сопряжения ДУ с конвейерным транспортом;

МП - механизм перемещения позволяет КДУ при необходимости подвигаться вслед за перемещением забоев.

Напомним об индексации. В левом верхнем углу прямоугольника ставится индекс, который присваивается подсистеме в составе системы верхнего уровня. Например, на первом уровне декомпозиции подсистеме КДУ присвоен индекс 4, рис. 5.4, этот индекс и проставляется слева вверху, когда КДУ рассматривается как самостоятельная система, рис. 5.6, и т.д. Такая система индексации позволит упорядочить систему идентификации различных по внутренней структуре систем КДУ.

Кроме отмеченных основных операций перечисленных выше, технический процесс КДУ включает в себя и ряд вспомогательных операций, без которых невозможна реализация рабочих (основных) операций. Из этих вспомогательных операций выделим операцию по удалению (либо разрушению) негабаритных по приемному отверстию дробилки кусков, операцию по обеспыливанию с целью защиты окружающей среды.

С целью более полного выявления внешних и внутренних связей анализируемой системы на рис. 5.8 представлена структурная модель КДУ и ок-

ЗО

ВКТ

МСТ

МСТ

ГДЦ

ВНТ

ДОФ, отвал

МСТ

ВНТ

ГДЦ

Система КДУ

ППУ

Удал.негабар.

Аспирация

ДУ

МП

РУ

Рис. 5.8. Структурная модель КДУ и окружающей среды

 

ружающей среды. Здесь в дополнение к указанным введена еще одна подсистема - основание, которое является несущей конструкцией для всех основных и вспомогательных подсистем.

В представленной модели, рис. 5.8, выделены три вида связей. Материальные связи показаны утолщенной сплошной стрелкой. Эти связи обусловлены прохождением операнда системы. С процессом преобразования операнда в системе КДУ связаны и определенные затраты энергии. Сплошной тонкой стрелкой обозначены конструктивные (кинематические) связи (или иначе, механические связи) между элементами рассматриваемой системы. И, наконец, третий вид связей относится к информационным или параметрическим связям. Они отображают взаимосвязь между основными параметрами элементов, как внешних по отношению к рассматриваемой системе, так и внутренних.

Качественно охарактеризуем все обозначенные на модели связи. Рассмотрим вход системы КДУ, т.е. отношения ЗО (ВКТ) → ППУ. Забойное оборудование (или транспортное, в зависимости от принятой организации работ) характеризуется следующими параметрами: емкость ковша (кузова), его геометрические размеры, высота разгрузки, продолжительность цикла.

От этих параметров зависят такие параметры ППУ, как: емкость бункера, его геометрические размеры, ширина и скорость движения полотна питателя. Операнд системы, т.е.горная масса, характеризуется целым рядом параметров, среди которых можно выделить: грансостав, физико-механические свойства (модуль упругости, прочность, абразивность, углы внутреннего и внешнего трения, влажность, плотность и т.д.), общее количество подаваемой горной массы. От конкретных значений этих параметров будет зависеть эффективность и энергоемкость рабочих процессов, и основные параметры подсистемы ППУ, ДУ, РУ. В зависимости от того куда поступает горная масса на ДОФ или в отвал зависят требования к качеству продукта ДУ. Физико-механические свойства горной породы будут определять энергоемкость рабочего процесса КДУ. В зависимости от принятой в системе ГДЦ организации работ определяются во многом типоразмер дробилки и тип механизма перемещения. Таким образом, на качественном уровне характеризуется взаимосвязь КДУ с окружающей средой.

Что касается внутренних связей в системе, то, например, эффективность грохочения в ППУ непосредственно сказывается на пропускной способности ДУ, интенсивности износа рабочих органов ее. Масса и геометрические размеры основных подсистем, характер механических связей между ними, динамика их рабочих процессов оказывает непосредственное влияние на основные параметры и массу основания и механизма перемещения. Способ разработки месторождения оказывает влияние на характер связей между основными подсистемами и на тип МП (например, модульная система или самоходный агрегат и т.п.).

Указанные связи объединяют все элементы в единую систему, а их математическое описание, включая связи с внешней средой, составит математическую модель системы.

Определившись со структурой системы, обратимся к возможным конкретным техническим средствам, которые могут реализовать функции основных подсистем.

Органоструктура системы

В соответствии с теорией технических систем органоструктура - это абстрактная модель технической системы, содержащая технические средства (исполнительные органы) и отношения, реализующие способы действия определенного класса. При этом следует отметить, что на стадии разработки органоструктуры вопрос о конструктивной реализации технической системы не рассматривается.

Анализ технической и патентной литературы показал, что конкретное исполнение, т.е. органоструктура КДУ отличается большим разнообразием. В этой связи возникает необходимость упорядочения существующих на сегодняшний день различных видов исполнительных органов, применяемых для реализации основных функций подсистем КДУ. На рис.5.9 представлена такая упорядоченная органоструктура системы КДУ.

Подсистема приемно-подающего устройства в зависимости от конкретного состава выполняется в трех вариантах: ПБ - приемный бункер - устанавливается над приемной щелью дробилки. Подача горной массы происходит под действием сил тяжести. Такое исполнение возможно только в случае применения дробилок типа ККД; БП - приемный бункер -питатель - приемный бункер устанавливается ниже уровня приемной щели дробилки, питание подается с помощью различного типа питателей; ПГ-приемный бункер-грохот-питатель - в дополнение к предыдущему производится грохочение питания. Грохочение может производиться одновременно с подачей питания, либо последовательно, т.е. отдельными машинами. Как уже отмечалось, в КДУ применяются практически все виды питателей тяжелого типа, однако чаще всего питатели пластинчатые.

В карьерных дробильных установках нашли применение по существу все типы дробилок крупного дробления. В модели (рис.5. 9) они разделены по способу разрушения материала (ударное разрушение и сжатием) и по

ПБ 1.1

БП 1.2

ПГ 1.3

ДР 2.1

ЩДП 2.3

ДМ 2.2

ВВК 2.5

БК 3.2

ККД 2.4

КРК 3.1

ДК 2.6

МП1 4.1

МП 5.3

МП2 4.2

МГ 5.2

МШ 5.1

СУ 4.3

Рис. 5.9 Структура КДУ

 

 

конструктивному исполнению рабочих органов. Здесь обозначено:

ДР, ДМ дробилки ударного действия, соответственно, роторные и молотковые. Дробилки этого типа отличаются меньшей энергоемкостью рабочего процесса, большей степенью дробления, относительно малой металлоемкостью, простотой и надежностью конструкции. Однако повышенный расход металла из-за интенсивного износа рабочих органов при дроблении крепких и абразивных пород и руд является основной причиной ограниченного их применения на горнорудных предприятиях.

ЩДП, ККД, ВВК, ДК -дробилки разрушающие породу сжатием, соответственно, щековые, конусные, внутривалковые крупного дробления, дисковые дробилки крупного дробления. Все типы этих дробилок применяют в системах КДУ. Вместе с тем для них характерны сравнительно большие массы, а для первых двух типов еще и наличие динамических нагрузок, передаваемых на основание.

В подсистемах разгрузочные устройства можно выделить два типа исполнения.

КРК —конвейер приемный - разгрузочная консоль. Такое исполнение характерно для самоходных дробильных агрегатов. Приемный конвейер принимает нижний класс после грохочения и продукт дробления и передает на разгрузочный конвейер, который устанавливается на консоли, изменяющей свое положение относительно продольной оси агрегата в плане и в вертикальной плоскости.

РБ - разгрузочный бункер - магистральный (забойный) конвейер. Такое исполнение РУ чаще применяется на передвижных и стационарных КДУ, но нашло свое применение и на самоходном агрегате ДПА‑2000.

Механизмы перемещения КДУ по характеру механических связей с остальными подсистемами можно разделить на два типа:

МП₁ —механизм перемещения агрегатированный с другими элементами КДУ и являющийся базой для них;

МП₂ —автономный механизм перемещения.

В первом случае имеем самоходные установки, способные перемещаться вслед за подвижкой забоя и чаще всего они загружаются непосредственно экскаватором (за рубежом применяют для этого и мощные погрузчики). В зарубежной практике отмечаются случаи применения самоходных установок как передвижных, когда они устанавливаются под уступом и загружаются автосамосвалом. Во втором случае имеют место передвижные агрегаты, перемещающиеся не чаще одного раза в несколько месяцев. В этом случае для перемещения используются специальные трейлеры большой грузоподъемности, а КДУ либо ее подсистемы располагаются на специальных рамах с порталом для размещения в нем трейлера. Чаще всего, особенно при большой производительности подсистемы ППУ и ДУ+РУ выполняются в виде отдельных модулей. При отсутствии механизма перемещения имеет место стационарная установка СУ.

В системах КДУ нашли применение три типа конструктивного исполнения механизмов перемещения:

МШ, МГ, МП —соответственно, шагающий, гусеничный и пневмоколесный механизм перемещения.

На модели стрелками обозначены те виды исполнительных органов подсистем, которые сопрягаются между собой.

Теперь используя предложенные модели достаточно просто можно идентифицировать любую структуру КДУ. Например, структуру агрегата СДА‑3 можно отобразить в следующем виде Str 1.2- 2.1 -3.1- 4.1 - 5.2, агрегата ДПА‑2000 Str 1.3- 2.5 - 3.2 - 4.1 - 5.2, а дробильно-перегрузочного пункта на карьере ИнГОКа Str 1.1- 2.5 - 3.2 - 4.3.

С целью оценки взаимосвязи структуры и основных выходных параметров КДУ, таких как производительность Q, мощность установленных двигателей N_уст, степень дробления i, масса установки M проведем корреляционный анализ основных параметров зарубежных и отечественных самоходных КДУ. Анализ проводился по методике [5]. Основные параметры установок принимались по техническим характеристикам и каталожным данным.

Для обработки в группу формировались параметры установок с одинаковой структурой. Достаточно представительные выборки удалось сформировать для двух групп установок Str 1.2 - 2.1 - 3.1 - 4.1 - 5.1 и Str 1.2 - 2.1 – 3.1 - 4.1 - 5.2. Для первой группы объем выборки составил 17, для второй — 27.

Предварительная математическая обработка показала, что линейная корреляция отсутствует в обеих группах. Поэтому для использования аппарата линейного корреляционного анализа было использовано линеаризующее преобразование - логарифмирование.

Анализ показал, что для установок со структурной формулой Str 1.2 - 2.1 - 3.1 - 4.1 - 5.1 наилучшим образом взаимосвязь между основными параметрами выражается в виде

N_уст = 1,07 (Q.i)^0.438 (5.1)

При этом объем выборки составил 17, коэффициент корреляции 0,965, адекватность уравнения по критерию Фишера удовлетворяется на 1% уровне значимости.

Для установок со структурой Str 1.2 - 2.1 - 3.1 - 4.1 - 5.2 взаимосвязь между этими же параметрами выражается уравнением другого вида

N_уст = 513,9. lg(Q*i) —1336. (5.2)

Объем выборки составил 27, коэффициент корреляции 0,717, адекватность уравнения также по критерию Фишера удовлетворяется на 1% уровне значимости.

Как видно из формул структур установок они отличаются только механизмами перемещения, во втором гусеничный. И, тем не менее, отличие даже в одном элементе существенно сказывается на взаимосвязи основных параметров системы, что выражается в различии выражений количественно связывающих эти параметры.

Одним из важных показателей, характеризующих техническое совершенство той или иной системы, является производительность, приходящаяся на единицу массы изделия, или удельная производительность Q/M. В таблице 5.1 приведены статистические характеристики этого показателя для установок различной структуры.

 

Таблица 5.1

Статистические характеристики удельной производительности т/ч/т
для КДУ с различными структурами

Структура КДУ	Объем выборки	Среднее	Дисперсия	Среднеквад- ратическое отклонение	Коэффици- ент вариа- ции, %
1.2-2.1-3.1-4.1-5.1   1.2-2.1–3.1-4.1-5.2   1.2-2.4-3.1-4.1-5.1   1.2-2.3-3.1-4.1-5.2		1,5   1,4   2,42   1,29	0,122   0,164   0,379   0,151	0,348   0,405   0,615	23,2   29,0   25,4   30,0

Из приведенных данных видно, что наибольшая удельная производительность характерна для установок со щековыми и конусными дробилками и гидравлическими шагающими механизмами перемещения. В наименьшей степени сказывается тип механизма перемещения на установки с ударными дробилками. Эти же дробилки обладают и сравнительно малой удельной производительностью. Вместе с тем дробилки ударного действия, как известно, расходуют меньше энергии на единицу степени дробления и позволяют достигать значительно большей степени дробления в одной установке в сравнении с щековыми и конусными дробилками. С учетом этих обстоятельств установки с подобными дробилками в определенных условиях могут быть эффективнее, чем установки с дробилками, разрушающими породу сжатием.

В целом анализ показал, что структура КДУ оказывает существенное влияние на взаимосвязь основных параметров установок, их техническое совершенство. Выражения (5.1) и (5.2) могут быть использованы для ориентировочного определения основных параметров соответствующей структуры, а данные табл. 5.1 могут быть использованы для ориентировочного определения массы установок определенной структуры для заданной производительности.

В целом из анализа структуры ГОКа, как большой системы, в которой функционируют интересующие нас КДУ, и структуры КДУ как технической системы, ясно, что внутренняя структура КДУ отличается большим многообразием. Это вызвано тем, что окружающая среда системы отличается многовариантностью, а также многообразием основных свойств операнда, которые также оказывают непосредственное влияние на внутреннюю структуру КДУ.

Вместе с тем анализ взаимосвязи структуры и основных выходных параметров КДУ достаточно убедительно показал, что эти параметры самым тесным образом связаны с внутренней структурой КДУ. Следовательно, возможно повышение эффективности КДУ за счет оптимизации внутренней структуры для заданных горнотехнических условий. Однако для подобной оптимизации необходимо выявление значимости элементов, входящих в систему и нужна модель, которая бы описывала как структуру системы, так и ее поведение при изменении окружающей среды, т.е. макромодель системы.