Настоящая статья – вторая из серии статей (первая см. журнал «Горная Промышленность» №6(76)/2007), подготовленных специалистами ИГД УрО РАН, посвященных новым конструктивным и технологическим решениям в области карьерного транспорта и других видов горной техники.
В настоящее время 70–80% дизельного топлива, потребляемого на горно-обогатительных комбинатах, приходится на карьерный автотранспорт. Традиционные методы снижения расхода дизельного топлива (нормирование, диагностика и др.), не требующие технического обеспечения и капитальных вложений, не обеспечивают должного эффекта в этом направлении. Для решения этого вопроса требуется проведение целого комплекса мероприятий как технологического, так и технического характера.
Объемы транспортируемой горной массы, продольный уклон автодорог, скорость движения автосамосвалов и мощность двигателя характеризуют энергопотребление автомобильного транспорта. Вместе с тем, эти факторы влияют на загазованность карьеров и определяют развитие фронта работ, что, в конечном счете, устанавливает размеры разноса бортов и возможной глубины карьеров. В настоящее время все острее встает проблема значительного сокращения потребляемого топлива карьерной техникой. Поэтому сокращение энергопотребления на открытых горных работах может рассматриваться по двум основным направлениям:
- совершенствование техники и технологии открытых горных работ, направленное на экономное расходование нефтяного топлива;
- перевод автотранспорта на потребление восполняемых видов энергии, то есть, в конечном итоге, на потребление электроэнергии.
Основным способом решения этих задач в ближайшей перспективе, на наш взгляд, станет создание новых (в том числе комбинированных) энергосиловых установок, которые позволят использовать особенности эксплуатации автосамосвалов на конкретных карьерах горнодобывающих предприятий.
Предпосылки к развитию новых транспортных технологий создают современные проекты отработки месторождений, в которых за счет более высоких требований к технике, увеличиваются объемы добычи, снижаются объемы горно-капитальных работ, продлеваются сроки службы карьеров.
Разрешению проблем карьерного транспорта на основе технического прогресса в значительной степени способствовали многолетние исследования, выполнявшиеся Институтом горного дела УрО РАН. [1] Исследования развития транспортных систем в последние десятилетия были направлены на решение следующих наиболее актуальных задач:
- изыскание способов крутонаклонного подъема горной массы с глубоких горизонтов карьеров, обеспечивающих минимальное занятие бортов карьеров транспортными бермами;
- разработка способов и средств перегрузки горной массы при комбинированном транспорте, обеспечивающих эффективную эксплуатацию сборочного и магистрального видов транспорта и минимальные площадки на уступах карьеров;
- обоснование рациональной последовательности формирования транспортных систем глубоких карьеров на основе оптимизации параметров и сфер применения основных и специализированных видов карьерного транспорта.
В соответствии с перечисленными задачами в настоящее время ведутся поисковые НИР по созданию новых транспортных схем отработки глубоких карьеров с применением автосамосвалов с комбинированными энергосиловыми установками, гусеничного и троллейвозного транспорта. В определенный период были выполнены НИР, направленные на разработку и применение на открытых горных работах дизель-троллейвозов. Однако по ряду технических, технологических, организационно-экономических и др. причин они не нашли практического применения на открытых горных работах.
На наш взгляд, основная же причина кроется в том, что эта задача решалась путем простой механической замены карьерного автосамосвала с дизельным двигателем на дизель-троллейвоз. При этом не вносились кардинальные изменения в условия их применения, т.е. не изменялась технология ведения открытых горных работ.
Проведенные испытания показали, что в принципе дизель-троллейвозы могут использоваться на открытых горных работах. При этом повышаются рабочие скорости движения и производительность транспортирования горной массы, сокращается расход дизельного топлива, снижается загазованность рабочей зоны карьера.
Однако для дизель-троллейвозов характерен ряд неустранимых недостатков: увеличение в целом массы дизель-троллейвоза в сравнении с дизель-электрическим автосамосвалом, за счет использования двух источников питания и силовых агрегатов; сложная разветвленная контактная сеть; повышенные требования к конструкции автодорог. Именно они стали непреодолимым препятствием на пути практического распространения дизель-троллейвозов на открытых горных работах. Одним из новых видов карьерного колесного транспорта может стать троллейвоз.
Идея применения на открытых горных работах троллейвозов не нова. Она впервые была реализована на Богураевском карьере в 1949 г. Несмотря на то, что промышленные испытания показали положительный результат, троллейвозный транспорт так и не был внедрен ни в одном из карьеров страны. Это объясняется рядом технологических трудностей, а также существовавшей относительно благоприятной обстановкой на рынке цен на нефтяное топливо.
В период 1970–1990-х годов большое внимание в СССР и за рубежом уделялось разработке и внедрению на открытых горных работах дизель-троллейвозов и его модификаций: гиро-троллейвозов, контактно-аккумуляторных троллейвозов и т.д. В технической литературе очень часто дизель-троллейвозы называются троллейвозами. Поэтому необходимо подчеркнуть, что в настоящей статье рассматривается «чистый» троллейвоз, не имеющий в своей конструкции дизельного двигателя. Напомним, что к изготовлению дизель- троллейвозов в разное время приступало ПО «БЕЛАЗ». Так в 1964 году был изготовлен опытный образец автопоезда троллейвоза БелАЗ-7524-792 грузоподъемностью 65 т. В качестве тягача использовалось шасси 40-тонного самосвала со всеми основными комплектующими узлами и агрегатами. Полуприцеп с задней разгрузкой и геометрической вместимостью кузова 34 м3 предназначался для перевозки вскрышных скальных пород. В 1968 г. были изготовлены шасси №2 и №3 для проведения межведомственных эксплутационных испытаний. Это были первые опытные образцы не только в отношении эксплуатации их в троллейном режиме, но и вообще первые – с электромеханической трансмиссией.
Рис. 1 Предлагаемая схема транспортирования фосфоритов троллейвозами от наземных складов (расположенных в 18 км) до объединенной ДОФ
Следует отметить, что одним из побудительных мотивов начала разработки и применения дизель-троллейвозов на открытых горных работах, стало отсутствие к тому времени надежных и экономичных дизелей, способных работать в номинальном режиме 80–90% времени движения в грузовом направлении.
Испытания дизель-троллейвозного транспорта по ряду причин закончились неудачно. Но первый практический результат был получен: выявлены технические проблемы эксплуатации контактных сетей, технологические условия применения троллейвозов и т.д. В 1986 г. на ПО «БЕЛАЗ» были изготовлены два дизель-троллейвоза грузоподъемностью 110 т на базе автосамосвалов БелАЗ-7519 с электромеханической трансмиссией. Испытания проводились на Куржункульском руднике ССГОКа. В результате была определена топливно-энергетическая эффективность их использования и произведена оценка эксплуатационных характеристик дизель-троллейвозного комплекса. Также были определены технические и технологические условия эффективного использования дизель-троллейвозов: напряжение в контактной сети – 900 В, руководящий уклон 8–10%, расстояние транспортирования не менее 1.5–2.5 км при степени троллеезации 70–80% и др.
Отметим, что у специалистов-горняков сложилось достаточно устойчивое отрицательное отношение к перспективности применения дизель-троллейвозов на открытых горных работах. С учетом этого, подчеркнем, что нами в современных исследованиях троллейвозам отводится несколько иная роль в транспортных схемах горнодобывающих пред приятий. А именно: троллейвозы предназначаются для осуществления транспортирования горной массы от подготовленных стационарных или передвижных перегрузочных пунктов. Роль же сборочного звена, но при значительно меньших расстояниях транспортирования и высоте подъема, остается за автомобильным транспортом меньшей грузоподъемности либо другими транспортными средствами, выполняющими эту роль: гусеничными самосвалами, откаточными вагонетками или шахтным скиповым подъемом. Анализ горнотехнических условий разработки полезных ископаемых на различных горнодобывающих предприятиях России и СНГ и принципов работы троллейвозов показывает, что троллейвозы грузоподъемностью 40–45 т, 90–100 т и 130–150 т могут найти достаточно широкое применение на открытых, а в некоторых случаях, и подземных работах.
Рис. 2 Примерная схема использования троллейвозного транспорта в условиях Карагайского карьера и ш. «Магнезитовая» (ОАО «Комбинат «Магнезит»):
1 – внутрикарьерный склад перегрузки руды (доставленной шахтным транспортом) экскаватором (2) в троллейвозы (3); 4 – наземный узел перегрузки руды из троллейвозов в магистральный транспорт (5)
Варианты их возможного применения рассмотрены на примере ряда горнодобывающих предприятий. Следует от метить, что в данной статье рассматриваются уже сложившиеся условия для применения троллейвозов, т.е. там, где имеются стационарные пункты загрузки троллейвозов и стационарные пункты их разгрузки при расстоянии транспортирования от 5 до 30 км и уклоне автодорог от 0 до 10%. Предпочтительная грузоподъемность троллейвозов для рассматриваемых вариантов составляет 42–45 т и 130–136 т. В одном из рассматриваемых примеров их грузоподъемность ограничивала конструкция путепровода через железную дорогу (рис. 1), во втором – ширина внутрикарьерных технологических автодорог (рис. 2), в третьем – состояние существующих автодорог на поверхности от шахты до ДОФ (рис. 3), в четвертом – принята равной грузоподъемности автосамосвалов, эксплуатирующихся на трассе «трубка «Зарница» – ДОФ-12» (рис. 4в). На практике могут быть и другие ограничивающие условия.
В работе [2], посвященной анализу опыта и оценке перспектив применения дизель-троллейвозов, сделан вывод о технико-экономической нецелесообразности использования на глубоких карьерах дизель-троллейвозов. Полностью соглашаясь с такими выводами, мы в то же время считаем, что в условиях глубоких карьеров использование троллейвозов целесообразно в совокупности с другими транспортными средствами, т.е. в новой и единой технологической цепочке. Прекрасно осознаем, что согласиться с этой идеей достаточно трудно, не вникнув в суть предложения. Поэтому рассмотрим несколько аспектов реализации такой идеи.
Рис. 3 Предлагаемая схема использования троллейвозов для наземного транспортирования руды от ствола ш. «Молодежная» до ДОФ, расположенной в 30 км
Так отметим, что на Куржункульском руднике применялись дизель-троллейвозы, созданные на основе автосамосвалов, у которых все внутренние системы запитывались от двигателя внутреннего сгорания. Понятно, что при этом дизель-троллейвозы расходовали горючее как при движении в автономном режиме, так и при движении под контактной сетью. Мы же убеждены, что сегодня возможен новый подход в решении этих проблем, в первую очередь, благодаря исключению из конструкции троллейвоза двигателя внутреннего сгорания и достижения такого результата, как рекуперация электроэнергии и сброс ее в контактную сеть. Причем, применение закольцованной схемы движения, не имеющей пересечения транспортных коммуникаций в одной плоскости, даст еще больший и резкий рост производительности троллейвозов, используемых в качестве внешнего транспорта карьеров. И особенно этого можно ожидать при комбинированной схеме: автомобильный транспорт внутри карьера или в глубинной его части, а троллейвозный – на поверхности и на верхних горизонтах с обустройством перегрузочных складов-накопителей.
Такая технологическая схема, несомненно, найдет применение на карьерах, где используется исключительно автомобильный либо специальный (на гусеничном ходу) виды транспорта (рис. 4). Вопросы создания новых или модернизации уже имеющихся транс портных средств, например, троллейвозного типа – это дело времени. С учетом таких схем считаем, что троллейвозный транспорт для горных предприятий станет, наряду с автомобильным, вполне привычным и самостоятельным видом транспорта. На карьере кимберлитовой трубки «Зарница» в Западной Якутии, на наш взгляд, сложилась ситуация, при которой применение троллейвозов грузоподъемностью 120–130 т наиболее рационально, т.к. в технологической цепи транспортирования руды с рудного склада до обогатительной фабри ки имеется узел ее перегрузки [3].
Рис. 4 Структурно-технологические схемы отработки карьеров с использованием различных видов транспорта:
- a) внутрикарьерный и наземный транспорт – автомобильный; перегрузочный склад – на поверхности;
- б) внутрикарьерный транспорт – автомобильный, наземный транспорт – троллейвозный; перегрузочный склад на поверхности;
- в) гусеничные внутрикарьерные самосвалы – на нижних горизонтах, внутрикарьерный и наземный транспорт – троллейвозный; перегрузочный склад – внутри карьера
«Зарница» находится на площади Долдынского кимберлитового поля в Западной Якутии, в 14 км восточнее города Удачного и в 18 км от обогатительной фабрики №12, на которой перерабатывается руда трубки «Удачная». Месторождение представлено вертикально залегающим рудным телом цилиндрической формы, отработка которого ведется сезонно, в зимний период времени. Транспортирование руды осуществляется автомобильным транспортом. В перспективе предполагается строительство линии электропередачи, мостового перехода через реку Долдын под груженые автосамосвалы грузоподъемностью 120–136 т, уширение и укрепление дорожного полотна автодороги до параметров, обеспечивающих круглогодичную работу большегрузного транспорта [4]. Основным препятствием для интенсивной отработки за пасов бедной товарной руды трубки «Зарница» стали значительные (порядка 3 млрд. т•км) объемы транспортной работы, необходимые для доставки руды на обогатительную фабрику. В связи с этим актуальной задачей стало изыскание наиболее экономичного вида транспорта руды при формировании наземной транспортной системы, включающей технологичные узлы ее перегрузки с одного вида транспорта на другой, промежуточные склады и узлы загрузки в бункер обогатительной фабрики при минимальных затратах на перевозку горной массы.
Анализ транспортной цепи в технологии добычи, складирования и доставки руды из карьера «Зарница» на фабрику №12 показал, что недостатки, характерные дизель-троллей возам при их использовании в карьерах, исключаются при использовании для этого «чистых» троллейвозов. Так, для обеспечения безопасности эксплуатации дизель-троллейвозов контактная сеть должна располагаться на расстоянии не менее 300–600 м от фронта горных работ, что гарантирует ее неуязвимость при ведении массовых взрывов [2]. Это условие выполнимо при использовании троллейвозов для до ставки руды со склада, расположенного на борту карьера до обогатительной фабрики №12 (см. рис. 4в).
После переноса рудного склада непосредственного в карьер «Зарница» это условие также соблюдается. При этом из-за отсутствия дизельного двигателя в конструкции троллейвоза снижается общее количество загрязнителей атмосферы карьера. В нижней части карьера для доставки руды из забоев до внутрикарьерных перегрузочных складов мо гут быть использованы карьерные автосамосвалы или гусеничные самосвалы грузоподъемностью 20–40 т. Далее на складах руда загружается в троллейвозы грузоподъемностью 120–130 т, транспортирующие ее до обогатительной фабрики (см. технологические схемы на рис. 4б, в). Стоимость троллейвозов будет значительно ниже, чем дизель-электрических автосамосвалов, в т.ч. дизель-троллей возов равной грузоподъемности. Основная причина этого – отсутствие у троллейвозов второго силового агрегата (дизельного двигателя), что обеспечивает снижение на 10–15% общей массы троллейвоза при сохраняющейся грузоподъемности, благодаря отсутствию не толь ко дизельного двигателя, но и топливного и масляного баков, масляного и водяного радиаторов, систем отвода отработавших газов и ряда других.
Следует подчеркнуть, что переход на троллейвозы в условиях карьера «Зарница» не вызовет необходимости расширения автомобильной дороги, т.к. они используются в средней и верхней частях карьера, и по причине расположения опор контактной сети за предела ми дороги, нет ужесточения требований к прочности дорожной конструкции. Что касается затрат на шины, то из меньшей собственной массы троллейвоза они будут ниже, чем у дизель-электрических автосамосвалов и дизель-троллей возов. Особенно, в случаях, когда троллейвозы используются практически на горизонтальной дороге, как на трубке «Зарница», то экономически целесообразным уже будет применение троллей возов на базе полуприцепов грузоподъемностью 130–150 т.
Для троллейвозов вопрос установления рабочей скорости движения должен решаться совместно с заказчиком с учетом горнотехнических, сезонно-климатических и других условий конкретного предприятия и его технико-технологических предпочтений. Например, что для АК «Алроса» станет предпочтительным: повышение скорости троллейвоза, следовательно, и производительности троллейвозов или достижение минимальных затрат на транспорт единицы руды? Переход действующего карьера с автомобильного на троллейвозный транспорт связан с принципиальным изменением схемы его электроснабжения, обусловленным необходимостью строительства новой, более мощной распределитель ной трансформаторной станции, а также контактных линий, тяговых подстанций и т.д. Даже с учетом этих факторов вариант троллейвозного транспорта станет, несомненно, дешевле, чем вариант со стандартными дизельными самосвалами, требующими больших и постоянных расходов на доставку дизельного топлива в отдаленный район Западной Якутии. По предварительным расчетам, экономический эффект от применения троллейвозов за период эксплуатации карь ера «Зарница» до глубины 200 м составит 7–8 млрд. руб. (cм. табл.). Еще большая эффективность будет достигнута при отработке карьера на глубину до 400 м.
Технико-экономические показатели использования троллейвоза на базе самосвала БелАЗ-75131 в условиях алмазного карьера «Зарница»
Ведение горных работ в зоне карьера, расположенной ниже троллейвозной трассы усложняется такими операциями, как транспортирование горной массы по участкам дорог с повышенным уклоном, возрастание доли объема маневровых и по грузочно-разгрузочных операций в продолжительности транс портного цикла. Все это предъявляет к существующему транс портному оборудованию новые требования, зачастую превышающие их возможности. Так как обновление парка карьерных машин и повышение уклонов трасс ведет к большим затратам и неудобствам, характерным периоду реконструкции, то наименее затратным решением становится комбинирование существующих транспортных коммуникаций и оборудования со специализированным транспортом для глубинной части карьера. С целью доработки запасов в существующих контурах, а возможно и за их пределами предлагается использовать углубочный комплекс, включающий гусеничный самосвал и специализированный экскаватор, т.е. машины, способные работать на сверхкрутых (до 30–35%) уклонах.
Таким образом, обязательные условия обеспечения рационального и эффективного применения троллейвозов на от крытых горных работах заключаются в следующем:
- удаленность троллейных линий от места производства взрывов – на 300–600 м;
- наличие стационарного перегрузочного пункта в технологическом цикле транспортирования горной массы;
- расстояние транспортирования горной массы – 3–30 км;
- наличие устойчивого снабжения электроэнергией;
- значительная удаленность горнодобывающего предприятия от мест добычи нефти и нефтеперерабатывающих заводов;
- срок эксплуатации контактной сети – не менее 5–8 лет.