Механическое рыхление - послойное отделение породы от массива и разделение ее на куски при помощи механических рыхлителей. Размеры кусков породы, отделенных от массива, должны обеспечивать высокую производительность выемочно-погрузочного и транспортного оборудования при разработке пластов различной мощности.

Применяемые рыхлители по способу крепления рабочего органа разделяются на навесные и прицепные. Основным преимуществом навесных рыхлителей по сравнению с прицепными является возможность использования массы тягача для заглубления рабочего органа рыхлителя. Прицепные рыхлители осуществляют рыхление на глубину не более 0,5 м, а навесные - на глубину до 2 м.

Техническая характеристика рыхлителей приведена в табл. 1, а бульдозерно-рыхлительных агрегатов (тракторы, комплектно поставляемые с навесным оборудованием бульдозеров и рыхлителей) - в табл. 2.

Техническая характеристика отечественных рыхлителей.

Таблица 1

Показатели	ДП-	ДП-	ДП-	ДП-	ДП-	ДП-	ДП-
	26С	22С	9ВХЛ	10С	29АХ	141ХЛ	35УХ
					Л		Л
Базовый трактор	Т-130	Т- 180КС	ДЭТ- 250М	ТТ-330	ТТ-330	Т-500	Т-50.01
Мощность	118	133	243	250	250	353	523
двигателя, кВт
Тяговый	100	150	250	250	250	350	750
класс, кН
Число зубьев	1	1;3	1	1;3	1	1	1
Расстояние между осями зубьев, мм	-	795	-	700	-	-	-
Ширина наконечника зуба, мм	66	86	105	114	114	120-125	125-130
Глубина рыхления, мм	450	500	1200	700	700	1300	1780
Угол рыхления, градус	45	48	45	45	45-50	25-50	30-83
Масса рыхлительного оборудования, т	1,4	3,1	3,9	5,4	6,6	7	12,7

Конструктивная схема навесного рыхлителя показана на рис. 1.

Основными параметрами, характеризующими рабочий угол рыхлителя, являются угол резания γ, угол заострения ω, задний угол φ, толщина и длина зуба и расстояние между зубьями (рис. 2).

Угол резания оказывает существенное влияние на силу резания. Увеличение угла резания (рыхления) с 40 до 60° повышает лобовое сопротивление режущему органу (зубу) в 2 раза. Чрезмерное уменьшение угла резания (до 30° и менее) может сопровождаться увеличением сопротивления породы рыхлению (особенно при резании вдоль напластования). Рациональные значения угла рыхления при разработке скальных, полускальных и мерзлых пород находятся в пределах 30 - 45°. При разработке глин с включением валунов угол рыхления несколько увеличивается.

Угол заострения наконечников находится в пределах 20 - 30°. Во всех случаях угол заострения должен быть таким, чтобы при любом заглублении зубьев задний угол Ф был не менее 5° при рыхлении полускальных и скальных пород. При меньшем значении заднего угла ф происходит смятие породы задней гранью наконечника, в результате чего возрастает сопротивление породы рыхлению и повышается износ наконечника.

Техническая характеристика бульдозерно-рыхлительных агрегатов отечественного производства.

Таблица 2

Показатели	ДЗ-116А; ДЗ-116В	ДЗ-117; ДЗ-117А	ДЗ-35С; ДЗ-22С	ДЗ-126; ДЗ-126А	ДЗ-94С; ДЗ-95С	ДЗ- 129ХЛ	ДЗ- 141ХЛ	ДЗ- 159УХЛ; ДП-35УХЛ
Базовый трактор Тяговый	Т-130.1 Г-1; Т-130.1 МГ-1; 100		T-I80KC	ДЭТ- 250М	Т-ЗЗО	ТТ-ЗЗОР- 1-01	Т-500Р-1	Т-50.01
			150	250			350	750
класс, кН
Бульдозер	ДЗ-110А ДЗ-110B	ДЗ-109; ДЗ-109Б	ДЗ-35С	ДЗ-118	ДЗ-59С; ДЗ-59ХЛ	ДЗ- 124ХЛ	ДЗ- 141ХЛ	ДЗ- 159УХЛ
Рыхлитель	ДП-26С		ДП-22С	ДП- 9ВХЛ	59ХЛ ДП-10С	ДП- 29АХЛ	ДЗ- 141ХЛ	ДП- 35УХЛ
Габариты, мм: длина ширина высота	6400	6570	8350	9215	8740	9290	10305	11200
	3220	4120	3640	4310	4730	4730	4800	6050
	3087	3087	2825	3240	3450	4230	4295	4785
Масса, т	17,8	17,9	27	42	52,8	50,5	59,5	90,1

Рис. 1 - Конструктивная схема навесного рыхлителя: 1 - наконечник зуба: 2 - стопорное устройство; 3 - стойка: 4 - поворотная скоба; 5 - тяга; 6 - рабочая рама: 7 - гидроцилиндр привода; -V - опорный кронштейн: 9 - болты крепления на базовом тракторе: 10 – тягач

Рис. 2 - Параметры рыхления при заглублении прямого наконечника

Толщина стоек рыхлителя должна быть минимальной при достаточной прочности. У рыхлителей она составляет 60-100 мм.

Длина стоек должна быть на 250 - 300 мм больше максимального заглубления зуба рыхлителя, что обеспечивает беспрепятственный проход рамы рыхлителя над разрыхленной породой.

Вынос стоек относительно гусениц тягача Lc = (1,5-2)h3, где hз - максимальное заглубление зуба рыхлителя.

Механическое рыхление пород осуществляется при движении тягача с заглубленным зубом. При создании значительных усилий на режущей кромке зуба происходит отрыв кусков породы от массива и разрушение породы в пределах трапециевидной прорези (рис. 3). Разрушение породы происходит в результате развития в ней сложного напряженного состояния. В разных частях прорези разрушение идет разными путями. Порода разрушается преимущественно путем сжатия и сдвига перед лобовой гранью зуба, отрыва и сдвига - в боковых расширениях прорези и среза - у боковых ребер зуба возле режущей кромки. Кроме того, затупленной режущей кромкой или изношенным наконечником осуществляется смятие породы.

Рис. 3 - Сечения одиночных борозд рыхления: а, б - соответственно фактическое и теоретическое для монолитного массива; в, г – соответственно фактическое и теоретическое для трещиноватого массива.

Удельное сопротивление породы разрушению при рыхлении K ' изменяется в зависимости от свойств породы и формы наконечника. Его значение близко к пределу сопротивления пород растяжению, т.е. К' = (1,3- 1,5)σр, что свидетельствует о том, что данный способ разрушения наименее энергоемкий.

При рыхлении монолитного массива в нижней его части образуется щель (рис. 4), ширина которой соответствует ширине применяемого наконечника, а глубина составляет 15-20 % от заглубления зуба. Угол наклона боковых стенок борозды α изменяется в зависимости от состояния рыхлимого массива в пределах 30 - 80°. При рыхлении сложнотрещиноватого массива (см. рис. 4) разрушение происходит по плоскостям ослабления его трещинами. Внедрение зуба в массив при этом сопровождается интенсивным разрушением стенок по всей глубине борозды.

Рыхление массива производится параллельными смежными проходами рыхлителя. Расстояние между двумя смежными проходами Сс.п выбирается из условия обеспечения требуемой кусковатости и глубины рыхления массива. При параллельных проходах рыхлителя между двумя смежными бороздами в нижней части последних образуются целики, которые затрудняют выемку породы на полную глубину внедрения (см. рис. 4). Поэтому глубина эффективного рыхления массива hэ меньше заглубления зуба hз. Разрушение целиков может производиться перекрестными проходами рыхлителя, перпендикулярными (диагональными) к первоначальным (параллельным смежным) проходам.

Рис. 4 - Сечения борозд рыхления при параллельных проходах рыхлителя: α – в монолитном массиве; б - в трещиноватом массиве; 1 - целики

Расчёт параметров механического рыхления

Эффективность рыхления горных пород зависит от тяговых характеристик трактора, параметров рыхлителя, физико-механических свойств пород и структуры массива. Существенное влияние на производительность рыхлителя оказывают глубина погружения зуба и скорость движения рыхлителя. Эти параметры не могут приниматься произвольно, а должны рассчитываться по тяговой характеристики тяговой машины с учётом свойств рыхлимых пород.

Область применения и эффективность механического рыхления определяются степенью рыхлимости массива. Быстрое и сравнительно недорогостоящее получение необходимой информации о свойствах разрабатываемого массива дают сейсмоакустические методы исследований, основанные на изучении характера распространения упругих колебаний в массиве. Установлено, что скорость распространения упругих волн достаточно полно коррелируется с прочностью и трещиноватостью массива и может служить в качестве обобщенного показателя, учитывающего изменение этих факторов. С увеличением прочности породы скорость распространения упругих волн увеличивается, а с увеличением трещиноватости - уменьшается. Скорость распространения упругих волн в массиве горных пород и в образцах существенно различается. Это различие обусловлено структурой массива, и, прежде всего, трещиноватостью. Учитывать структурную характеристику массива рекомендуется через параметр, называемый акустическим показателем:

где υс – скорость распространения продольных упругих волн в массиве, м/с;

υу – скорость распространения продольных упругих волн в монолитном образце рыхлимой породы, м/с.

По величине акустического показателя и тягового класса трактора оптимальное заглубление зуба можно определить по предлагаемой номограмме (рис. 5) [1].

Породы вскрыши Зашуланского каменноугольного месторождения представлены четвертичными отложениями, включающими в себя почвенно-растительный слой мощностью от 0,2 до 0,6 м, суглинками мощностью от 15 до 18 метров, песчано-галечниковыми образованиями мощностью от 0,5 до 15 метров и коренными породами, состоящих из аргиллитов и алевролитов. Удельный вес вскрышных пород составляет 2,2 т/м3. Согласно геологического отчёта породы вскрыши в талом состоянии хорошо поддаются прямой экскавации и не требуют предварительного рыхления. Породы вскрыши находящиеся в мёрзлом состоянии и уголь могут разрабатываться только после предварительного рыхления. Коэффициент крепости мёрзлых пород находится в пределах 3-5 и данные породы можно отнести к классу средне- и труднорыхлимых, характеризуемых скоростью распространения продольных упругих волн в массиве в среднем 3000 м/с при акустическом показателе 0,4.

С целью оптимизации параметров подготовки пород к выемке механическим рыхлением рассмотрим три типоразмера бульдозерно-рыхлительных агрегатов различного тягового класса, в том числе ДЗ-35С (150 кН), ДЗ-94С (250 кН), ДЗ-141ХЛ (350 кН). Характеристики базовых тракторов приведены в таблице 1.

По данным номограммы величина заглубления зуба рыхлителя соответственно будет составлять 0,35; 0,51; 0,69 м.

Рис. 5 - Номограмма для определения возможного заглубления hз зуба рыхлителя в зависимости от акустических характеристик массива υу и R, мощности тягача N и силы тяги F рыхлителя: 1,2,3,4 - при значениях υу соответственно 1000, 2000, 3000 и 4000 м/с

Выполним расчёт основных параметров рыхления для бульдозера-рыхлителя ДЗ-35С.

Определим ширину прорези понизу

в = КзЧ вз, м;

где вз – ширина коронки, м;

Кз – (1 - 1,1) – коэффициент

в = 1,05Ч0,086 =0,09 м.

Определим ширину прорези поверху

В= в+2ЧКтЧhзЧctgα, м;

где Кт = 0,85 коэффициент трещиноватости;

α=500 – угол наклона стенок прорези;

hз – возможное заглубление зуба рыхлителя, м.

В=0,09+2Ч0,85Ч0,35Чctg50=0,59 м.

Определим глубину эффективного рыхления

hэ=0,6 Ч hз, м;

hэ=0,6 Ч 0,35 = 0,21 м.

Определим расстояние между соседними проходами рыхлителя

С=в+[(hз-hэ)Ч2ctgα]ЧКт, м;

С=0,09+[(0,35-0,21)Ч2ctg50]Ч0,85=0,29 м;

Для других бульдозеров-рыхлителей расчёт параметров механического рыхления выполнен аналогично, результаты расчётов приведены в таблице 3.

Расчёт параметров механического рыхления

Таблица 3

Наименование показателя	ед. изм	Тип бульдозерно-рыхлительного агрегата
		ДЗ-35С (150 кН)	ДЗ-94С (250 кН)	ДЗ-141ХЛ (350 кН)
Ширина прорези понизу, (в)	м	0,09	0,12	0,13
Ширина прорези поверху, (В)	м	0,59	0,85	1,11
Глубина эффективного рыхления, (hэ)	м	0,21	0,31	0,41
Расстояние между проходами рыхлителя, (С)	м	0,29	0,40	0,53

Технология отработки уступа

Необходимость разработки уступов слоями небольшой мощности и, как следствие этого, незначительная высота забоя погрузочного механизма несколько ограничивают область применения рыхлителей и оказывают существенное влияние на выбор рациональных средств комплексной механизации и технологии добычных работ. С одной стороны, незначительная высота забоя затрудняет непосредственную выемку разрыхленной горной массы механическими лопатами, так как для производительной их работы в данном случае требуется предварительное ее штабелирование. С другой стороны, механическое рыхление, обеспечивая высокое качество подготовки скальных и полускальных пород, позволяет повысить эффективность работы и расширить область применения таких выемочно-погрузочных механизмов, как скреперы, бульдозеры, одноковшовые погрузчики, многочерпаковые и роторные экскаваторы, погрузочные машины непрерывного действия и др.

Рыхление массива навесными рыхлителями можно вести горизонтальными или наклонными слоями. При работе горизонтальными слоями по мере рыхления и погрузки породы высота уступа в зоне погрузки постоянно уменьшается, что приводит к снижению производительности экскаватора и требует дополнительных объёмов бульдозерных работ. Поэтому наиболее рациональной при рыхлении горизонтальными слоями является подъуступная схема, при которой разрыхленная порода сталкивается бульдозером по выположенному откосу на подошву уступа, где и производится её погрузка в транспортные средства (рис 6).

При рыхлении наклонными слоями откос уступа выполаживается до 20-25о, что позволяет значительно увеличить производительность рыхлителей и бульдозеров.

Объём готовых к выемке запасов (Vз) в зимний период должен соответствовать 7-10 дневной производительности выемочно-погрузочной машины. Для условий Зашуланского разреза, при суточной производительности экскаватора 3900 м3/сут, этот объём будет составлять 39 тыс.м3. Параметры блока определяются исходя из высоты уступа, ширины заходки и нормативного объёма готовых к выемке запасов. В соответствие с этим, размеры блока принимаются равными: высота (Hу) – 10 м; ширина (B) – 27 м; длина (L) - м.

Рис. 6 - Схема производства добычных работ с применением рыхлителей: а - разработка уступа наклонными слоями; б - разработка уступа горизонтальными слоями с нормальным откосом уступа; в - то же, с выположенным откосом; 1 - экскаватор; 2 – бульдозер; 3 - погрузчик

Для рыхления мёрзлых откосов уступов необходимо провести их выполаживание до угла 20о. Рыхление верхней площадки уступа производится поперечными ходами с предварительным созданием вдоль фронта работ зоны ослабления мёрзлого массива, которая выполняется заездами рыхлителя продольными параллельными полосами и служит для снижения усилия при заглублении зуба. Рыхление откосов осуществляется в направлении уклона по мере понижения уступа. Разрыхленная порода очередного слоя бульдозером транспортируется к забою экскаватора. На работах по рыхления и транспортированию пород применяем бульдозерно-рыхлительный агрегат. Схема ведения работ приведена на рисунке 7.

Расчёт производительности рыхлителя

Выполним расчёт производительности бульдозерно-рыхлительного агрегата ДЗ-35С.

Определим время на рыхление мёрзлых пород в пределах одного заезда

, мин;

где tз, tв – время заглубления и выглубления зуба рыхлителя, мин (принимается равным соответственно 0,15 и 0,1);

tр – время рыхления пород в пределах одного заезда, мин:

,мин;

где В – ширина верхней площадки уступа, м;

Hу – высота уступа, м;

α – угол откоса уступа, град;

υр – скорость движения рыхлителя, м/мин;

мин.

мин.

Рассчитаем время заезда рыхлителя на новую борозду

, мин;

где tм, tп – время на маневры рыхлителя и переключение передач, мин, соответственно принимаются равными 0,3 и 0,15 мин;

tд – время движения холостым ходом, мин

, мин;

где υХХ – скорость движения рыхлителя на холостом ходу, м/мин;

мин.

мин.

Определим часовую производительность рыхлителя

, м3/час;

где kи – коэффициент использования рыхлителя в течение смены.

м3/час;

В пределах подготавливаемого блока объём рыхления мёрзлых пород равен

,м3;

где Hм – мощность слоя мёрзлых пород, м.

тыс.м3.

Определим время необходимое для рыхления мёрзлых пород в блоке

ч.

Расчёт производительности бульдозера

Определим время цикла бульдозера

где Lн – расстояние набора породы бульдозером, м;

Lг – расстояние на которое перемещается порода, м;

υн – скорость движения бульдозера при наборе породы, м/с;

υг и υп – установленная скорость хода соответственно гружёного и порожнего бульдозера, м/с;

tп – время на переключение скорости, с.

с.

Определим объём призмы волочения перемещаемой бульдозером

где hо и l – соответственно высота и длинна отвала бульдозера, м;

a – угол откоса развала, град.

м3.

Определим часовую производительность бульдозера по формуле

где Тц – время цикла бульдозера, с;

V – объём призмы волочения, м3;

kв – коэффициент использования машины во времени в смену;

kр – коэффициент разрыхления породы.

м3/час.

Определим время необходимое для перемещения мёрзлых пород в блоке

ч.

Время необходимое для подготовки пород к выемке в границах рассматриваемого блока составит

ч.

Для других бульдозеров-рыхлителей расчёт производительности выполнен аналогично, результаты расчётов приведены в таблице 4.

Расчёт производительности бульдозеров-рыхлителей

Таблица 4

Наименование показателя	ед. изм	Тип бульдозерно-рыхлительного агрегата
		ДЗ-35С (150 кН)	ДЗ-94С (250 кН)	ДЗ-141ХЛ (350 кН)
Рыхление блока
Tрз	мин	1,71	1,57	1,16
tр	мин	1,46	1,32	0,91
TХХ	мин	1,62	1,51	1,18
tд	мин	1,17	1,05	0,73
Qр	м3/ч	59,8	131,6	303,5
Vр	м3	29 400
Tбр	ч	492	223,4	96,7
Сталкивание пород
Tц	с	449	336	285,6
V	м3	6,9	12,5	16,7
Qб	м3/ч	31,9	77,2	121,4
Tбб	ч	921,6	380,1	242,2
ТП	ч	1413,6	603,5	338,9

Расчёт затрат на механическое рыхление пород

Затраты на механическое рыхление мёрзлых пород выполним на основании расчёта стоимости одного машино-часа работы бульдозера. В общем случае в данном расчёте рассматриваются следующие статьи затрат:

- оплата труда (ЗОТ);

- амортизация (А);

- стоимость ГСМ (ЗГСМ);

- затраты на текущий ремонт (ЗТР);

- стоимость запасных частей (ЗЗЧ);

- стоимость малоценных предметов (ЗМЛ);

- прочие неучтённые затраты (ЗПР), т.е.

, руб/ч

Базовую часовую ставку (СБ) оплаты труда машиниста бульдозера назначаем в зависимости от мощности и производительности оборудования для принятых типоразмеров соответственно 68,2; 85,2; 102,3 руб. Определим часовую ставку оплаты труда машиниста бульдозера с учётом дополнительных выплат:

- районный коэффициент (кР = 1,2);

- надбавка за выслугу лет (кл = 1,3);

- дополнительные выплаты за работу в ночное время и праздничные дни (кД = 1,4);

- стимулирующая надбавка за выполнение плановых объёмов работ (кП = 1,4);

- единый социальный налог (кс = 1,268)

;

руб/ч.

Амортизационные отчисления рассчитаем исходя из нормативного срока окупаемости оборудования (TОК = 7 лет) и годовой наработке бульдозерно-рыхлительного агрегата (ТН = 4320 ч), при балансовой стоимости машин (ЦБ) соответственно 4,2; 9,0; 11,9 млн.р.

руб/час.

Стоимость дизельного топлива (ЦДТ) при цене за 1 килограмм 29,4 руб определим из нормативного удельного расхода топлива (gУД)отечественными бульдозерами 3,24 грамма на 1 кВт мощности двигателя (N) в минуту. Расходы на моторное, трансмиссионное и гидравлическое масла и густые смазочные материалы принимаем в размере 20% от затрат на дизельное топливо, что учтём через коэффициент дополнительных затрат (кДЗ = 1,2).

руб/ч.

Затраты на текущий ремонт для гусеничной техники в среднем составляют 20% от величины амортизационных отчислений, т.е

руб/ч.

Стоимость запасных частей в среднем составляет 30% от величины затрат на текущий ремонт оборудования, т.е

руб/ч.

Стоимость малоценных предметов принимается в размере 10% от величины затрат на текущий ремонт оборудования, т.е

руб/ч.

Величина неучтённых затрат принимается в размере 20% от суммы затрат на эксплуатацию оборудования

руб/ч.

Определим сумму затрат на рыхление мёрзлых пород бульдозером-рыхлителем ДЗ-35С

руб/ч