Лекция № 26 Отвалообразование при железнодорожном транспорте

1. Сооружение отвальных насыпей

Строительство отвала включает создание первоначального фронта отвальных работ (на длину тупика), укладку железнодорожных путей, монтаж контактной сети и линий электропередач.

При отвалообразовании на косогоре площадки для размещения отвального оборудования создается обычным путем проведения полутраншей мехлопатой (рис. 26.1, а). Ширина полутраншей по подошве bпт определяется радиусами черпания и вращения кузова, а также шириной хода экскаватора; при экскаваторах с ковшами емкостью 4 -5 м³ bпт min = 12 – 14 м. При проведении в мягких породах полутраншей бульдозером ее ширина равна ширине однопутной транспортной бермы (7 -10 м)

Рисунок 26.1 Схемы возведения пионерных отвальных насыпей из пород резерва: 1 и 2 – оси экскаватора и резерва соответственно; І и ІІ – первая и вторая отвальные насыпи

· Если рельеф поверхности отвода внешнего отвала равнинный или

слабовсхолмленный, необходимо сооружение первоначальных (пионерных) отвальных насыпей, имеющих в поперечном сечении форму трапеции. Основные параметры отвальной насыпи – высота и ширина поверху. Насыпи создаются из породы, вынимаемой из резерва, или из привозных вскрышных пород. Обычно для этого применяют мехлопаты и драглайны.

При возведении насыпи шириной поверху bн = 5 – 7 м мехлопатой из породы одностороннего резерва глубиной hр (рис. 26.1, б) максимальная высота насыпи (м) зависит от высоты разгрузки экскаватора Нр и угла откоса насыпи :

Hн1 = Hр – hр – 0.5bн tg - e, (26.1) где е – зазор между открытым днищем ковша и насыпью, м (е = 0.3 – 0.5 м).

Использование максимальной высоты разгрузки экскаватора (при радиусе разгрузки Rр) возможно при ширине резерва по низу (а = )

bр= 2[Rр – (Hр – e) ctg ]. (26.2)

Недостатки этого способа возведения насыпей: небольшая их высота (Hн1 5 м при Е = 4 – 5 м³), высокие затраты (20 – 25 тенге/м³) и низкая скорость отсыпки (40 – 50 м/месс). Высота насыпи может быть увеличена при отсыпке их из двухстороннего резерва (рис. 26.1, в), при этом

Нн2` = (26.3) где Кр – коэффициент разрыхления породы в насыпи.

Дальнейшее увеличение высоты отвальной насыпи до проектной отметки производится за счет привозных вскрышных породи связано с частой переукладкой железнодорожных путей.

Применение драглайнов для сооружения первоначальных насыпей из пород резерва позволяет увеличить их высоту при высокой скорости отсыпки (150 – 200 м/месс и более). При этом глубина hр и ширина bр резерва определяется глубиной Нч и радиусом Rч черпания драглайна, а высота насыпи Нн – высотой Нр и радиусом Rр разгрузки (рис. 26.1, г). Высота насыпи Нн и расстояние между осью драглайна и верхней бровкой резерва х зависит от рабочих параметров экскаватора, мощности наносов на отвальном отводе, высоты сооружаемой насыпи и числа резервов. При больших рабочих параметрах и ограниченной мощности наносов драглайн устанавливают по оси резерва (х = 0.5 bр + hрctg ). Если объем пород резерва достаточен для возведения насыпи, а рабочие параметры драглайна ограничены, его целесообразно устанавливать в створе верхней бровки резерва (х = 0). При небольшой мощности наносов и ограниченных параметрах драглайна необходимо расширить резерв и основную выемку произвести поперечным черпанием, а дополнительную – продольным при расположении экскаватора на предотвальной берме (рис. 26.1, д ).

Если при полном использовании параметров драглайна (Rч и Нч) невозможно получить требуемые размеры насыпи за один проход экскаватора (Sр Kр < Sн, где Sр и Sн – площади поперечных сечений резерва и насыпи), сооружают два резерва и отсыпку ведут аналогично возведению насыпи мехлопатой за два прохода (см. рис. 26.1, в). Наиболее эффективна схема с возведением двух насыпей из пород одного резерва при расположении драглайна по его оси. Минимальные приведенные затраты достигаются при использовании для возведения из пород одностороннего резерва пионерных насыпей высотой 10 -12, 14 – 22 и свыше 22 м, соответственно драглайнов ЭШ-5/45, ЭШ-10/70, ЭШ-20/90.

При сооружении отвальной насыпи из привозных пород мехлопатой последняя для удобства черпания породы и разгрузки вагонов перемещается по создаваемой ею выемке глубиной до 1.5 м (см. рис. 26.2, а). максимальная высота насыпи (м) при длине гусеничного хода экскаватора ℓх, безопасном расстоянии от насыпи до гусениц b и глубине приямка hп

Нн3 = (Rр – 0.5 ℓх - b)tg - h Hр. (26.4)

Схемы возведения первоначальных насыпей из привозных пород драглайнами аналогичны эксплуатационным однотупиковой и двухтупиковой схемам с верхней отсыпкой (см. рис. 26.2, б, д ). Высота насыпи определяется по формуле ( 26. 21). Нижний подуступ высотой до 10 м отсыпается обычно при недостаточной несущей способности

основания или невозможности достижения необходимой высоты отвала только при верхней отсыпке.

Рисунок 26.2 Схемы возведения пионерных отвальных насыпей из привозных пород:

1 и 2 – оси экскаваторов; 3 – ось насыпи

Комбинированная схема с использованием двух мехлопат для приема привозной породы и драглайна переэкскавирующего породу с отсыпкой нижнего и верхнего подуступов пионерной насыпи (рис. 26.2, б), может применяться при складировании разнородных пород или крупновзорванных пород для сокращения срока строительства отвала. Расстояние между драглайном и мехлопатами по условиям безопасности и производительной работы должно быть не менее 100 м.

Сооружение первоначальной насыпи плужных отвалов также целесообразно вести экскаваторами, что быстрее и менее трудоемко. Возведение насыпи с применением отвальных плугов заключается в укладке железнодорожного пути на насыпь, разгрузке породы из думпкаров под откос насыпи, планировке откоса отвальным плугом и подъеме пути на вышележащую насыпь путеподъемниками. Отличие схем подъема пути (на месте, в одну и две стороны, в шахматном порядке – рис. 16.2, в, г, д , е) связано с одно- или двухсторонней разгрузкой и планировкой породы.

При работе на отвале многоковшового экскаватора параллельно трассе будущего отвала вначале укладывают рельсовые пути для экскаватора и породных составов. Затем экскаватор отсыпает породу в отвал в направлении от тупика к въезду и на спланированную поверхность насыпи переносятся рельсовый путь (рис. 26.2, ж). После возведения насыпи экскаватор переводят на поверхность отвала. Возможная высота и ширина насыпи связаны с радиусом и высотой разгрузки отвального экскаватора; при ширине хода экскаватора Сх

bн = Rр - Hнctg - b – 0.5Cх, (26.5) где b – безопасное расстояние между нижней бровкой насыпи и экскаватором, необходимое по условию устойчивости насыпи и свободного поворота отвальной консоли, м (b 5 м).

На ряде карьеров, где основным видом транспорта является железнодорожный, при сооружении отвальных насыпей из привозных пород применяют автотранспорт, что позволяет сократить срок строительства отвалов и возводить их в сложных инженерно-геологических условиях. Способ возведения первоначальных насыпей в этом случае не отличается от способа строительства бульдозерных отвалов.

2. Плужное отвалообразование

Процесс плужного отвалообразования включает последовательно выполняемые операции: разгрузку думпкаров, профилирование откоса, планировку бровки, передвижку тупикового рельсового пути.

Разгрузка производится непосредственно под откос уступа одновременно из всех думпкаров состава, из группы (два-три) или одного думпкара –в зависимости от устойчивости откоса отвальной насыпи. Время разгрузки состава при взорванных породах составляет 5 – 7 мин в летний и 15 -20 мин в зимний период, а при разрыхленных мягких влажных породах – соответственно 12 -18 и 25 -30 мин.

Часть породы при разгрузке остается на откосе в виде нависей (около 40% при взорванных и до 70% при мягких породах), а остальная скатывается вниз. Для сбрасывания породы, оставшуюся на откосе отвального тупика, между смежными передвижками пути производится профилирование (вспашка) отвала (рис. 26.3), выполняемое отвальным плугом при движении вдоль фронта разгрузки. Перед передвижкой пути отвальным плугом производится планировка верхней бровки отвала (выравнивание площадки новой трассы пути).

Рисунок 26.3 Схемы стадий плужного отвалообразования: а, б, в, г – положение отвального откоса соответственно перед приемом породы, перед профилированием, после профилирования, после передвижки пути; Но – высота отвального уступа; Ао – шаг передвижки пути; а – ширина захвата лемеха; b – расстояние от оси пути до лемеха

Рабочими органами отвального плуга (рис. 26.4) являются передний лемех, главные боковые и откосные крылья, подъем, опускание и поворот которых производится пневмоцилиндрами с тягами. Масса тяжелых отвальных плугов достигает 50 – 70 т, максимальный вылет главного крыла 7.5 м, рабочая скорость 6 -10 км/ч, тяговое усилие до 180 кН, средняя производительность 3 – 3.5 тыс. м³/смену.

Рисунок 26.4 Тяжелый отвальный плуг МОП-1

Передвижка пути осуществляется в основном путепередвигателями цикличного действия (рис. 26.5). Известны комбинированные отвальные машины, объединяющие функции отвальных плугов и путепередвигателей непрерывного действия при отсыпке мягких пород.

Рисунок 26.5 Схемы основных стадий работы путепередвигателя цикличного действия:

1 – зубчатая рейка; 2 – привод; 3 – рельсозахват; 4 – опорный башмак; а – угол наклона зубчатой рейки; h – высота подъема путепередвигателя

Порядок отсыпки пород по длине отвального тупика зависит от высоты отвала и типа породы. При складировании разрыхленных мягких пород заполнение отвала производят в два приема: сначала от въезда на отвал к тупику (до образования бермы), а затем от тупика к въезду (до полного использования первичной емкости тупика).

Число разгружаеиых за сутки составов на отвальном тупике определяется пропускной способностью пути и условиями профилирования отвала:

Nс.с = f Tс /(tр + tо), (26.6)

где f – коэффициент, учитывающий неравномерность работы транспорта (f = 0.85 – 0.95); Тc, tр и tо – соответственно время работы тупика за сутки, разгрузки и обмена состава, ч; - коэффициент, учитывающий время на профилирование отвала ( = 0.6 – 0.8).

Суточная приемная способность отвального тупика определяется величиной Nс.с, вместимостью думпкара (в плотном теле) Vд м³, и числом думпкаров n в составе: W`c = Nc Vд n.

Приемная способность отвального тупика между двумя передвижками пути Wп (м³) определяется высотой отвального тупика Но, шагом переукладки пути (шириной отвальной заходки) Ао и рабочей длины отвального тупика Lт:

Wп = Hо Aо Lт/Kр, (26.7) где Кр – коэффициент остаточного разрыхления породы в отвале (Кр = 1.06 – 1.15).

Время (сут) между передвижками отвального пути (цикла отвалообразования)

Тп = Wп/W`с = Но Ао Lт (tр + tо)/(Kр Vд n Tс ). (26.8)

Продолжительность цикла отвалообразования на рудных карьерах составляет 10 – 30 рабочих смен.

При грузообороте карьера по вскрышным породам Wc (м³/сут) число рабочих отвальных тупиков Nт.р = (1.25 – 1.75) Wс/W`с .

Высота плужных отвалов по условиям их устойчивости обычно изменяется в пределах 7 -25 м.

Наибольший шаг передвижки путей Ао min определяется вылетом главного крыла отвального плуга а и безопасным расстоянием от оси пути до верхней бровки отвала b (см. рис. 26.4). Величина b 1.8 м при взорванных породах, а при разнородных породах увеличивается как минимум на 25% . Обычно Ао = 1.5 – 2.5 м реже 3 – 4 м.

Длина отвального тупика Lт находится в пределах 500 – 2500 м. С изменением Lт пропорционально изменяется приемная способность отвала между передвижками путей и число разгружаемых на тупике составов за один цикл отвалообразования. Несмотря на рост времени обмена составов, следует увеличивать длину отвальных тупиков до 2000 – 2500 м, что повышает приемную способность тупиков, сокращает их число и удельный вес вспомогательных операций (передвижки путей и др.). Из выражения (26.8) при заданной по организационно-техническим условиям величине То может быть определена необходимая длина отвального тупика Lт.

Приемная способность отвальных тупиков при плужном отвалообразовании составляет 300 -400 тыс. м³/год, производительность труда отвального рабочего 80 – 270 м³/смену.

Основные недостатки плужных отвалов: ограничение высоты и приемной способности отвала, большое число резервных тупиков, малый шаг передвижки и большой объем слабо механизированных путепередвижных и ремонтно-путевых работ, трудности, связанные с отсыпкой мягких пород, особенно в дождливый период при тяжелом подвижном составе. Плужное отвалообразование предшествовало экскаваторному. Оно эффективно и в настоящее время на рудных карьерах малой и средней мощности при необходимости раздельной отсыпки бедных, убогих и специальных сортов руд во временные отвалы и при одновременной эксплуатации большого числа тупиков с небольшими объемами работ на каждом из них.

3. Отвалообразование мехлопатами

При использовании мехлопат отвальный уступ разделяется на два подуступа. Экскаватор, установленный на кровле нижнего подуступа, переэкскавирует породу, разгружаемую из думпкаров в приемный бункер. Последний создается самим экскаватором у нижней бровки верхнего подуступа (рис. 26.6).

Из приемного бункера порода перемещается вперед по ходу экскаватора в нижний подуступ, сбоку под откос отвала, сзади экскаватора в верхний подуступ. Отсыпав нижний подуступ или одновременно нижний и верхний подуступы в пределах радиуса своего действия, экскаватор перемещается вдоль фронта разгрузки на расстояние, определяемое его линейными параметрами, вновь сооружает приемный бункер и производит переэкскавацию породы. После отсыпки по всей длине тупика обоих подуступов на ширину отвальной заходки железнодорожный путь перемещают на новую трассу и экскаватор приступает к отсыпки новой заходки.

Рисунок 26.6 Схема отвалообразования мехлопатой

Опережающая отсыпка нижнего подуступа на всю длину тупика (или расстояние 70 – 100 м и более) целесообразна при малой несущей способности основания отвала, деформациях откоса верхнего подуступа, попеременном поступлении на отвал разрыхленных мягких и взорванных пород, и для частичного совмещения отсыпки с путепереукладочными работами.

Общая высота отвального уступа Но = h₁ + h₂, где h₁ и h₂ – высота верхнего и нижнего подуступов соответственно. Высота отвальных уступов зависит от типа складируемых и залегающих в основании пород, рельефа поверхности отвального отвода, рабочих параметров экскаваторов, порядка ведения отвальных работ и обычно составляет 15 – 30 м. С увеличением высоты отвального уступа повышается приемная способность отвала и эксплуатационная производительность экскаватора.

Высота верхнего отвального подуступа h₁ не должна превышать максимальной высоты разгрузки экскаватора. При этом h₁= h₃ + h₄ (см. рис. 26.6). Превышение вновь отсыпаемого отвального уступа над старым (м)

h₃ = (К`р - 1)( h<sub>1</sub> + h<sub>2</sub> ) 0. 05 Но, (26.9) где К`р – коэффициент первоначального разрыхления породы в отвале.

Высота отвального забоя h₄ определяется типом экскаватора и высотой отвала и составляет 4.5 – 6.2 м для экскаватора ЭКГ-5 и 6 -7.5 м для экскаватора ЭКГ-8И.

Длина тупика зависит от производительности отвального экскаватора, вместимости породного состава, скорости движения и применяемых средств связи. С увеличением длины тупика уменьшается требуемая емкость ковша отвального экскаватора, но вместе с тем снижается готовность отвального тупика к приему породы. На практике длина отвального тупика изменяется от 0.6 до 2.5 км (иногда до 3.5 км). Рациональная длина отвальных тупиков при экскаваторах с емкостью ковша 5 – 10 м³ составляет 1.0 – 2.0 км.

Вместимость приемного бункера экскаваторного отвала Vб (м³) определяется его длиной ℓб (длиной фронта разгрузки), высотой отвального забоя h₄ и глубиной приямка h₅, равной глубине черпания экскаватора (см. рис. 26.6):

Vб = Р ℓб (h₄ + h₅)/К`р, (26.10) где Р – дальность разгрузки породы на уровне рельсового пути, м (обычно Р = 1.5 – 2.0 м).

Приямок (заглубление нижней части приемного бункера относительно горизонта установки экскаватора на 0.8 1. 0 м) устраивается для предотвращения повреждений ходовой части экскаватора и увеличения вместимости приемного бункера. Расстояние между верхней бровкой бункера и осью пути должно быть не менее 1.6 м во избежание нависания шпал над бункером.

С увеличением длины приемного бункера ℓб возможный шаг отвалообразования (переукладки путей) уменьшается [ см. формулу (26.16)]. При сокращении расстояния между осями пути и движениями экскаватора ухудшаются условия черпания и наполнения ковша. В связи с этим, а также ввиду снижения устойчивости откоса бункера при увеличении его длины фронт разгрузки увеличивается длиной одного-двух думпкаров. Обычно породный состав разгружается в приемный бункер повагонно; состав подают на отвал вперед думпкарами.

Вместимость приемного бункера связана с эксплуатационной производительностью отвального экскаватора Qэ, так как доставляемая поездом порода объемом nVд должна быть уложена в отвал за время обмена поезда. При времени разгрузки состава tр = n р

nVд – P ℓб(h₄ + h₅)/ K`р Qэ n р, (26.11)

По производительности отвальных экскаваторов разгрузка всей породы в приемный бункер без простоя состава возможна при вместимости последнего не менее 200 – 220 и 300 – 320 м³ соответственно при экскаваторах ЭКГ-5 и ЭКГ-8. С увеличением полезной массы поездов (при использовании тяговых агрегатов) необходимо применять более мощные отвальные экскаваторы, чтобы составы не простаивали на отвалах в ожидании освобождения приемного бункера.

Шаг переукладки пути (ширина заходки) на экскаваторных отвалах (м) зависит от радиуса черпания Rч и разгрузки Rр экскаватора и длины бункера и может быть определен по формуле

Ао = (26.12) Суточная приемная способность отвального тупика по условиям складирования

W``c (равна эксплуатационной производительности мехлопаты) должна соответствовать приемной способности тупика (м3/сут) по условиям транспортирования (провозной способности тупика)

W`c = , (26.13)

Из равенства Wс` = Wс`` может быть определена емкость ковша отвального экскаватора Е при заданном максимальном расстоянии L от обменного пункта на отвале до пункта разгрузки поезда или рациональная величина L при заданных Е и характеристиках разгружаемых пород. При устройстве обменного пункта вне пределов рабочей части отвального тупика L = Lт. Время между перекладками отвального пути определяется по формуле (26.8).

При одновременной отсыпке нескольких ярусов отвала минимальное расстояние (м) между смежными ярусами

Аmin = 2Ао + Но ctg +12/ (26.14)

Производительность мехлопат на отвалах, как правило, значительно выше, чеи в карьере (при одном их типе), что объясняется как снижение трудности экскавации пород, так и увеличенными параметрами отсыпки (ширины заходки, высоты уступа, длины блока) и лучшим транспортным обслуживанием. Производительность отвальных мехлопат составляет 2.8 – 8.0 тыс. м³/сут при коэффициенте их использования во времени 0.50 – 0.75; приемная способность 1 м отвального тупика 300 – 800 м³; производительность труда рабочих на отвале 140 – 280 м³/смену. Эксплуатационные расходы на непосредственное складирование породы определяются расходами на 1 машино-смену и производительностью мехлопаты. Обычно в затраты на отвалообразование включаются также затраты на содержание и перемещение отвальных транспортных коммуникаций.

Экскаваторное отвалообразование в настоящее время широко применяется как на угольных так и на рудных карьерах. Однако при этом велики капитальные затраты, возрастающие по мере внедрения экскаваторов с большой емкостью ковша, ограничены производительность отвальных тупиков по условиям переэкскавации породы и рост мощности отвального оборудования. Эти факторы снижают перспективность отвалообразования мехлопатами.

4. Отвалообразование драглайнами