Technologie pracy koparek zgarniakowych w kopalniach odkrywkowych Technologies of draglines’ operations in open pit mines Autorzy: prof. dr hab. inŜ. Wiesław Kozioł, mgr inŜ. Paweł Kawalec, mgr inŜ. Łukasz Machniak – Katedra Górnictwa Odkrywkowego AGH – Kraków Streszczenie W pracy podano ogólną charakterystykę koparek zgarniakowych ze zwróceniem szczególnej uwagi na ich zalety, wady oraz warunki zastosowania w kopalniach odkrywkowych. PoniewaŜ w Polsce koparki zgarniakowe stosowane są głównie do robót pomocniczych (np. kopalnie węgla brunatnego) w dalszej części przedstawiono podstawowe technologie ich pracy. Następnie podano zasady doboru koparki zgarniakowej, a zwłaszcza dobór wydajności koparki. W krajowym górnictwie obecnie wykorzystywane są koparki zgarniakowe o małych pojemnościach zgarniaków (do 6 m3). Zastosowanie koparek zgarniakowych jako maszyn podstawowych moŜliwe jest tylko w określonych warunkach zalegania złóŜ. Generalnie warunki zalegania złóŜ węgla brunatnego w Polsce nie sprzyjają zastosowaniu koparek zgarniakowych, ale istnieją w Polsce złoŜa lub części złóŜ, w których uzasadnionym byłoby rozwaŜenie moŜliwości zastosowania tych koparek. The paper describes general profile of dragline excavators, paying special attention to their advantages, disadvantage as well as conditions of use in opencast mines. In Poland, dragline excavators are mainly applied to ancillary activities (e.g. the lignite mines). Basic technologies of draglines working were introduced. Afterwards basic rules of selections dragline excavators, and especially the selection of productivity were passed. Dragline excavators being used in national mining presently has a small capacities bucket (to 6 m3). The use of dragline excavators as primary machine is possible only for typical occuring deposits conditions. Geological conditions in lignite deposits in Poland generally do not favour application of dragline excavators but there are deposits or part of deposits, in which use of those excavators may be substantiate.

1. Wprowadzenie Największymi koparkami jednonaczyniowymi stosowanymi w górnictwie odkrywkowym są koparki zgarniakowe tzw. draglajny (ang. dragline). Koparki te pracują w wielu krajach, w tym przede wszystkim w USA, Kanadzie, Australii, Rosji, Kolumbii, Wielkiej Brytanii i Indiach. Wykorzystywane są one głównie do zdejmowania nadkładu i bezpośredniego przemieszczania go na zwałowisko wewnętrzne (zwałowanie w tzw. beztransportowych systemach pracy). Systemy takie mogą być stosowane w niezbyt głębokich kopalniach (50 – 100 m), ze względu na ograniczony zasięg roboczy maszyn. Koparki zgarniakowe mogą urabiać i zwałować róŜnego rodzaju skały od sypkich, miękkich i kruchych po skały średniozwięzłe i zwięzłe (po wstępnym rozluzowaniu materiałami wybuchowymi). W niektórych przypadkach koparki te wykorzystywane są równieŜ do urabiania i załadunku kopaliny uŜytecznej na środki transportu technologicznego (głównie duŜe samochody). Często koparki zgarniakowe o małych pojemnościach zgarniaków wykorzystywane są w kopalniach odkrywkowych jako koparki pomocnicze. Poza górnictwem odkrywkowym koparki zgarniakowe, zwłaszcza o mniejszych pojemnościach (do 10 m3) wykorzystywane są przy wykonywaniu budowli ziemnych takich jak: zapory i kanały wodne, nasypy i wykopy drogowe itp. Producenci tych maszyn oferują duŜy zakres typów i wielkości koparek zgarniakowych, od małych i średnich, po największe o pojemnościach ponad 120 m3 i długościach wysięgników 100 – 130 m. Masa robocza największych koparek zgarniakowych przekracza 7 tyś. ton. DuŜe koparki zgarniakowe produkowane są głównie na podwoziach kroczących, zaś małe i średnie – na podwoziach kroczących lub gąsienicowych.

1

W Polsce stosuje się koparki zgarniakowe o małych pojemnościach zgarniaków (do 6 m3) i stosunkowo krótkich wysięgnikach (do 40-50 metrów). Pracują one w niektórych kopalniach węgla brunatnego (jako koparki pomocnicze), w kopalniach kruszyw Ŝwirowych, a takŜe w budownictwie ziemnym i na róŜnego rodzaju składowiskach. Od pewnego czasu prowadzi się prace studialne nad moŜliwością i celowością zastosowania duŜych koparek zgarniakowych do urabiania niektórych złóŜ węgla brunatnego (np. złoŜa „Piaski”) lub wybranych rejonów (np. rejon rowu II rzędu w KWB Bełchatów).

Rys. 1. Koparka zgarniakowa Bucyrus 2570WS, pojemność zgarniaka 85-120 m3, długość wysięgnika 110-128 m, masa 7271 Mg.

Koparki zgarniakowe w porównaniu z innymi maszynami urabiającymi (koparki wielonaczyniowe, łyŜkowe koparki jednonaczyniowe) mają następujące zalety [1, 6, 12]: – – – – – – – – –

moŜliwość pracy bez konieczności stosowania środków transportu technologicznego – w systemie beztransportowym; duŜe zasięgi pracy w płaszczyźnie pionowej (podsiębiernie i nadsiębiernie), największe stosowane obecnie koparki mają zakres pracy w płaszczyźnie pionowej do 120 m; duŜa elastyczność pracy; transport bezpośredni nadkładu jest realizowany ponad powierzchnią terenu co uniezaleŜnia tę czynność od warunków pogodowych; moŜliwość uzyskania wysokiego współczynnika wykorzystania kalendarzowego czasu pracy (80 – 90%;) duŜa wydajność; moŜliwość urabiania i transportu materiału niejednorodnego który zawiera np. głazy narzutowe; niski jednostkowy koszt eksploatacji; moŜliwość pokonywania duŜych nachyleń na poziomach roboczych i podczas transportu (1526%). Spośród wad naleŜy wymienić:

– – – – – – –

ograniczona moŜliwość współpracy ze środkami transportu technologicznego; małe wyprzedzenie frontu eksploatacyjnego i zwałowego ze względu na ograniczony zasięg poziomy pracy koparki; wymagane dobre parametry geotechniczne urabianych skał; trudności z odwadnianiem spągu wyrobiska; wysoki koszt inwestycyjny, szczególnie w przypadku zakupu nowej maszyny; duŜe wymiary i masa maszyny; długi czas potrzebny na uruchomienie maszyny w kopalni (podobnie jak koparki wielonaczyniowe 2-3 lat);

2

NaleŜy zwrócić uwagę na fakt, Ŝe niektóre z wymienionych wad dotyczą równieŜ koparek wielonaczyniowych. 1.

Technologie pracy koparek zgarniakowych

Technologiczne moŜliwości pracy koparek zgarniakowych są duŜe i w zaleŜności od warunków geologiczno – górniczych mogą one pracować na róŜnych poziomach roboczych, a to: a) b) c) d)

na stropie piętra i urabiać piętro w systemie podsiębiernym (podpoziomowym), na poziomie podstawowym lub podpiętrze i pracować w systemie podsiębiernym i nadsiębiernym, na spągu piętra i pracować nadsiębiernie, na zwale i pracować w systemie przerzutowym (wtórny przerzut urobku).

W większości koparki zgarniakowe stosowane są do urabiania nadkładu w technologii podsiębiernej. Ten sposób pracy, w porównaniu do urabiania nadsiębiernego, zapewnia szybsze napełnienie czerpaka przy wyŜszym współczynniku jego wypełnienia. Odpowiednie ustawienie koparki zgarniakowej powinno zapewnić osiągnięcie najkorzystniejszych geometrycznych parametrów pracy i wydajności efektywnej. Na rys. 2 przedstawiono podstawowe parametry frontu roboczego koparki zgarniakowej urabiającej podsiębiernie w systemie zabierkowym.

Rys. 2. Parametry frontu roboczego koparki zgarniakowej przy pracy urabiająco - transportowej

Profil frontu roboczego ma kształt krzywoliniowy odpowiadający trajektorii ruchu zgarniaka zawieszonego na giętkiej linie. Szerokość zabierki (B) przyjmuje się z załoŜeniem, aby kąty obrotu wysięgnika koparki w kierunku obydwóch skarp bocznych (wewnętrznej i zewnętrznej) nie przekraczały 45º. Praktycznie przyjmuje się;

B = Ru ⋅ (sin ω1 + sin ω 2 ), [m]

(1)

gdzie; Ru – promień urabiania, m ω1 = 30 - 40 º ω2 ≤ 30 - 40 º Wysokość frontu roboczego (H) przy urabianiu podsiębiernym określa głębokość urabiania, uwzględniając, Ŝe koparka zgarniakowa na poziomie eksploatacyjnym usytuowana ma być poza zasięgiem pasa bezpieczeństwa wynikającego z kąta nachylenia naturalnego stoku. Przy urabianiu nadsiębiernym wysokość piętra nie powinna przekraczać 0,8 wysokości rozładowania, co „wyklucza zahaczenie” zgarniaka o strop piętra w czasie ruchu powrotnego wysięgnika.

3

Najczęstszym sposobem pracy koparek zgarniakowych jest praca w tzw. systemie „strip mining”. Jest to specyficzna odmiana systemu zabierkowego, a więc urabianie odbywa się pasami, a postęp pracy w przodku jest prostopadły do postępu frontu roboczego (rys. 3).

Rys. 3. Praca koparki zgarniakowej w systemie „strip mining” [10]

W podstawowej wersji system ten charakteryzuje się prowadzeniem eksploatacji wąskim wyrobiskiem z jednym głównym piętrem nadkładowym urabianym za pomocą koparki zgarniakowej oraz jednym piętrem złoŜowym. Koparka zgarniakowa pracując w systemie zabierkowym zdejmuje nadkład, często wcześniej rozluzowany za pomocą materiałów wybuchowych i przemieszcza go ponad przestrzenią wyrobiska na zbocze czołowe, budując zwałowisko wewnętrzne. Odsłonięty w tym procesie pokład złoŜa urabiany jest najczęściej za pomocą jednonaczyniowych koparek linowych bądź hydraulicznych o duŜych pojemnościach naczynia roboczego (20-50 m3) i transportowany samochodami technologicznymi o duŜych ładownościach (do 400 ton). Szerokość zabierki (urabianego pasa) zaleŜy od kilku czynników: • • • •

promienia urabiania oraz rozładunku; grubości zdejmowanego nadkładu; warunków geologicznych; właściwości zdejmowanego nadkładu;

i zawiera się w granicach między 25 do 60 metrów. Koparka zgarniakowa pracująca w nadkładzie i koparka jednonaczyniowa urabiająca kopalinę tworzą układ, który musi być odpowiednio dobrany. Zanim koparka zgarniakowa rozpocznie urabianie nowej zabierki, koparka jednonaczyniowa musi wybrać odsłonięte złoŜe, aby zrobić miejsce na lokowanie mas zwałowych. Krytycznymi parametrami jest dobór wyprzedzenia pracy w nadkładzie w stosunku do pracy w złoŜu oraz odpowiedni dobór wydajności koparki urabiającej kopalinę. W czasie kiedy koparka zgarniakowa oczekuje na zakończenie prac w złoŜu dokonywane są jej przeglądy planowe oraz prace pomocnicze. W zaleŜności od warunków geologiczno-górniczych oraz potrzeb koparki zgarniakowe mogą pracować róŜnymi sposobami technologicznymi, które przedstawiono w dalszej części pracy. Ze względu na brak polskich odpowiedników przy nazwach opisywanych sposobów podano angielskojęzyczne nazwy [1, 2, 12].

4

2.1. Podstawowa technologia pracy (Simple Side Casting) Sposób ten jest podstawowym sposobem pracy koparek zgarniakowych. Koparka pracuje zazwyczaj w zabierce czołowej odsłaniając złoŜe, podczas gdy nadkład lokowany jest w przestrzeni wybranej w poprzednim cyklu (rys. 4). Ze względu na formowanie skarpy bocznej wewnętrznej zabierki oraz stateczność zbocza zwałowiska w pierwszej fazie pracy koparka wykonuje zacięcie (wykop wstępny) zwane (key cut). Wykonując to zacięcie koparka usytuowana jest w jego osi, a następnie po jego wykonaniu przesuwa się do podstawowej pozycji pracy (poz. 1 i 2 rys. 5). Tak więc w ramach zabierki wydzielane są bloki eksploatowane w kolejnych cyklach, czyli okresach pomiędzy wykonaniem wykopu wstępnego. Nadkład urabiany podczas tworzenia tego wykopu zwałuje się w przedzwale, który wytycza przestrzeń dla zwału właściwego. W przypadku urabiania warstw nadkładowych o duŜej grubości, jeŜeli zachodzi zagroŜenie zetknięcia się liny ciągnącej koparki z krawędzią skarpy nadkładowej, koparka wykonuje dodatkowe ruchy manewrowe, wykonując najpierw zacięcie na mniej więcej połowę grubości piętra (poz. 1, rys. 5). Następnie urabia zabierkę równieŜ na tą samą głębokość (poz. 2), po czym wykonuje zacięcie do głębokości docelowej (poz. 3) i usuwa pozostały nadkład (poz. 4).

A

C

C

B

B

A

Przekrój B - B

Przekrój A - A

Przekrój C - C

Wykop wstępny Przedzwał

Rys. 4. Podstawowa technologia pracy koparki zgarniakowej

Obszar odkrytego węgla

3

1

4

2

Rys. 5. Ruchy manewrowe koparki przy pracy na głębokich piętrach

5

2.2

Urabianie podpiętrami (advance bench)

Koparki zgarniakowe mają równieŜ moŜliwość urabiania nadpoziomowego, co zwiększa ich uniwersalność. W przypadku grubych warstw nadkładowych, koparka zgarniakowa moŜe pracować na poziomie pośrednim dzielącym piętro na dwa podpiętra: nadpoziomowe i podpoziomowe (rys. 6). Piętro nadpoziomowe ma zazwyczaj moŜliwie niewielką wysokość, jako Ŝe praca nadpoziomowa koparki zgarniakowej wiąŜe się ze zmniejszeniem kata nachylenia skarpy czołowej oraz wydajności koparki, (między innymi na skutek zmniejszenia współczynnika napełnienia naczynia). Praca nadpoziomowa wpływa równieŜ niekorzystnie na zgarniak oraz liny robocze, co zwiększa awaryjność maszyny.

B

B

A

A

Przekrój A-A

Przekrój B-B

Nadkład z piętra nadpozimowego Nadkład z piętra podpozimowego

Rys. 6. Technologia pracy z urabianiem podpiętrami

Technologia urabiania podpiętrami jest równieŜ stosowana gdy złoŜe zalega w terenie pagórkowatym lub gdy nośność gruntów na powierzchni terenu jest niewystarczająca dla pracy koparki. Technologia ta wymaga stosowania większych kątów obrotu wysięgnika w porównaniu do innych sposobów. Generalnie kąty te wynoszą od 130 do 150º, co powoduje zmniejszenie efektywnej wydajności koparki o ok. 15÷25%. 2.2. Praca koparki na poszerzonym poziomie (extended benching) Projektując strukturę odkrywki oraz technologię urabiania w kopalniach stosuje się zasadę, Ŝe koparkę dobiera się do danych warunków geologiczno-górniczych występujących w przyszłym miejscu pracy. W latach 90-tych poprzedniego wieku, na rynku pojawiło się wiele koparek uŜywanych, które były sprzedawane przez zamykane z przyczyn ekonomicznych amerykańskie kopalnie węgla (szczególnie w regionie Apallachów). Koparki te były atrakcyjne cenowo, a w związku z koniecznością ich rozmontowania na czas transportu i ponownej budowy w nowym miejscu pracy, moŜliwym było relatywnie tanie wprowadzenie modernizacji oraz wymiana i naprawa części, które uległy nadmiernemu zuŜyciu. Dawało to moŜliwość pozyskania w pełni sprawnych maszyn w cenie równej około połowie ceny maszyn nowych. Z tego teŜ względu pojawiła się konieczność znalezienia sposobów dostosowania pracy koparki do istniejących warunków geologiczno-górniczych. Jednym z takich sposobów jest praca koparki na poszerzonym poziomie. Sposób ten jest wykorzystywany, gdy koparka zgarniakowa nie ma wystarczającego zasięgu poziomego, co uniemoŜliwia równoczesne zwałowanie przez koparkę zdejmowanego nadkładu. Sposób ten jest modyfikacją podstawowej

6

technologii pracy. Polega na poszerzeniu poziomu roboczego koparki poprzez zwałowanie przyskarpowe materiału pochodzącego z wykopy wstępnego na skarpę boczną zewnętrzną (rys. 7)

A

C

C

B

B

A

Poszerzenie

Przekrój B-B Przekrój A-A Nadkład do powtórnego przemieszczenia

Przekrój C-C

Rys. 7. Technologia pracy koparki zgarniakowej na poszerzonym poziomie roboczym

Poszerzenie poziomu roboczego pozwala na usytuowanie koparki bliŜej zwałowiska wewnętrznego, przez co moŜliwe jest osiągnięcie odpowiedniego promienia zwałowania. Część materiału (nadkładu) uŜyta do poszerzenia poziomu roboczego musi być powtórnie przemieszczona (rys. 7). 2.3. Wtórne przemieszczanie nadkładu (pull back) Sposób ten jest alternatywą dla pracy koparki zgarniakowej na poszerzonym poziomie, kiedy promień urabiania koparki jest niewystarczający, aby usunąć nadkład bez konieczności powtórnego urabiania. Piętro nadkładowe podobnie jak przy pracy podpiętrami jest dzielone na dwa podpiętra. W pierwszej kolejności urabiane jest piętro nadpoziomowe w celu przygotowania miejsca dla pracy podpoziomowej. PoniewaŜ zasięg koparki nie jest wystarczający, część złoŜa zostaje wstępnie zasypana przez formowane zwałowisko (rys. 8). D C

C

A

A

D

B

B

Przekrój B-B

Przekrój A-A

Nadkład z wykopu wstepnego Nadkład z piętra nadpoziomowego

Przekrój D-D

Przekrój C-C

Rys.8. Technologia pracy koparki zgarniakowej z wtórnym przemieszczaniem nadkładu

7

W celu oczyszczenia stropu warstwy węglowej naleŜy ponownie przemieścić część materiału ze skarpy zwałowiska. Pracę tę musi wykonać koparka zgarniakowa usytuowana na poziomie zwałowiska, przy czym strop ten musi zostać wcześniej wyrównany. Tym sposobem moŜe pracować jedna koparka, która w pierwszym przejeździe zdejmuje nadkład, a w drugim przemieszcza go dalej na zwałowisko. Alternatywą jest zastosowanie dwóch koparek zgarniakowych, jednej na poziomie nadkładowym i drugiej na poziomie zwałowiska. W przypadku pracy jednej koparki, jej wydajność zostaje znacząco zmniejszona, po pierwsze ze względu na urabianie podpoziomami (o około 15-25%), a następnie przez powtórne przemieszczanie mas zwałowych (szacunkowo o dalsze 20-30%). Dodatkowo następuje okresowe wstrzymanie urabiania złoŜa, które nie moŜe być prowadzone dopóki nadkład nie zostanie powtórnie przemieszczony. W przypadku zastosowania dwóch koparek zgarniakowych uzyskuje się duŜą wydajność, ale wzrastają równieŜ koszty inwestycyjne jak i eksploatacji maszyn. Praca dwóch koparek wymaga dodatkowego planowania i zachowania odpowiedniego wyprzedzenia pomiędzy pracą w nadkładzie a pracą na zwałach, w celu uniknięcia niebezpieczeństwa „zderzenia” wysięgników maszyn. 2.4. Wykonywanie wkopu (box cut) Sposób ten polega na wykonaniu wkopu o określonych parametrach z lokowaniem urobku na poziomie roboczym koparki (rys. 9). Stosowany jest przy udostępnianiu złóŜ lub wykonywaniu prac pomocniczych (wykopów, przekopów). Koparka moŜe być umieszczona w osi wykonywanego wkopu lub po jednej ze stron, co pozwala na zwiększenie zasięgu poziomego (odsunięcie dolnej krawędzi skarpy powstającego zwału od górnej krawędzi wkopu). Koparka zgarniakowa moŜe pracować w zabierce bocznej lub czołowej.

A

A

Przekrój A - A

Rys. 9. Technologia pracy koparki zgarniakowej przy wykonywaniu wkopu

2.

Dobór koparki zgarniakowej

Podstawowe parametry mające bezpośredni wpływ na technologie pracy koparek zgarniakowych i osiąganą wydajność podzielić moŜna na cztery grupy [5, 6, 7]: a) techniczne parametry konstrukcyjne koparki – objętość czerpaka, długość wysięgnika, kąt nachylenia wysięgnika oraz kąt i prędkość obrotu wysięgnika, wysokość zamocowania przegubu wysięgnika, prędkość przemieszczania koparki, prędkość podnoszenia i opuszczania wysięgnika, maksymalna masa zawieszona na linie (łączna masa urobku i zgarniaka),

8

b) geometryczne parametry urabiania – promień i wysokość urabiania oraz rozładowania, szerokość zabierki, wysokość i głębokość piętra, kąt nachylenia skarpy czołowej, kąt nachylenia skarpy bocznej, odległość stopy zwału od dolnej krawędzi pokładu kopaliny, długość frontu, c) parametry urabianego nadkładu i kopaliny – gęstość objętościowa, współczynnik rozluzowania, kąt naturalnego usypu, wytrzymałość podłoŜa, d) czynnik osobowy – predyspozycje i praktyka operatora koparki. Dobór właściwej koparki do pracy w konkretnych warunkach geologiczno-górniczych wymaga dokładnej analizy wyŜej wymienionych czynników. NajwaŜniejsze z nich to: 1. poziomy zasięg pracy (długość i kąt obrotu wysięgnika, kąt nachylenia wysięgnika). 2. pionowy zasięg pracy (głębokość i wysokość urabiania oraz wysokość rozładunku). 3. pojemność zgarniaka. Pierwsze dwa czynniki uzaleŜnione są od technologii pracy koparki zgarniakowej. Trzeci jest uzaleŜniony od wielkości rocznego wydobycia albo wymaganego postępu frontu roboczego. Oprócz tego naleŜy uwzględnić jednostkowy nacisk na podłoŜe, a równieŜ czas efektywnej pracy. Na rysunku 10 przedstawiono typowy poprzeczny przekrój przez wyrobisko podczas pracy koparki zgarniakowej w metodzie podstawowej.

Rys. 10. Przekrój poprzeczny przez wyrobisko (podstawowa technologia pracy)

Nadkład jest usuwany z bloku A łącznie z wkopem wstępnym i lokowany w obszarze C. Powierzchnia przekroju obszaru C powinna być większa od powierzchni A. Współczynnikiem proporcjonalności tych dwóch powierzchni powinien być współczynnik wstępnego rozluzowania nadkładu. Podstawowe wielkości geometryczne przedstawione na rysunku 10 to: α – kąt nachylenia bocznej skarpy nadkładowej, β – kąt nachylenia bocznej skarpy złoŜowej, γ – kąt nachylenia skarpy zwałowiska, H1 – grubość nadkładu, H2 – miąŜszość złoŜa, H3 – wysokość zwałowiska, RR – promień rozładunku (zwałowania) koparki, B – szerokość zabierki. Promień urabiania koparki, głębokość urabiania, wysokość rozładunku są geometrycznymi parametrami zaleŜnymi od długości wysięgnika oraz kąta jego nachylenia. Producenci koparek zgarniakowych oferują zazwyczaj kilka alternatywnych ustawień kąta nachylenia wysięgnika oraz jego długości, co umoŜliwia dobór parametrów konstrukcyjnych kaŜdej koparki. Pojemność zgarniaka najprościej określić jest z wymaganej zdolności produkcyjnej. MoŜna ją obliczyć z wzoru (2):

9

V=

kp ⋅W T

⋅

t c ⋅k r , 3600 ⋅ k n ⋅ k c

[m ]

(2)

3

Gdzie: V – pojemność zgarniaka, [m3] W – wielkość wydobycia kopaliny, [ton] kp – średni przemysłowy współczynnik N/Z, [m3/ton] T – liczba godzin pracy koparki w ciągu roku [godz.] tc – czas cyklu koparki, [s] kr – współczynnik rozluzowania (spulchnienia) urobku, kn – współczynnik napełnienia zgarniaka, kc – współczynnik wykorzystania czasu roboczego. Wartość czasu cyklu powinna być średnią, oczekiwaną w pewnym okresie pracy, uwzględniając wszystkie czynniki wpływające niekorzystnie na wartość tego czasu np. warunki urabiania, czynnik ludzki itp. Najczęściej przyjmuje się, Ŝe czas cyklu wynosi od 50 do 72 sekund. Planowany roczny czas pracy koparki uwzględnia okresy, kiedy koparka nie pracuje (święta, weekendy, okresy niepogody) i na ogół wynosi 7 - 8 tys. godzin, co stanowi 80-90% wykorzystania kalendarzowego czasu pracy, a więc jest bardzo duŜy. Pozostałe współczynniki związane są z rodzajem urobku oraz organizacją pracy koparki. Zazwyczaj uwaŜa się, Ŝe koparki wyposaŜone w większe naczynie robocze mają większą wydajność. Jednak nie zawsze jest to prawdą. W przypadku koparek zgarniakowych długość wysięgnika ma istotny wpływ na długość cyklu roboczego, poniewaŜ zwiększa się droga, jaką musi pokonać czerpak. Zwiększający się czas obrotu powoduje wydłuŜenie czasu cyklu, a tym samym zmniejszenie wydajności. Dlatego przykładowo koparka ze zgarniakiem o pojemności 46 m3, dla której czas cyklu wynosi 57 s w rzeczywistości będzie miała mniejszą wydajność od koparki ze zgarniakiem 45 m3, dla której czas cyklu wynosi 55 s, jeŜeli koparki te pracują w takich samych warunkach. Przykładowe wskaźniki pracy koparek zgarniakowych w USA przedstawiono w tab. 1. Tab. 1. Eksploatacyjne wskaźniki wybranych koparek zgarniakowych pracujących w USA

Lp.

Typ koparki

Pojemność czerpaka [m3]

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

BE 1260 BE 1570 Marion 195M BE 1570 Marion 195M BE2570 BE2570 Marion 8050 BE 1350 Marion 7920 BE 1370 BE 1300 BE 1570 BE 770-B Marion 8750

22,9 57,3 13 58,9 13 80,3 84,1 48,9 38,2 38,2 42,8 28,3 58,9 16,1 80,3

Czas cyklu [s]

Średni kąt obrotu [°]

Wskaźnik wydobycia  m3   3   godz. ⋅ m 

Wskaźnik nadkładu do złoŜa [m3/t]

Urabianie pomocnicze (rozluzowanie przy pomocy MW)

64 75 72 50 72 70 70 50 50 50 60 67 69 75 72

120 90 95 75 95 94 94 130 130 130 95 120 109 90 95

49.0 46.7 44.5 43.2 42.9 42.4 40.5 39.9 38.1 38.1 38.0 37.6 31.6 36.2 36.0

2,1 : 1 5,1 : 1 7,8 : 1 6,3 : 1 7,8 : 1 4,2 : 1 4,2 : 1 5,5 : 1 5,5 : 1 5,5 : 1 8,4 : 1 4,3 : 1 12,1 : 1 19,4 : 1 7,8 : 1

tak nie nie nie nie nie nie tak tak tak tak tak nie tak nie

Dla porównania pracy róŜnych koparek w tabeli podano tzw. wskaźnik wydajności efektywnej koparki, tj. wielkość wydobycia przypadającą na jednostkę pojemności zgarniaka i 1 godzinę pracy. Dla wyznaczenia objętości wtórnie przemieszczonego nadkładu stosuje się pojęcie współczynnika przemieszczania wtórnego, przez który rozumie się stosunek objętości wtórnie przemieszczanych mas do objętości nadkładu w zabierce przypadających na 1 m frontu robót. Największą wartość współczynnika przerzutu (przemieszczania wtórnego) moŜna określić ze wzoru (3) [9]:

k pr = 1 −

0,25 ⋅ B ⋅ tgγ kr ⋅ H1

(3)

10

3.

MoŜliwości zastosowania duŜych koparek zgarniakowych w Polsce

Tradycyjnym systemem eksploatacji węgla brunatnego w Polsce i innych krajach Europy są technologie ciągłe z zastosowaniem systemów KTZ, w którym urabianie prowadzone jest za pomocą wielonaczyniowych koparek kołowych lub łańcuchowych, a do transportu technologicznego stosowane są przenośniki taśmowe. W wielu przypadkach spowodowane jest to budową geologiczną złóŜ, a przede wszystkim głębokim ich zaleganiem oraz skomplikowaną, zaburzoną strukturą. Niemniej jednak w warunkach niektórych złóŜ w Polsce istnieje moŜliwość zastosowania technologii beztransportowych, a tym samym koparek zgarniakowych. Przede wszystkim moŜliwość taka istnieje w złoŜach zagłębia konińskoadamowskiego. W przypadku perspektywicznego złoŜa Piaski rozwaŜano juŜ zastosowanie koparki zgarniakowej do zdejmowania nadkładu w pokładach zalegających w tzw. palczastych odnogach (rys. 11).

Bucyrus 2750WS Euclid CH 150 KWk 500c

Nadkład

Zwały wewnętrzne

Węgiel

Rys. 11: Projekt eksploatacji złoŜa węgla brunatnego „Piaski” z zastosowaniem koparki zgarniakowej [11]

DuŜa rozciągłość i bardzo mała szerokość poszczególnych pól (poza polem centralnym) złoŜa Piaski powoduje konieczność zdejmowania duŜej ilości przybierek skarpowych w stosunku do objętości urabianego pokładu węgla. Konsekwencją tego jest wzrost eksploatacyjnego wskaźnika nadkładu do wartości powyŜej 10 m3/Mg (wobec wskaźnika geologicznego 6,7 m3/Mg) i wysokie koszty eksploatacji węgla. Zastosowanie koparki zgarniakowej pracującej w systemie beztransportowym umoŜliwia znaczne obniŜenie kosztów wydobycia. Ze względu na uniwersalność koparek zgarniakowych, rozwaŜane są równieŜ moŜliwości nietypowego zastosowania tych maszyn w kopalniach odkrywkowych w Polce, np. do wydobycia niektórych nieprzemysłowych zasobów węgla brunatnego. W KWB Bełchatów występuje problem z eksploatacją głęboko zalegających nieprzemysłowych zasobów węgla, poniŜej poziomu -80 m n.p.m. Eksploatacja tych zasobów, które będą tworzyć spąg wyrobiska, jest bardzo trudna z zastosowaniem tradycyjnej technologii. Dlatego teŜ prowadzone są prace nad określeniem moŜliwości zastosowania koparki zgarniakowej do urabiania tego rejonu złoŜa. Główną zaletą koparki zgarniakowej, która pozwala na jej zastosowanie do urabiania w warunkach KWB Bełchatów, jest duŜy zasięg pionowy eksploatacji. Koparka zgarniakowa mogłaby urabiać piętro podpoziomowe o wysokości 10-30 m, a urobek składować na poziomie roboczym (rys. 12). Pryzma urobku mogłaby być powtórnie urabiana i ładowana na przenośnik taśmowy z wykorzystaniem pracujących w kopalni koparek łańcuchowych ERs 710. Takie zastosowanie koparki zgarniakowej jest moŜliwe, lecz wymaga rozwiązania wielu problemów przede wszystkim wynikających z głębokości, na jakiej zalegają zasoby i bardzo trudnych warunków geologiczno-górniczych.

11

-48/-54 m n.p.m.

Przenośnik poziomowy

Koparka zgarniakowa

Poz. -65/-71 PG OT

Poz. -100 ERs 710 -48/-54 m n.p.m. Poz. -65/-71 700 m2

540 m2 Poz. -100

Rys. 12: Analizowana technologia pracy koparki zgarniakowej przy urabianiu węgla brunatnego w rowie II rzędu KWB Bełchatów [5]

4.

Podsumowanie

Koparki zgarniakowe o duŜych pojemnościach czerpaków naleŜą do największych koparek jednonaczyniowych pracujących na świecie. Charakteryzują się one nie tylko duŜymi wymiarami i masą roboczą (pojemność zgarniaka do 120 m3, długość wysięgnika do 130 m, masa od kilku do ponad 7000 Mg), ale równieŜ długim czasem efektywnej pracy w ciągu roku (nawet 7000 – 8000 godz.). Prosta konstrukcja, wysoka wydajność, niska awaryjność, bardzo mała ilość przerw technologicznych, duŜa elastyczność pracy powodują, Ŝe koszty pracy tych koparek są bardzo niskie, szczególnie przy zastosowaniu beztransportowego zwałowania nadkładu. W głębokich kopalniach, duŜe pionowe i poziome zasięgi pracy umoŜliwiają zastosowanie koparek zgarniakowych na najniŜszych poziomach eksploatacyjnych do wybierania zasobów znajdujących się poza zasięgiem innych, bardziej typowych maszyn, bez konieczności obniŜania poziomów eksploatacyjnych. Tradycyjnym układem eksploatacji węgla brunatnego w Polsce jest system KTZ (koparka wielonaczyniowa, taśmociąg, zwałowarka taśmowa), ale istnieją w Polsce złoŜa lub części złóŜ, w których moŜliwym byłoby zastosowanie koparek zgarniakowych. Konieczność obniŜenia kosztów wydobycia zwłaszcza z planowanych do budowy kopalń węgla brunatnego wskazuje na potrzebę wzięcia pod uwagę równieŜ nowej w warunkach polskich technologii wydobycia. Pomimo prostej budowy i niezmienionej od początku produkcji zasady pracy koparek zgarniakowych, postęp techniki zaczyna wywierać coraz większy wpływ na konstrukcję tych maszyn. Przejawia się to między innymi w stosowanych materiałach konstrukcyjnych ale przede wszystkim w automatyce i sterowaniu. Nie przypadkowo maszyny te nazywane są obecnie największymi robotami świata. Literatura: [1]

Cummins A. B., Given I. A., Hartman H. L.: SME Mining Engineering Handbook; Soc for Mining Metallurgy and; 2nd Rev edition 1992

12

[2] [3] [4]

[5] [6] [7]

[8] [9] [10] [11] [12]

Fisher R.W., Hrebar M.J.: Dragline excavation method for U.S. lignite mines. Coal mining v. 24, no. 12; 1985 Hrebar M.J.: Preliminary dragline selection for surface coal mining operations; Mine Planning and Equipment Selection; A.A. Balkema; Rotterdam 1990 Kozioł W. I inni: Technologia transportu nadkładu urządzeniem przerzutowo-zwałującym dostosowanym do warunków geologiczno- górniczych krajowych pokładów złóŜ węgla brunatnego; Instytut Górnictwa Odkrywkowego Poltegor; Proj. bad. KBN; Wrocław 1998-2000 Kozioł W., Ciepliński A., Kawalec P., Zięba A.: Analiza techniczno- ekonomiczna moŜliwości wydobycia węgla z zasobów nieprzemysłowych poniŜej poziomu – 80 m n.p.m.; AGH Kraków 2003 Kozioł W., Uberman R., Ciepliński A., Kawalec P.: Opracowanie załoŜeń technicznych dla koparek zgarniakowych; AGH Kraków 2002 Kozioł W., Kawalec P.: Eksploatacja węgla brunatnego w rowie II rzędu, poniŜej rzędnej -80 m n.p.m. wyzwanie techniczne i konieczność technologiczna w KWB "Bełchatów" S.A.; IV Międzynarodowy Kongres Węgla Brunatnego; Bełchatów 6-8 czerwca 2005; Prace Naukowe Instytutu Górnictwa Politechniki Wrocławskiej; Seria Konferencje; nr 112/44 Kozłowski Zb.: Technika prowadzenia robót w kopalniach odkrywkowych; wydawnictwo Śląsk; 1974 Mielnikov N.W.: Teoria i praktika otkrytych razrabotok; Izd. Niedra, Moskva 1973 Valgma I.: An evaluation of technological overburden thickness limit of oil shale open cast by using draglines; Tallin Technical University; Department of Mining, Tallin, Estonia 2001 Koncepcja eksploatacji złoŜa węgla brunatnego „Piaski”. Poltegor – projekt. Wrocław. 1997 r. Materiały informacyjne firmy Bucyrus

13