Карьерные дороги могут приносить деньги!
Статья была опубликована в «Журнале Южноафриканского института горного дела и металлургии» (Journal of The Southern African Institute of Mining and Metallurgy) № 115 от ноября 2015 года. Переведено и напечатано с разрешения автора и редакции журнала.
Источник: http://www.saimm.co.za/Journal/v115n11p993.pdf, Haul roads can make money!
Перевод с англ.: С.С.Верхозин, к.ф.н., вед.аналитик АО «Иргиредмет»
Прошло 20 лет с момента публикации передовой работы Томпсона и Виссера, посвященной проектированию и управлению дорогами на открытых рудниках ЮАР [Thompson, Visser, 1996a, 1996b, 1998, 1999, 2000a]. Представленная в ней система базируется на трех основных принципах:
-структурной возможности обеспечивать передвижение тяжелых самосвалов с нагрузкой,
-правильном подборе горной техники и типов поверхности дорожного покрытия с учетом минимального влияния на окружающую среду,
-соответствующем техническом обслуживании с целью предотвращения износа и повреждений.
Совершенно очевидно, что в этом вопросе особую важность приобретает подготовка подходящей схемы и модели сети карьерных дорог.
Сегодня представленные выше принципы применяются во всем мире, поэтому было бы полезно обратить внимание на полученный в результате этого опыт. Цель данной статьи —провести критический обзор состояния области проектирования и управления карьерными дорогами, влияния указанных принципов на работу горнодобывающего предприятия, в частности с точки зрения рентабельности.
В работе представлен краткий разбор основных аспектов данного процесса и степени, с которой они применимы. Чтобы продемонстрировать действенность и эффективность приложения выделенных принципов, в работе приводится ряд практических примеров с предприятий.
Помимо реализации на открытых рудниках, данные принципы в равной мере действительны и для подземной добычи, поэтому в статье представлены начальные результаты работы в этом направлении.
Приоритет при подготовке надлежащего проекта системы карьерных дорог отдается следующему:
-Строительству безопасных дорог мирового стандарта для всех участников движения (безопасность обсуждению не подлежит).
-Снижению расходов на эксплуатацию самосвалов благодаря уменьшению нагрузки на приводные механизмы, колеса, рамы, подвеску, что в результате обеспечивает более длительный срок службы компонентов техники.
-Сокращению времени цикла работы, что влечет за собой повышение продуктивности, снижение расходов в расчете на тонну материала вследствие улучшения процесса использования имеющихся активов.
- Более эффективному применению оборудования для обслуживания дорог на основе управленческого подхода.
Геометрическая модель
Модель сети карьерных дорог должна удовлетворять требованиям, обусловленным особенностями горной деятельности. Порой первый и второй аспекты (модель и требования) противоречат друг другу, поскольку идеальный проект с точки зрения создания вертикальных градиентов и горизонтального искривления дороги возможно реализовать не во всех случаях.
Основополагающий принцип здесь — карьерная дорога не должна пре-пятствовать максимально эффективной работе самосвалов. Так, радиус горизонтального искривления должен быть по возможности бóльшим — таким, чтобы техника могла двигаться на высокой скорости без излишнего повреждения дорожного покрытия. Главным ограничением на это выступает радиус в тупиках. В этом случае достаточный радиус искривления не представляется возможным обеспечить просто из-за нехватки пространства, и в результате это может привести к повреждению дорожного полотна: колеса самосвала шлифуют по дороге, а не вращаются — рыхлый материал выбивается из покрытия и в дальнейшем снижает степень сцепления колеса с дорогой и увеличивает сопротивление перекатывания колес по грунту.
Главная проблема, возникающая на карьерах, где применяется крупная горная техника, заключается в излишне малом радиусе тупиков и невозможности его увеличения из-за ограниченности доступного пространства. В результате водителю самосвала для проезда сложно маневрировать (по трем точкам). Данная ситуация чрезвычайно нежелательна — она негативно сказывается на продуктивности работы. Во время составления плана горных работ все тупики должны быть спроектированы таким образом, чтобы по ним смог проехать тяжелый самосвал с большим радиусом поворота.
Наиболее эффективно самосвалы работают на уклонах с постоянным градиентом. На рисунке 1 показан типичный градиент карьера по различным уступам (красная линия). На месте каждого перепада, который может варьироваться от 8 до 13%, водитель вынужден переключать передачу, а под нагрузкой это повышает износ приводного механизма. Также каждый раз, когда в дело вступает преобразователь крутящего момента, колеса мгновенно проворачиваются, вызывая повреждение поверхности дороги.
Поскольку водители всех самосвалов переключают передачу в одном и том же месте, возникают определенные трудности, решить которые достаточно сложно. Один из возможных способов решения — создание постоянного и однородного градиента, как показано на рис. 1 (зеленая линия). Без особого труда этого можно добиться перебуром внешней части уступа так, чтобы максимально облегчить строительство правильного градиента (величина уклона дороги). Например, имеется самосвал весом 380 т, двигающийся по наклонной плоскости дороги с градиентом 8–13% и сопротивлением перекатыванию колес по грунту 3%. Такой проект позволит парку из семи единиц техники перевозить 340 т материала за час работы. Если же устранить перепады градиента (например, обеспечить постоянный уклон 10,3%), производительность увеличится до 470 т в час, что на 38% (или 500 тыс. т) в год больше! В том случае, если целевая производительность транспортировки на предприятии составляет порядка 10 млн т в год, благодаря данной улучшенной схеме и принципам строительства дороги плановые показатели можно получить с помощью 5 самосвалов вместо 7.
На этапе планирования горных работ обычно придерживаются подхода максимального сокращения издержек. Это означает, что схема дорожной сети проектируется с учетом минимальных стандартов, в частности по ширине полотна, без внимания к геотехнической стороне дела (например, устойчивости откосов бортов). При этом в случае обвала или смещения породы дорогу приходится либо полностью закрывать, либо перенаправлять движение с существенным снижением скорости транспортировки. По соображениям безопасности на большинстве открытых рудников устраивают, по крайней мере, два выезда из карьера, поэтому приостановка эксплуатации дороги может иметь серьезные последствия. В свою очередь, если для движения доступна только половина ширины дорожного полотна, возрастает риск столкновений и аварий, снижается продуктивность работы, так как самосвалы вынуждены ожидать проезда у места сужения. Ширину дороги в качестве определяющего фактора следует рассматривать также в случае использования тяжелых самосвалов. Безопаснее строить более широкие дороги, таким образом снижая вероятность возникновения различных осложнений при их эксплуатации.
Решить вопрос неоднородного градиента и увеличения радиуса искривления дороги удалось на одном из угольных рудников ЮАР. Благодаря этому предприятию удалось сэкономить около 1 млн литров дизельного топлива без изменения ежегодной производительности транспортировки материла. Это одно из прямых следствий. Кроме того, стоит обратить внимание на ряд косвенных факторов, например, чрезмерное переключение передач на загруженной машине снижает срок службы двигателя, приводного механизма, колесного гидромотора, самих колес. При неоднородном градиенте на холостом обратном ходу может перегреваться замедлитель, этому сопутствует механический износ компонентов. Все указанные аспекты показывают возможность существенного снижения стоимости горных работ путем оптимизации геометрии карьерной дороги.
Строительное проектирование
Принципы строительного проектирования основаны на ограничении вертикальной деформации при сжатии в любом слое структуры дорожного покрытия при наиболее высоком давлении колеса. Необходимые расчеты производятся с помощью специализированной компьютерной программы описания многослойных линейно-упругих материалов. Базовые аспекты данного подхода взяты из структурного анализа автомобильных дорог общего пользования [Thompson, Visser, 1996a, 1997)]. По результатам исследования структуры карьерных дорог был выделен ограничительный критерий и разработан проектный подход, в корне которого лежит использование структурного слоя породы из отвалов, что позволило произвести сравнение нового метода и установить его преимущества, как показано на рис. 2.
В сравнительных целях были рассмотрены два подхода: обычный, разработанный на основе коэффициента грузонапряженности грунтового покрытия (CBR), и механистически спроектированный оптимальный эквивалент. Свойства строительного материала и условия в обоих случаях идентичны. Для оценки реакции структуры на нагрузку, создаваемую полностью загруженным самосвалом со спаренными задними колесами, использовался самосвал «Euclid R170» (грузоподъемность — 154 т, общий вес — 257 т). При работе авторы исследования исходили из предположения, составленного по результатам применения многоуровневого дефлектометра на других дорогах, что не вызываемая нагрузкой упругая деформация проявляется на глубине более 3000 мм. Данные варианты представлены на рис. 2.
В процессе оценки обоих проектных вариантов был произведен механистический анализ путем определения значений эффективного модуля упругости для каждого слоя и ограничения вертикальной деформации, соответствующей дороге категории II (2000 мкм/м). На рис. 2 видно, что в CBR-варианте излишняя вертикальная деформация на сжатие возникает в верхних слоях 2 и 3, обычно представляющие собой более слабые слои гравия, под которыми расположены слои породы. Для механистически спроектированного оптимального варианта наличие излишней деформации не установлено, что в первую очередь объясняется использованием основы из отбитой породы. При этом деформация поверхности составила приблизительно 2 мм по сравнению с 3,65 мм в CBR-проекте, что, даже несмотря на достаточно умеренный уровень, в конечном счете приведет к разрушению структуры, например, колееобразованию и образованию выбоин из-за деформации, вызванной нагрузкой. Представленный оптимальный вариант, таким образом, обеспечивает лучшую структурную реакцию на приложенную нагрузку, чем CBR-проект и, кроме того, не нарушает ни одно из предложенных технических условий.
Первоначально применялся единичный критерий вертикальной деформации при сжатии, но вскоре обнаружилось, что, в зависимости от значимости и ожидаемого срока службы участка дороги, процесс структурного проектирования меняется даже при условии одинаковой грузонапряженности. Значимость участка дороги определяется ее категорией, как показано в табл. 1. С другой стороны, с категорией дороги и ожидаемой производительностью также связана конструкционная прочность с точки зрения вертикальной деформации при сжатии. Показатель ежедневной грузонапряженности (килотонн (кт) в день) регулируется умножением на индекс производительности, допустимые значения вертикальной деформации представлена на рис. 3. При согласованной грузонапряженности выше 240 кт следует применять значение вертикальной деформации, равное 900 мкм/м. На большинстве южноафриканских предприятий показатель грузонапряженности ниже указанного значения, хотя в других странах зачастую существенно его превышает.