Гайко Г.И. История горной техники

Подождите немного. Документ загружается.

111

чить бесперебойного производ-

ственного процесса. В этой свя-

зи весьма прогрессивным на-

правлением стала разработка пе-

редвижного крепления, под за-

щитой которого должны проис-

ходить все операции по выемке

угля (т.н. механизированные

крепи). Первая конструкция та-

кой крепи была предложена в

бывш. СССР И.А. Журавлевым

в 1932 г. Она представляла со-

бой щит-перекрытие который

должен был двигаться за очист-

ным забоем под вытесняющим

действием обрушенных пород.

Промышленное испытание ус-

тановки, проведенное в 1934-

1935 гг. на руднике «Сулюкта»

в Средней Азии, не оправдали

технической идеи автора и щит

пришлось перемещать принуди-

тельно при помощи ручных домкратов. Однако, даже в этом случае,

передвижная крепь имела ряд преимуществ перед традиционными кон-

струкциями [33]. На рис. 4.61 представлен один из первых вариантов

щита с принудительным движением для пластов наклонного падения.

В дальнейшем разрабатываются передвижные стальные щиты с гидрав-

лическим приводом.

В 1940-1944 гг. в Германии осуществлялись первые попытки создания

механизированных крепей: фирма «Зальцгиттер» предложила секционные

крепи, подвигающиеся на салазках при помощи ходового механизма, инже-

нером Гоком был разработан передвижной костер, а инженер Риборг создал

т.н. «передвижную башню» в которой четыре стойки устанавливались на

общем основании и перемещались при помощи тягового устройства [46].

В 1946 г. в бывш. СССР был изготовлен и испытан в Кузнецком бас-

сейне первый угледобывающий агрегат «Кузбасс» с механизированной

гидрофицированной крепью (конструкция В.И. Воробьева, Ф.П. Куфа-

рова и др.). Первая серийная механизированная крепь начала изготав-

ливаться в бывш. СССР с 1967 г. (гл. конструктор В.К. Смехов). В 60-х

годах эти крепи начинают применять также в угольной промышленнос-

ти Германии и Великобритании. В зависимости от характера взаимодей-

ствия с породами механизированные крепи (рис. 4.62) могут быть под-

Рис. 4.61 Щитовая крепь

с принудительным движением

112

Рис. 4.62 Механизированные крепи: а – поддерживающего; б – поддерживающе-

оградительного; в – оградительного типов

держивающего, поддерживающе-оградительного (наибольшее распрос-

транение) и оградительного типов [47].

Широкое применение механизированные крепи получили в составе

очистных комплексов, куда помимо них входят выемочная машина (уз-

козахватный добычной комбайн или струговая установка), изгибаю-

щийся скребковый конвейер и крепь сопряжения. В настоящее время раз-

работаны очистные комплексы для широкого спектра горно-техничес-

ких условий, которые за счет комплексной механизации и автоматиза-

ции процессов добычи, обеспечивают поточную технологию горных ра-

бот, высокую производительность труда и минимальную себестоимость

полезного ископаемого.

113

«Размыть уступы острых плит

И вечный раздробить гранит...»

А.А. Фет

4.4 Открытая разработка

месторождений

о многовековой дороге истории гор

ного дела впереди всегда шел подзем-

ный способ разработки месторождений. От-

крытые работы долгое время не имели перс-

пективы, поскольку для вскрытия месторож-

дений, даже залегающих на небольших глуби-

нах, требовалось снять покрывающие пласт

пустые породы, объемы которых мнократно

превышали объемы полезных залежей. Так,

обычным явлением считается соотношение 1

полезного ископаемого на 5-10 м

вскрыш-

ных пород (иногда этот показатель доходит

до 25-30 м

) [35]. Использование мускульной

силы рабочих-землекопов, также как и приме-

нение тягловых лопат (животное, запряженное

землеройным совком) не решало проблему

вскрышных работ. Применение взрывчатых

веществ позволило механизировать трудоем-

кий процесс отделения скальных пород от мас-

сива, но отсутствие эффективных погрузочно-

транспортных средств по-прежнему сдержива-

ло развитие открытых разработок. Ручная по-

грузка горной массы и гужевой транспорт были

характерными чертами карьеров по добыче руд

и строительных материалов начала ХХ в. (рис.

4.63). Уже в то время карьер представлял собой

гигантскую ступенчатую воронку, состоящую

из системы уступов (ступеней), подвигание ко-

торых обеспечивало выемку горной массы. Су-

щественное расширение открытой разработки

месторождений происходит с внедрением в гор-

ное производство экскаваторной (землеройной)

техники, которая начала широко использовать-

ся на земляных работах с конца XIX в. при стро-

ительстве железных дорог и каналов [48].

114

Рис. 4.63 Карьер начала ХХ в.

Рис. 4.64 Паровой одноковшовый экскаватор

на рельсовом ходу

Первые экскаваторы (лат.: excavo – долблю) – самоходные машины

для выемки, транспортирования и погрузки горной массы, представля-

ли собой одноковшовые паровые агрегаты на рельсовом ходу (рис. 4.64).

В 1910 г. появились первые электрические экскаваторы, в 1912 г. – пол-

ноповоротные на гусеничном ходу с двигателем внутреннего сгорания, в

1916 г. – с дизельным двигателем. Производство экскаваторов в России

началось в 1901 г. на Путиловском заводе в Петербурге [49]. В бывш. СССР

выпуск экскаваторов был возобновлен в 1931 г. (паровые одноковшовые

экскаваторы на гусеничном ходу с объемом ковша 1,5 м

По принципу действия экскаваторы подразделяют на машины цик-

личного и непрерывного действия. Рабочий цикл машин первой груп-

пы складывается из 4-х последовательных операций: наполнения ков-

ша (черпания), пере-

мещения его к месту

разгрузки (транспор-

тирование), разгрузки

и перемещения ковша

к месту черпания. К

машинам циклическо-

го действия относят

конструкции с жестко-

шарнирной связью

ковша со стрелой

(прямая и обратная

лопаты) и с гибкой ка-

натной связью (грей-

фер, драглайн).

115

Прямая лопата (рис.

4.65) представляет собой

рабочее оборудование

одноковшового экскава-

тора, обеспечивающее ко-

пание движением стрелы

с ковшом от машины и

вверх, выше уровня ее ус-

тановки. Разгрузка ков-

ша производится откры-

тием днища. Прямая ло-

пата была сконструиро-

вана В. Отисом (США) в

1834 г. «Ходят» такие эк-

скаваторы на гусеницах,

на колесах, по рельсам, а

особо крпные – шагают

своими опорами в бук-

вальном смысле этого слова. Принцип «шагания» был разработан в

XIX в. англичанином Брунтоном, который изобрел паровоз не с коле-

сами, а с... «ногами» (опорами), которые, шагая по земле, должны были

двигать паровоз вперед. При испытаниях машины «ноги» оказались

слишком неторопливыми, а когда для максимального повышения ско-

рости повысили давление, котел лопнул. Над Брунтоном смеялись, но

идея шагающей машины не погибла и возродилась в начале ХХ в. в

шагающем экскаваторе [8]. В дальнейшем совершенствование машин

шло по пути повышения их мощности и работоспособности. Наиболее

крупные прямые лопаты, выпускавшиеся в бывш. СССР, имели объем

ковша 35 м

(модель ЭВГ-3565-М). В 1963 г. американской фирмой

«Marion» была разработана модель 6360, имеющая массу 11 тыс.т, вы-

нос стрелы – 72 м и емкость ковша 43 м

(в модернизированном вариан-

те 138 м

!). Эта машина (рис. 4.66) долгое время была самым большим

экскаватором в мире [50].

Обратная лопата (рис. 4.67) – тип рабочего оборудования одноков-

шового экскаватора, обеспечивающего копание движением стрелы и

рукояти с ковшом вниз и по направлению к самой машине (как правило

ниже уровня ее установки). Их применяют на открытых горных рабо-

тах при отработке карьерных уступов нижним черпанием, а также при

вспомогательных работах (проходка канав, траншей и др.). Идея об-

ратной лопаты впервые была высказана голландским инженером А.

Макари еще в 1763 г., т.е. раньше, чем была изобретена прямая лопата,

однако начала изготавливаться она лишь во второй половине XIX в.

Рис. 4.65 Экскаватор с прямой механической

лопатой: 1 – ковш; 2 – рукоять; 3 – стрела; 4 – корпус

экскаватора; 5 – гусеничный ход

116

Рис. 4.66 Самый крупный

экскаватор с прямой механи-

ческой лопатой американской

фирмы «Marion»

Рис. 4.67 Одноковшовый

экскаватор с обратной лопатой

Рис. 4.68 Грейферный экскаватор

Наиболее крупной обратной лопатой является модель Н-241 германс-

кой фирмы «Demag», которая имеет ковш объемом 14 м

, радиус копа-

ния 18,5 м, глубину копания 8 м и массу – 270 т.

К экскаваторам с гибкой (канатной) связью ковша со стрелой отно-

сится грейфер (рис. 4.68), используемый чаще всего на торфяных разра-

ботках, а также драглайн – одна из основных машин для открытых ра-

117

бот в карьерах. Драглайн

(рис. 4.69) предназначен

для черпания и укладки

на борт карьера взорван-

ных горных пород при

вскрышных работах .

Драглайны применяют

обычно при бестранс-

портной системе разра-

ботки. Его располагают

на верхней площадке ус-

тупа, выше забоя. Пере-

мещение и разгрузка ис-

полнительного органа

драглайна – ковша с уп-

ряжью – обеспечивается

двумя независимыми системами канатов (подъемных и тяговых). Боль-

шая длина стрелы позволяет производить черпание и разгрузку породы

на значительном расстоянии от экскаватора. Идея создания драглайна

принадлежит Леонардо да Винчи (см. гл. 2). Первая машина такого типа

была изготовлена в США в 1884 г. В бывш. СССР первый шагающий

драглайн с ковшом вместимостью 3,5 м

и стрелой длиной 36 м создан в

1946 г.; в 1950 г. был выпущен драглайн с ковшом 14 м

и стрелой 65 м, а

в 1977 г. – машина с рекордными параметрами соответственно 100 м

100 м (эксплуатируется на угольном разрезе в Канско-Ачинском бас-

сейне). Самая крупная модель драглайна создана в США – экскаватор

4250-W фирмы «Bucyrus-Erie» с ковшом вместимостью 168 м

и общей

массой 12,2 тыс. т [50]. Этот драглайн эксплуатируется на угольном ка-

рьере в штате Огайо и обеспечивает при отработке вскрышного уступа

мощностью около 50 м

производительность –

27-30 млн. м

/год.

Еще большую произ-

водительность обеспечи-

вают машины непрерыв-

ного действия – цепные и

роторные многоковшо-

вые экскаваторы. Цеп-

ной экскаватор (рис.

4.70) представляет собой

самоходную горную ма-

шину (на железнодорож-

Рис. 4.69 Драглайн: 1 – ковш; 2 – трос;

3 – стрела; 4 – корпус экскаватора

Рис. 4.70 Цепной экскаватор

(разработка бывш. СССР, 1949 г.)

118

ном или гусеничном ходу) с исполнительным органом в виде бесконеч-

ной цепи с закрепленными на ней ковшами (от 20 до 60 шт.). Он пред-

назначен для ведения вскрышных или добычных работ верхним и ниж-

ним черпанием в породах и углях невысокой крепости. Прототипом этих

машин была паровая плавучая землечерпалка, примененная еще в 1812 г.

русским инженером А. Бетанкуром в Кронштадте. Первый сухопутный

цепной экскаватор был создан в 1860 г. и работал на строительстве же-

лезных дорог в Арденнах. При проходке Суэцкого канала (1863-1868 гг.)

использовалось 7 таких экскаваторов, которые переместили 6 млн. м

грун-

та. В России производятся с 1901 г. Самый крупный цепной экскаватор

типа Е8 изготовлен в Германии и имеет массу 5,8 тыс. т, вместимость

ковша 4,5 тыс. л и производительность 14,5 тыс. м

/час по рыхлой массе.

Роторный экска-

ватор (рис. 4.71) – так-

же является машиной

непрерывного дей-

ствия для ведения

вскрышных или до-

бычных работ, рабо-

чий орган которого

представляет собой

ротор (вращающийся

диск) с ковшами. Пер-

вый патент на маши-

ну с роторными чер-

пающими колесами

получил американс-

кий инженер Ч. Смит в 1884 г. Изготовлен первый роторный экскава-

тор был в 1916 г. фирмой «Humboldt» (Германия) по патенту французс-

кого инженера Г. Швандера. Уже во второй четверти ХХ в. эти машины

стали широко применяться на угольных разрезах Германии. В бывш.

СССР производсвто первых роторных экскаваторов началось в 1958 г. в

г. Донецке по совместному проекту Донецкого и Новокраматорского ма-

шиностроительных заводов. Производительная мощность отечественных

роторных экскаваторов марки ЭР достигала 10 тыс. м

/час по рыхлой

массе. Самый большой роторный экскаватор SchRs-6340 (ФРГ) имеет

стрелу длиной 70,5 м; диаметр ротора 21,5 м; 18 ковшей вместимостью

6,3 м

каждый и обеспечивает производительность более 19 тыс. м

/час.

История становления и развития карьерной транспортной техники

тесно переплетена с созданием выемочно-погрузочного оборудования.

Разработка новых экскаваторов, увеличение их производительности

каждый раз выдвигала необходимость создания более совершенных

Рис. 4.71 Роторный экскаватор

119

транспортных средств. Для обеспечения высоких показателей откры-

тых горных работ обе смежные операции технологического цикла дол-

жны быть механизированы соответствующим друг другу оборудовани-

ем примерно равной производительности, что обуславливает практи-

чески единый погрузочно-транспортный процесс.

В первой четверти ХХ в. в основном использовался гужевой транс-

порт, на редких карьерах механизированный канатной дорогой или

маломощными паровозами с крытыми вагонами. В 30-х годах начина-

ется электрификация железнодорожного карьерного транспорта; в Гер-

мании и США появляются думпкары (вагоны с наклоняющимся кузо-

вом и откидывающимися бортами), позволяющие при перевозке гор-

ной массы на относительно короткие расстояния наиболее быстро про-

изводить экскаваторную погрузку и механизированную выгрузку.

Использование автомобильного карьерного транспорта началось в

бывш. СССР в 1932 г. на гравийных и песчаных карьерах, обслуживаю-

щих строительство канала «Москва-Волга». Подвижным составом слу-

жили автосамосвалы грузоподъмностью до 3 т, а также бортовые авто-

мобили с ручной разгрузкой. С конца 40-х годов автомобили применя-

ли на меднорудных карьерах Урала (в т.ч. – ЗИС-585, МАЗ-205 и др.).

Дальнейшее развитие автомобильного карьерного транспорта связано

с созданием семейства автосамосвалов БелАЗ (1961 г.), обеспечиваю-

щих грузоподъемность от 27 до 180 т. В США, где в карьерах преиму-

щественное распространение получил автотранспорт, фирмой «Катер-

пиллер» выпущен автосамосвал с донной разгрузкой при грузоподъем-

ности 250 т. Его длина 29 м, причем для сокращения разворотов он обо-

рудован двумя кабинами (одна спереди, другая – сзади). «Двухголовый

тянитолкай» развивает мощность 2000 л.с. Мировой рекорд грузоподъем-

ности держаит карьерный автосамосвал фирмы «Terex» (США) – 317 т.

Конвейерный транспорт в бывш. СССР впервые начали применять

на угольных карьерах Урала: на Богословском – с 1935 г., на Коркинском

с 1937 г. (использовались ленты шириной 700 мм и производительностью

от 100 до 150 т/час). С 1958 г. совместно с роторными экскаваторами кон-

вейерный транспорт начал использоваться для перемещения рыхлых по-

род на рудных карьерах, с 70-х годов – находит массовое применение. К

достоинствам этого типа транспорта следует отнести поточность пере-

мещения горной массы, высокую производиетльность (до 10 тыс. м

/час

по скальной горной массе и до 30 тыс. м

/час по рыхлой), возможность

большой длины транспортирования (до 15 км одним ставом конвейера и

более 100 км конвейерной линией), возможность перемещения горной мас-

сы под углом до 20°, что позволяет в карьерах сократить длину транспор-

тирования в 6-8 раз по сравнению с железнодорожным транспортом и в

3-4 раза по сравнению с автомобильным. Это дает возможность пола-

120

гать, что применение конвейерного транспорта является весьма перспек-

тивным направлением повышения эффективности открытых работ.

Значительный прогресс открытых горных работ в ХХ в. во многом

связан с совершенствованием взрывной технологии, широко применяе-

мой на карьерах для отделения пород от массива и их дробления. Рост

масштабов взрывных работ сдерживался в начале века несовершенством

и недостаточным количеством буровой техники. С 1926 г. на карьерах

СССР начали применять метод камерных зарядов с размещением боль-

шого количества взрывчатого вещества (до 10 т и более) в подземной

горной выработке (камере). Совершенствование буровой техники по-

зволило увеличить диаметр и глубину скважин на карьерах, перейти от

камерных зарядов к скважинным. На Украине этот метод впервые при-

менен в 1927 г. при разработке крепких грунтов на строительстве Днеп-

рогэса и получил быстрое распространение на карьерах.

Особо следует отметить большую созидательную работу взрывов при

применении крупных камерных зарядов [10]. В 1931 г. на Аршанском

месторождении андезита (в районе горы Казбек на Кавказе) бвл произ-

веден взрыв двух зарядов общим весом 21,7 т. Этим взрывом, обрушив-

шим 150 тыс. м

андезита к площадке завода, была обеспечена его полу-

годовая потребность. В 1935 г. у г. Подольска произведен взрыв 94 т ВВ

для ускорения работ по добыче сырья для цементных заводов. В 1936 г.

для вскрытия залежей бокситов у г. Тихвина был произведен взрыв 192 т

ВВ. В том же году грандиозными взрывами были осуществлены вскрыш-

ные работы на Челябинском угольном месторождении (Коркинский

взрыв). При этом был установлен мировой рекорд – зарядом 1808 т

было выброшено 1250 тыс. м

грунта и образована траншея длиной 1300 м,

шириной до 90 м и глубиной 22-25 м, что позволило сразу начать выемку

челябинских углей открытым способом (автор проекта – Г.П. Демидюк).

Мировой рекорд однокамерного взрыва был установлен в 1953 г. для

вскрытия карьера на Алтын-Топканском месторождении свинцовых руд.

Величина одновременно взорванного заряда в одной камере составила

1640 т. Эти взрывы послужили плодотворными производственными

экспериментами, доказавшими большие перспективы сочетания мощ-

ных взрывов и средств механизации погрузочно-транспортных работ

при открытой разработке месторождений.

Развитие механизации и применение эффективных технологий на от-

крытых работах обеспечили (в сравнении с подземным способом добы-

чи) рост производительности труда в 5-8 раз, снижение себестоимости

добычи в 2-4 раза, улучшение условий труда ( в т.ч. повышение безопас-

ности), более высокую степень извлечения полезного ископаемого из недр

и др. Это предопределило тенденцию интенсивного роста открытой раз-

работки месторождений полезных ископаемых в ХХ в. (табл. 4.1).