Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Постановка задач исследования
1.1 Состояние вопроса: предшествующее и настоящее положения 9
1.2 Объект исследования 25
1.2.1 Процесс производства щебня 27
1.3 Задачи исследования 30
Глава 2. Определение энергоемкости, трудоемкости и затратоемкости технологических процессов
2.1 Общие положения 31
2.2 Бурение скважин
2.2.1 Энергоемкость бурения 33
2.2.2 Трудоемкость бурения 36
2.2.3 Затратоемкость бурения 38
2.3 Взрывные работы
2.3.1 Энергоемкость взрывных работ 39
2.3.2 Трудоемкость взрывания 45
2.3.3 Затратоемкость взрывания 45
2.4 Вторичное взрывание
2.4.1 Энергоемкость вторичного взрывания 47
2.4.2 Трудоемкость вторичного взрывания 52
2.4.3 Затратоемкость вторичного взрывания 54
2.5 Экскавация
2.5.1 Энергоемкость экскавации 55
2.5.2 Трудоемкость экскавации 58
2.5.3 Затратоемкость экскавации 59
2.6 Автомобильный транспорт
2.6.1 Энергоемкость транспортирования з
2.6.2 Трудоемкость транспортирования 62
2.6.3 Затратоемкость транспортирования 64
2.7 Получение щебня на заводе
2.7.1 Энергоемкость дробления 65
2.7.2 Трудоемкость дробления 69
2.7.3 Затратоемкость дробления 69
2.8 Определение объема получаемой продукции 70
2.9 Выводы 72
Глава 3. Влияние качества взрывной подготовки пород на энергоемкость, трудоемкость и затратоемкость технологических процессов
3.1 Общие положения 76
3.2 Кусковатость взорванных гранитов 77
3.3 Определение средневзвешенного размера куска взорванной горной массы 82
3.4 Влияние кусковатости на процесс бурения 85
3.5 Влияние среднего размера куска взорванной горной массы на энергоемкость, трудоемкость и затратоемкость взрывания 91
3.6 Влияние кусковатости на энергоемкость, трудоемкость и затратоемкость экскавации 97
3.7 Влияние кусковатости на энергоемкость, трудоемкость и затратоемкость транспортирования пород 105
3.8 Влияние кусковатости на энергоемкость, трудоемкость и затратоемкость дробления 111
3.9 Исследование чувствительности показателей технологических процессов к среднему размеру куска 115
3.10 Суммарные зависимости энерго-, трудо-, затратоемкости процессов от кусковатости пород 123
3.11 Выводы 125
Глава 4. Определение путей совершенствования процесса производства щебня
4.1 Общая оценка эффективности 128
4.2 Энергоемкость технологических процессов 130
4.3 Трудоемкость технологических процессов 132
4.4 Затратоемкость технологических процессов 133
4.5 Совершенствование технологических процессов
4.5.1 Совершенствование буровзрывных работ 134
4.5.2 Совершенствование транспортирования 136
4.5.3 Совершенствование процесса дробления 137
4.6 Выводы 141
Заключение 143
Литература
- Процесс производства щебня
- Трудоемкость вторичного взрывания
- Определение средневзвешенного размера куска взорванной горной массы
- Затратоемкость технологических процессов
Процесс производства щебня
Современные открытые горные работы и комплексы по переработке нерудных полезных ископаемых характеризуются большими масштабами и мощностью используемого оборудования. В условиях растущего дефицита энергетических, материальных, трудовых и других видов ресурсов все более актуальной становится проблема совершенствования технологии, организации, планирования и управления производством, которая обеспечивает максимальное использование всех трудовых, технических и материально-производственных ресурсов, основанное на слаженности в работе предприятия и обеспечении необходимой пропорциональности между всеми его частями.
Лучшим вариантом решения проблемы оптимизации производства можно считать такой, при котором управление технологическими процессами добычи и переработки горной массы проводится с использованием единого критерия оптимизации. Но, к сожалению, пока этот критерий не найден.
Так как при различных технологических процессах потребляются различные виды энергии (электрическая - при бурении, экскавации, дроблении и измельчении; тепловая - при транспортировке горной массы автосамосвалами; химическая - при подготовке скальных пород взрывом), то важным количественным показателем, в значительной мере отражающим как свойства объекта разработки, так и параметры сопряженного процесса, может служить величина удельных энергозатрат.
Единой физической величиной, характеризующей любой вид энергии, является джоуль (Дж). Путем введения переводных коэффициентов энергия любого вида может быть приведена к единой размерности, в частности выражена в наиболее подходящем масштабе - МДж. Это позволяет привести энергозатраты в разных технологических процессах к общему знаменателю и сопоставить их между собой. Однако при этом освещается только физическая (энергетическая) сторона процесса. Для того, чтобы анализ был максимально приближен к реальным производственным условиям и требованиям, необходимо учитывать разницу в цене различных видов энергии, а также трудовые затраты. Это позволяет выбрать предпочтительные варианты оптимизации технологических процессов в зависимости от величины их энергоемкости при одновременном учете цены единицы энергии.
Впервые идея энергетического подхода к анализу промышленного производства была выдвинута С. Подолинским в 1881г. [87]. Он считал, что мерой производственных возможностей общества является энергетический бюджет. В этих условиях финансовая статистика должна дополняться энергетической. В 30-е годы XX в. идея энергетического анализа производства возрождается В.И. Вернадским и Н.М. Федоровским. Таким образом, отечественная наука оказалась впереди по времени выдвижения, глубине и обоснованности идеи энергетического анализа производства. Но в то же время в практическом ее применении мы отстали. Так, в США функционирует Институт энергетического анализа, принят закон, в соответствии с которым федеральные программы должны иметь не только денежную, но и энергетическую расчетные части.
Экономия энергоресурсов в горной и перерабатывающей промышленности - проблема, решение которой возможно не по отдельным технологическим процессам, а в их общей совокупности, путем достижения минимума энергозатрат на получение единицы конечного продукта. Тем не менее, окончательный результат зависит от установления нормативов энергозатрат на отдельные технологические процессы с учетом физико-механических и физико-химических свойств полезного ископаемого.
В настоящее время в горном деле отсутствуют определенные рекомендации по количественной оценке удельных энергозатрат по этим процессам. В условиях горного производства получили распространение классификации по буримости, взрываемости и экскавируемости пород, основанные на использовании нескольких показателей, таких, как петрографическое наименование пород, их базовые физико-технические параметры, структурные особенности массива и др. Основная цель классификаций заключается в нормировании труда в процессах бурения, экскавации, транспортировки и лишь на взрывных работах - в определении удельного расхода ВВ [115].
Разнообразный характер классификационных признаков исключает возможность создания и использования измерительных устройств для оперативной оценки технологических свойств пород и разработки на этой основе нормативов удельных энергозатрат.
В 1935г. Н.М. Федоровский [119] в своем труде пишет, что гораздо удобнее в вопросах классификации оперирование технологическими показателями, более простыми, лучше поддающимися проверке и связанными с меньшим количеством воздействующих факторов. Таким признаком является энергоемкость, то есть то количество энергии, которое необходимо затратить на ископаемое, чтобы сделать его готовым для промышленного использования. Этот технический признак представляется исключительно удобным и показательным, одновременно отвечая и предмету, и цели классификации.
Каждое ископаемое, прежде чем получить возможность фактического использования, должно подвергнуться определенному воздействию. Прежде всего, оно должно быть добыто из недр путем его выемки. На это необходимо затратить совершенно определенную энергию. Но для многих ископаемых одной добычи недостаточно. Часть из них требует последующего дробления, другая - измельчения и рассева, третья - обогащения и т. д. Все виды энергии (тепловая, электрическая и т. д.) могут быть приведены к одной на основе соответствующих коэффициентов.
Трудоемкость вторичного взрывания
Задачей энергетической классификации является сравнительная оценка способов переработки полезных ископаемых, позволяющая избрать наиболее правильный из всех возможных, путь промышленной разработки.
Опираясь на энергетический подход в кристаллохимии, большой вклад оставили в науке такие выдающиеся ученые, как А.Е. Ферсман, В.Д. Кузнецов, Э. Мамыров, В.В. Зуев и др. [46,47,54,68,120]. Ими было установлено, что учет параметров эффективной энергии разрушения горных пород дает возможность произвести прогнозную оценку оптимальных энергозатрат на их разрушение при производстве буровзрывных и других видов горных работ.
Так, например, учет параметров эффективной энергии разрушения материалов, слагающих горные породы, позволяет давать оценку КПД работы современного дробильно-измельчительного оборудования: если КПД дробления породы оказался в несколько раз выше КПД ее измельчения, то это говорит о весьма низкой эффективности измельчительного оборудования, о больших резервах в этой области и необходимости конструирования принципиально новых аппаратов с более высокими характеристиками КПД энергетики измельчения материалов.
Основным критерием оптимизации производства И.А. Тангаев [115] считал показатели удельных энергозатрат по основным процессам. Он отталкивался от того, что удельная энергоемкость - мера сопротивляемости породы разрушению в процессах бурения, взрывания, дробления и измельчения и копанию в процессе экскавации. Показатель удельной энергоемкости сочетает в себе натуральное и экономическое (стоимостное) содержание: минимум себестоимости обязательно соответствует минимуму энергозатрат. Это делает энергетический критерий особенно удобным для использования в решении задач контроля эффективности процессов, их оптимизации, управления и планирования.
Мы под энергоемкостью будем понимать выраженное в МДж количество энергии, необходимое для добычи и переработки 1 м полезного ископаемого.
Конечная цель управления производственным процессом заключается в получении продукта заданного количества и качества с наименьшими затратами. В энергетическом эквиваленте это может быть выражено так: любой агрегат должен работать с полной нагрузкой в условиях минимальной энергоемкости процесса. Так как технологические процессы добычи и переработки полезных ископаемых тесно связаны между собой, их управление и оптимизация должны быть подчинены общей задаче - минимизации удельных энергозатрат на производство единицы конечного продукта. Это означает необходимость перераспределения удельных энергозатрат по промежуточным процессам таким образом, чтобы был достигнут главный конечный результат.
Затраты труда на производство какой-либо продукции измеряются величиной израсходованной работниками рабочего времени. Чем меньше его будет затрачено на каждую единицу производимой продукции, тем большее количество продукции будет произведено каждым работником [75].
Производительность живого труда Пт определяет количество выпущенной (или запланированной к выпуску) продукции в расчете на одного работника предприятия в единицу времени: Пт=у 0-1) где Q -объем произведенной продукции в единицу времени; Зтр -затраты труда, чел.-смен (чел.-мес, чел.-лет). Величина, обратная производительности труда, называется трудоемкостью работ Те. Она рассчитывается по формуле: Те= . (1.2) Q } Изменение производительности непосредственно влияет на изменение уровня производительности труда. Чем меньше затрачивается труда на выпуск единицы продукции, тем выше производительность труда. Количественно эту связь можно установить с помощью следующих формул: Шт -100 А AT -100 е 100 +Л/7 ТР 100 -ДГ ТР е где АТе и АПтр - изменение соответственно трудоемкости и производительности труда, %. Если трудоемкость снижается, то производительность труда повышается, и наоборот.
В нерудной промышленности при определении показателя производительности труда по предприятию (а не по отдельному процессу) в качестве условной учетной единицы принимается объем продукции, пересчитанный с учетом коэффициента трудоемкости. Трудоемкость выполнения одного из видов продукции условно принимается за единицу. К этому показателю трудоемкости на основе установленных коэффициентов приравнивают все другие виды продукции. Для определения производительности труда объем работ в натуральных единицах измерения умножают на соответствующий коэффициент трудоемкости и суммируют по всем видам работ. Полученную сумму делят на общие затраты труда на производство всей продукции: а -к, +а -к,+... + о -к ГРІ ТР2 "" TPn где: Qi, Q2, ..., Qn - объемы произведенной продукции в натуральных показателях за анализируемый период времени; kyi, ку2, ... , к - коэффициенты перевода натуральных единиц измерения в условно-натуральных для каждого вида продукции, установленные исходя из сравнительной трудоемкости их добычи или по другому признаку; ЗТРЬ 3-ц 2, , Зтрп - затраты труда на добычу различно продукции за анализируемый период времени, чел.-смен (чел.-мес, чел.-лет).
Трудоемкость работ определяется, как правило, количеством человеко-смен, затраченных на добычу 1000 т полезного ископаемого за анализируемый период времени.
Показатель трудоемкости удобнее применять для целей анализа, так как он позволяет расчленять суммарные затраты труда на карьере в целом по отдельным производственным процессам, профессиям и участкам и представлять итоговую трудоемкость по предприятию (карьеру) в виде простой суммы показателей трудоемкостей по процессам. Это дает возможность выявлять процессы, на которых происходило наибольшее изменение затрат труда, и выявлять роль каждого такого изменения в итоговом повышении или снижении трудоемкости по предприятию в целом.
Показатель производительности труда таким важным для анализа свойством не обладает. Значительное влияние на уровень производительности труда оказывают комплексная механизация и автоматизация технологических процессов и производства в целом, концентрация производства в масштабе предприятия и его подразделений на основе интенсификации работ.
Определение средневзвешенного размера куска взорванной горной массы
Объектом исследования является месторождение гранитов и гнейсо-гранитов «Кузнечное-1», расположенное в Приозерском районе Ленинградской области, в 2-х км к северо-востоку от ж/д ст. Кузнечное ив 18 км к северо-западу от г. Приозерска. Месторождение отрабатывается с 1973 г. Поверхность месторождения неровная, всхолмленная, с абсолютными отметками от +12 м в понижениях до + 47м на вершинах отдельных холмов. В юго-западной части месторождения расположен действующий карьер.
Полезное ископаемое представлено гранитами и гнейсо-гранитами, которые различаются между собой только по текстуре.
Макроскопически - это массивные, либо трещиноватые крупнозернистые породы, иногда со слабой гейсовидностью. Преобладающий цвет серовато-розовый. Плотность пород в среднем - 2,64 т/м . Гнейсо-граниты относятся к X категории пород по СНиП-ГУ-5-82. Вскрышные породы месторождения представлены четвертичными образованиями: суглинками, супесями, песками с глиной гравием, галькой с валунами, торфом. Мощность четвертичных отложений колеблется от 0 до 14,4 м, в депрессиях в среднем составляет 2,4 м. Геологический коэффициент вскрыши 0,04. Плотность пород вскрыши - 1,95 т/м . Из полезного ископаемого производят щебень. Проектная годовая производительность карьера по добыче гранитов -1200 тыс. м3. Проектная производительность заводов по выпуску щебня - 1900 тыс. м .
К началу 2000 г. промышленные запасы месторождения «Кузнечное-1» составляют 114103 тыс. м3, чего при проектной производительности карьера в 1200 тыс. м хватит на 95 лет. В карьере «Кузнечное-1» в соответствии с проектом на разработку месторождения, выполненного ГИПРОНЕРУДОМ г. Ленинграда и выполненной корректировкой в соответствии с проектом «Развития горных работ на период 1996-2005 гг. АООТ «ГИПРОНЕРУД» г. Санкт-Петербурга, принята транспортная, углубочная система разработки поперечными заходками, с односторонним параллельным развитием фронта работ. В настоящее время отработка полезной толщи ведется пятью добычными горизонтами сверху вниз: +1,0 м; -11,0 м; -21,0 м; -33,0 м; -45,0 м. Среднегодовое подвигание фронта работ на отрабатываемых горизонтах составит до 90 м.
Вскрышные породы разрабатываются без предварительного рыхления экскаватором типа прямая лопата ЭКГ-4,6Б с погрузкой в автосамосвалы БелАЗ-7522 и КРАЗ-256Б и последующей транспортировкой во внешний отвал, расположенный в отработанном карьере «Гора Розовая» в 3,6 км от карьера «Кузнечное-1».
Добычные работы ведутся по цикличной схеме: взорванная горная масса с помощью одноковшового экскаватора ЭКГ-4,6Б (5А) грузится в 30-ти и 42 тонные автосамосвалы БелАЗ-7522 и БелАЗ-7523 соответственно и вывозится к приемным бункерам ДСЗ-2 и ДСЗ-3. Среднее расстояние транспортирования горной массы от забоев до ДСЗ-2 и ДСЗ-3 - 1,8 и 2,2 км.
В связи со значительной крепостью полезного ископаемого (f=15-18), подготовка его к выемке производится с предварительным рыхлением скважинными зарядами буровзрывным способом. Основной объем буровых работ на карьере выполняют станками шарошечного бурения СБШ-250 МНА -32. На подработке подошвы уступа и для контурного взрывания скважин применяют станки ударно-вращательного бурения на гусеничном ходу СБУ-100Г.
Обеспечение стабильности качества поставляемого на переработку сырья достигается путем ведения селективной отгрузки горной массы из карьера (при наличии большого количества отсева, снега, глины) и разубоживания горной массы с разломов нормальным камнем. Управление качеством поставляемого на переработку сырья достигается следующими способами: 1) усреднением путем изменения количества одновременно действующих забоев; 2) выбором оптимального направления движения погрузочного оборудования вдоль фронта работ; 3) регулированием очередности отработки выемочных блоков; 4) изменением нагрузки на забои.
Процесс производства щебня Горная масса с помощью БелАЗ - 7522 и БелАЗ - 7523 вывозится к двум приемным бункерам ДСЗ-2. Размеры отдельных кусков достигают 900 мм. Затем по питателю горная масса поступает в щековую дробилку крупного дробления СМД-118. После первичного дробления, по конвейеру, материал поступает в конусную дробилку среднего дробления КСД-2200. Далее - на грохот, который разделяет с помощью сита поступающую массу на надрешетный (+40 мм) и подрешетный продукт (-20 мм). Надрешетный продукт поступает в конусную дробилку мелкого дробления КМДТ-2200, откуда опять возвращается на грохот для повторения операции. В результате получают требуемую фракцию щебня 20-40 мм. Подрешетный продукт проходит вторую стадию грохочения, а затем и третью, где выделяются фракция 5-20 мм и отсев 0-5 мм.
Фракции 20-40 и 5-20 мм поступают в готовую продукцию. Отсевы складируются на выделенном для этой цели участке вскрышного отвала «Гора Розовая», где складирование вскрышных пород не производилось. На рис. 1.1 показан выпуск гранитного щебня на ДСЗ-2 с начала его эксплуатации. Большие скачки изменения производительности напрямую зависят от спроса на продукцию. В настоящее время на предприятии рассматривается ряд предложений по переработке отсевов с целью извлечения из этого продукта щебня мелких фракций 2-5,0 мм; 0,63-2,0 мм. Отсевы относятся к категории временно не используемой готовой продукции по причине отсутствия постоянного спроса со стороны потребителей. Для совершенствования технологического процесса переработки сырья были предложены следующие проектные работы: 1) «Технические предложения по строительству установки по обогащению отсевов дробления ДСЗ-2 АО «Гранит-Кузнечное», разработало ОАО «ГИПРОНЕРУД», г. Санкт-Петербург, 1995г. 2) «Обследование и разработка программы модернизации существующих предприятий по производству высокопрочного щебня на территории Ленинградской области», выполнило ОАО «ГИПРОНЕРУД», г. Санкт-Петербург, 1995г.
Затратоемкость технологических процессов
При определении гранулометрического состава строительных материалов результаты анализа иногда выражают в виде треугольника (чем ближе точка к вершине треугольника, тем больше в данном материале фракции, соответствующей этой вершине) [28].
Гранулометрический состав пород после взрывного и механического дробления горных пород отражает вероятностный процесс образования кусков (зерен) различной крупности в результате их разрушения.
Исследования гранулометрического состава горной массы на карьерах определялись требованиями технологических задач горного цикла, обычно анализировали соотношения размеров лишь крупной части общей совокупности кусков - от 200 мм и больше. Этими же требованиями обуславливалась и методика измерений кусковатости, которая позволяла изучать соотношение размеров в большой выборке горной массы. Расширение диапазона исследуемых размеров существенно увеличивает сложность методики, трудоемкость анализа и снижает объем выборки [64].
Гранулометрический состав дробленых горных пород описывается аналитическими выражениями, построенными на основе аппроксимации данных по реальным совокупностям частиц или кусков дробленых пород, полученных методами ситового (в основном) анализа.
В формулах (3.l)-(33):f(x) - доля частиц размером х в общем количестве частиц; а, X, \i - постоянные параметры, зависящие от характеристик и крупности дробленого материала. Эти параметры определяются экспериментально по данным замеров кусковатости для каждого конкретного случая.
Формулы (3.1) и (3.2) получили в свое время распространение при описании крупности мелких пылевидных частиц, формула (3.3) универсальна и описывает крупность кусков горной массы при взрыве [59], дроблении в дробилках, измельчении в мельницах [55], а также годится для описания дисперсного состава пылевых частиц.
Особое внимание следует уделить тем аппроксимационным соотношениям, которые образуются из известных статических распределений. К ним относятся логарифмически-нормальное распределение и гамма-распределение и как вариант Г-распределения - распределение Вейбулла.
Сравнивая формулы (3.3) и (3.5) можно увидеть, что закон Розина-Раммлера сводится к распределению Вейбулла, в связи с чем можно пользоваться общими приемами при построении этих распределений. Но расчет аналитической функции распределения громоздок и неудобен, т.к. приходится пользоваться вспомогательной таблицей для расчетов параметров распределения: параметры а и Я определяются из экспериментально полученного графика.
При наличии фактических данных гранулометрического состава горной массы подобрать ту или иную математическую модель кривой распределения не представляет особых затруднений. Однако не все законы распределения удовлетворяют условию дискретности процесса формирования кусков и независимости суммарных затрат энергии от направления процесса. При рассмотрении процесса образования кусков как случайного, дифференциальным элементом, наилучшим образом представляющим изменение размера куска х, является не dx, a dx/x. Действие каждого фактора на случайную величину JC пропорционально достигнутому ею уровню. Но, с другой стороны, известно, что сумма большого числа независимых факторов порождает случайную величину, распределенную нормально, а сама величина х - лог-нормально.
Впервые вопрос о применении лог-нормального закона для описания продуктов дробления был математически обоснован А.Н. Колмогоровым, исходя из следующих предпосылок [52]: 1) Предполагается независимость вероятностей каждого куска раздробиться на то или иное число кусков; 2) Вероятность куска быть раздробленным на то или иное число кусков и распределение не зависят от абсолютных размеров куска и его предшествующей истории; 3) Математическое ожидание общего числа кусков, получающихся за единичный промежуток времени из одного куска, конечно и больше единицы.
Предпосылки А.Н. Колмогорова получили экспериментальное подтверждение в исследованиях И.Б. Шлаина, которым было установлено, что «разнопрочные породы при дроблении в щековой, конусной и роторной дробилках дробятся независимо друг от друга. Выходы продуктов дробления разнопрочных пород аддитивны относительно выходов продуктов дробления пород каждой группы по прочности» [128].
Учитывая нестационарность физических процессов, протекающих в горных породах при взрывах и огромное число факторов, влияющих на дробление, учесть которые невозможно, можно предположить, что вероятностно-статистические модели позволяют наиболее точно прогнозировать кусковатость горной массы. При выборе для аппроксимации гранулометрического состава статистического закона распределения необходимо в первую очередь учитывать физическую природу явления взрыва, а не основываться на точности аппроксимации результатов испытаний, т.к. реальный гранулометрический состав осколков, образующихся после взрыва, с большой степенью достоверности аппроксимируется широким классом статистических распределений. Анализ схем дробления показывает, что наилучшим образом кусковатость взорванной горной массы аппроксимируется лог-нормальным распределением.
