Использование полки для экскаватора в забое в условиях открытых горных работ

Содержание

Введение

Добыча полезных ископаемых открытым способом растёт с каждым годом. Условия работы при этом усложняются: месторождения уходят на глубину, породы становятся крепче, а требования к безопасности и экономике работ — жёстче. Главная выемочно-погрузочная машина в забое — экскаватор. Именно от его работы зависит большая часть производственного цикла разреза: от подготовки горной массы до её погрузки в транспорт.

Чтобы экскаватор работал безопасно и с полной производительностью, ему нужна подготовленная площадка. Такой площадкой служит рабочая полка — часть уступа, на которой машина стоит во время черпания и погрузки. Полка принимает вес экскаватора, гасит динамические нагрузки от ковша и одновременно служит проездом для транспорта и местом для вспомогательного оборудования. Если её размеры занижены, машина теряет устойчивость, а борт уступа начинает деформироваться. Если размеры завышены, растут объёмы вскрыши и падает экономика работ. Значит, у полки есть узкий диапазон рациональных параметров, и его нужно обосновывать расчётом.

Актуальность темы связана с тем, что параметры полки на многих разрезах выбирают по типовым схемам или по опыту прошлых лет. Конкретные горно-геологические условия и характеристики новой техники при этом учитывают не всегда. Современные экскаваторы стали тяжелее, их рабочие нагрузки выросли, а значит, старые нормативы уже не везде подходят. Ошибка в расчёте обходится дорого: это простои, деформации площадки и аварийные ситуации.

Практическая значимость работы состоит в том, что подобранные параметры полки можно применять напрямую в проекте ведения горных работ. Обоснованная геометрия полки даёт прирост производительности экскаватора и снижает затраты на разработку месторождения.

Проблематика исследования связана с недостаточной изученностью того, как комплекс горно-геологических и горнотехнических факторов влияет на устойчивость полки. Единой методики расчёта её параметров для конкретных условий пока нет. Не до конца учтены и возросшие массы современных машин.

Объект исследования — открытые горные работы. Предмет исследования — процессы формирования и использования полки для экскаватора в забое, её параметры и устойчивость.

Цель работы — разработка научно обоснованных рекомендаций по использованию полки для экскаватора в забое в условиях открытых горных работ.

Для достижения цели нужно решить несколько задач:

1. изучить и проанализировать современную научную литературу по теме;<br>2. уточнить ключевые понятия и термины, связанные с рабочей полкой;<br>3. исследовать влияние горно-геологических и горнотехнических факторов на устойчивость и несущую способность полки;<br>4. выполнить расчёт параметров полки для конкретных условий разреза;<br>5. оценить эффективность применения полки и разработать практические рекомендации.

Методологическую основу работы составляют сравнительный анализ, системный подход, обобщение и классификация. Для расчёта геометрии полки применяется расчётно-графический метод. Для обработки данных за разные периоды используются статистические методы. Источниковую базу формируют монографии, статьи из рецензируемых журналов и актуальные учебники последних лет. Это даёт достоверную и современную основу для выводов.

Соответствие задач и методов их решения показано в таблице 1.

Таблица 1 – Задачи исследования и методы их решения

Вывод по разделу. Рабочая полка — не второстепенный элемент забоя, а условие безопасной и производительной работы экскаватора. Существующие подходы к выбору её параметров не полностью учитывают конкретные условия разреза и возросшие нагрузки от современной техники. Поэтому исследование строится от изучения теории к расчёту параметров полки для реальных условий и к практическим рекомендациям. Такой порядок работы позволяет получить результат, пригодный для применения на разрезе.

Теоретические основы использования полки для экскаватора в забое при открытых горных работах

Сущность и назначение рабочей полки в забое, её место в системе открытой разработки месторождений

Открытый способ разработки месторождений остаётся основным в мировой и отечественной горной практике. Он даёт высокую производительность и относительно низкую себестоимость добычи. Потребление минерального сырья растёт, а условия работы усложняются. Поэтому требования к организации процессов на карьерах и разрезах повышаются.

Центральное звено открытой разработки — экскаваторный забой. Его работа напрямую зависит от того, есть ли рядом устойчивое и достаточно большое по размерам пространство. Это пространство и есть рабочая полка. Её формируют на уступе или в забое, чтобы разместить горное оборудование, транспорт и людей. Техника развивается: единичная мощность экскаваторов растёт, грузоподъёмность автосамосвалов тоже. Из-за этого требования к несущей способности и размерам полки становятся жёстче. Тема актуальна, потому что параметры полок нужно обосновывать научно — иначе не обеспечить ни безопасность, ни производительность экскавации [12].

В литературе рабочая полка — это локальная площадка на уступе или в забое. Она нужна для размещения экскаватора, маневрирования транспорта и вспомогательных операций. В сложившейся терминологии рабочая полка — часть рабочей площадки уступа. Она примыкает к забою и используется для установки экскаватора во время выемки горной массы. Разграничим близкие понятия — их отличия даны в таблице 1.

Таблица 1 – Разграничение основных понятий открытой разработки

Разграничение этих терминов важно для корректного проектирования и нормирования параметров полки [13].

Основное назначение рабочей полки — разместить экскаватор в положении, удобном для эффективной выемки и погрузки. Полка обеспечивает устойчивость основания под машиной. Она даёт экскаватору возможность маневрировать в пределах забоя. На полке размещают транспортные средства для приёма горной массы. Здесь же ставят элементы безопасности: ограждения, знаки, средства связи. С геометрией полки связана и организация грузопотоков. Ширина и длина полки определяют схему подъезда автосамосвалов или железнодорожного транспорта. Они влияют на время обмена транспорта и на производительность экскаватора. Полка служит площадкой для вспомогательного оборудования и ремонтных приспособлений. В современных исследованиях отмечается, что рациональная организация полки снижает простои и повышает интенсивность горных работ [18].

Место полки в системе открытой разработки определяется её связью с элементами системы разработки, порядком отработки уступов и технологическими процессами выемки и погрузки. Полка — часть рабочей площадки уступа. Та, в свою очередь, входит в структуру системы разработки. Порядок отработки уступов заметно зависит от того, можно ли разместить экскаватор и транспорт на полке. Если ширины не хватает, мощные экскаваторы и большегрузные автосамосвалы применять нельзя. Темпы отработки при этом снижаются. Полка связывает экскаватор, транспорт и устойчивость борта карьера. С геомеханической точки зрения она обеспечивает устойчивость призабойной зоны. Она предотвращает оползни и обрушения, которые приводят к авариям и остановке работ. Технологическая роль полки — создать условия для непрерывной и безопасной экскавации и транспортирования. Полка объединяет технологические и геомеханические стороны открытой разработки [24]. Схема размещения экскаватора на полке уступа показана на рисунке 1.

Рисунок 1 – Схема размещения экскаватора на рабочей полке уступа

Промежуточный вывод: рабочая полка — не второстепенный элемент, а обязательное условие нормальной работы экскаваторного забоя. Её параметры и состояние влияют на производительность экскаватора, безопасность людей и техники, устойчивость борта.

Дальше перейдём от описательного определения к аналитическому. Полка выступает как функция нескольких групп факторов.

- Первая группа — параметры экскаватора. Это тип рабочего оборудования (прямая или обратная лопата, драглайн), радиусы черпания и разгрузки, высота и радиус выгрузки, длина и ширина ходового устройства, давление на грунт, шаг передвижки. Эти характеристики задают минимально необходимое пространство, в котором экскаватор работает без потери производительности и без нарушения требований безопасности.<br>- Вторая группа — параметры уступа. Это его высота, угол откоса, число одновременно отрабатываемых подуступов, ширина развала после взрыва. Развал занимает часть площади полки и ограничивает зону маневрирования.<br>- Третья группа — физико-механические свойства пород: сцепление, угол внутреннего трения, плотность, влажность, трещиноватость, склонность к размоканию и разуплотнению под динамической нагрузкой от ходового оборудования.<br>- Четвёртая группа — схема транспортирования: автомобильная, железнодорожная или комбинированная. Тип транспорта задаёт ширину проезжей части, радиусы разворота, число полос движения и место установки транспорта под погрузку.

Эти группы факторов зависят друг от друга. Например, увеличение высоты уступа требует большего радиуса черпания. Тогда нужен более тяжёлый экскаватор. Он повышает нагрузку на основание полки и требует большей ширины и несущей способности. Полка формируется как результат совместного действия технологических и геомеханических ограничений. Её параметры нельзя назначать произвольно или по аналогии без проверки для конкретного забоя. Полка — изменяемый во времени элемент. Её геометрия перестраивается по мере отработки блока и перемещения экскаватора вдоль фронта работ [27].

Системные функции полки раскрываются через её роль в основных производственных процессах. Прежде всего полка создаёт условие для паспортной производительности экскаватора. При недостаточной ширине площадки машина сокращает угол поворота на разгрузку или работает с неполным заполнением ковша. Это снижает техническую производительность. Рациональная геометрия полки уменьшает число передвижек и затраты времени на маневрирование. Растёт коэффициент использования оборудования во времени. Снижается доля простоев из-за ожидания транспорта и подготовки фронта работ. Важна и организационная функция. На полке размещают вспомогательное оборудование, освещение, связь, проходы для людей. Это позволяет выполнять ремонтные и профилактические работы без остановки смежных звеньев.

Геомеханическая функция полки не менее важна. Призабойная зона уступа находится в состоянии, близком к предельному. Статическая нагрузка от экскаватора складывается с динамическими воздействиями при черпании и передвижке. Добавляется напряжённое состояние массива от естественного поля напряжений и техногенной нарушенности. Полка с достаточной шириной и правильно выбранным углом откоса перераспределяет эти нагрузки. Она предотвращает локальные обрушения и сползания в рабочей зоне. Если ширина занижена или угол откоса завышен, появляются заколы и вывалы. Теряется устойчивость самой полки и вышерасположенных берм. Это прямая угроза для людей и техники. Работы на участке приходится останавливать.

Сопоставим виды полок по назначению. Понятие охватывает ряд функционально разных площадок.

- Собственно рабочая полка (рабочая площадка уступа). На ней размещают экскаватор и обслуживающий транспорт. Размеры определяются типом машины и схемой погрузки.<br>- Транспортная полка (транспортная берма). Обеспечивает движение транспорта вдоль фронта работ, разворотные и обменные операции. Параметры нормируются требованиями к продольным уклонам, ширине проезжей части и радиусам закруглений.<br>- Предохранительная полка. Улавливает куски породы, скатывающиеся с вышележащих уступов. Защищает нижерасположенные рабочие площадки и транспортные коммуникации.<br>- Берма безопасности. Частный случай предохранительной полки. Её ширина регламентируется нормативами в зависимости от высоты вышележащего уступа и угла откоса.<br>- Монтажные и ремонтные полки. Создаются для размещения оборудования при монтаже и демонтаже и для стоянки техники в нерабочие периоды.

Из-за такого разнообразия на практике одна площадка нередко совмещает несколько функций. Ширину принимают по самому жёсткому из ограничений. Например, рабочая полка при автомобильном транспорте обычно включает полосу для развала взорванной горной массы, полосу для экскаватора, проезжую часть, берму безопасности со стороны откоса и полосу для вспомогательного оборудования. Совмещение функций сокращает общий объём вскрышных и подготовительных работ. Но требует тщательного обоснования устойчивости. Каждая дополнительная функция расширяет площадку и меняет схему распределения нагрузок на основание.

Влияние геометрии полки на показатели открытой разработки носит комплексный характер — и технологический, и экономический. Главные зависимости показаны на рисунке 2.

Рисунок 2 – Влияние ширины рабочей полки на технологические и экономические показатели забоя

Ширина рабочей площадки определяет возможность селективной выемки и точность отработки контактов рудного тела и вмещающих пород. При заниженной ширине экскаватор не может подойти к проектному контуру забоя. Это ведёт к росту потерь полезного ископаемого в недрах и разубоживанию из-за примешивания пород. Избыточная ширина полки тоже плоха. Растут объёмы вскрышных работ, падает интенсивность отработки уступа. Фронт работ перемещается медленнее, часть подготовленного запаса долго остаётся неотработанной. Оптимум лежит там, где технологические требования к размещению экскаватора и транспорта выполняются при минимальных дополнительных объёмах горных работ. Устойчивость призабойной зоны при этом обеспечивается с заданным коэффициентом запаса.

Геометрия полки влияет и на эффективность экскаваторного парка. Рациональная ширина площадки сокращает число передвижек. Меньше времени уходит на вспомогательные операции. Растёт коэффициент использования экскаватора по времени, повышается сменная и годовая производительность. Появляются условия для более производительных схем обмена транспорта — например, кольцевых и петлевых разворотов. Можно организовать работу нескольких единиц техники на одном уступе без взаимных помех. Полка связывает выемочно-погрузочные и транспортные процессы. Её параметры во многом определяют достижимый уровень концентрации горных работ на горизонте.

Всё изложенное обосновывает необходимость проектного нормирования ширины и устойчивости полки с учётом конкретных условий. Нормирование включает несколько взаимосвязанных процедур:

- определение требуемой ширины полки по условиям размещения экскаватора, транспорта и вспомогательного оборудования;<br>- проверку устойчивости откоса уступа и основания полки методами предельного равновесия или численного моделирования;<br>- оценку несущей способности основания под гусеничным или шагающим ходовым устройством;<br>- установление допустимых деформаций, при которых сохраняется работоспособность экскаватора и безопасность людей.

Исходные данные для расчётов — результаты инженерно-геологических изысканий, сведения о физико-механических свойствах пород, данные о применяемом оборудовании и принятой технологии работ [7]. Нормирование должно быть периодическим, а не разовым. Свойства массива и схема работы забоя меняются по мере продвижения фронта работ и роста глубины разработки.

Вывод по подразделу: рабочая полка — не вспомогательная площадка, а системный элемент открытой разработки. Она определяет технологическую схему забоя и безопасность работ. Именно параметры полки связывают тип экскаватора, высоту уступа, свойства пород и схему транспортирования. Значит, они задают границы возможного изменения производительности оборудования, потерь, разубоживания и интенсивности отработки горизонта. Полка одновременно выполняет технологические, организационные и геомеханические функции. Она совмещает пространство для машины, пространство для транспорта и элемент устойчивости призабойной зоны. Поэтому назначать её произвольно по упрощённым или усреднённым нормативам нельзя. Дальше нужно систематизировать нормативные требования, провести классификацию полок и обосновать их параметры для конкретных горно-геологических и горнотехнических условий.

Нормативные требования, классификация и параметры полок для размещения экскаваторного оборудования

Нормативные требования связывают технологические решения по размещению экскаватора в забое с требованиями промышленной безопасности. Любое проектное решение — от схемы вскрытия до геометрии уступа — проверяют на соответствие действующим нормам. Полка не исключение. Её параметры прямо влияют на устойчивость борта, риск опрокидывания машины и безопасность людей в забое. Поэтому нормативное регулирование здесь обязательное, а не рекомендательное. Основные документы, задающие требования, сведены в таблицу 2.

Таблица 2 – Основные нормативные документы, задающие требования к полкам

В паспорте забоя нормативные предписания приобретают прикладной характер — их привязывают к фактическим горно-геологическим условиям разреза. Соблюдение требований этих документов подтверждает, что схема размещения экскаватора обеспечивает технологическую целесообразность и нужный уровень безопасности [6].

Ключевые нормативные понятия — рабочая площадка, берма безопасности и транспортная берма. Рабочая площадка — часть уступа для размещения горного и транспортного оборудования и технологических операций. Берма безопасности — полоса уступа, которая остаётся после отработки и задерживает куски породы с вышележащего уступа. Транспортная берма обеспечивает движение транспорта вдоль борта. Полка для экскаватора в зависимости от схемы работы забоя может совмещать функции рабочей площадки и бермы безопасности. Это и определяет её нормативно закреплённые минимальные размеры.

Классификацию полок проводят по нескольким признакам. Они собраны в таблице 3.

Таблица 3 – Классификация полок для размещения экскаваторного оборудования

Основные параметры полки — ширина, длина, высота уступа, углы откоса, заложение откоса и расстояние от бровки уступа до оси экскаватора. Ширину определяют по габаритам машины, радиусам черпания и разгрузки, требованиям к безопасному перемещению. Длину диктует фронт работ и организация транспортных потоков. Высоту уступа и углы откоса устанавливают с учётом свойств пород и требований устойчивости. Заложение откоса — его горизонтальная проекция. Оно напрямую связано с расчётом призмы обрушения. Расстояние от бровки до оси экскаватора выбирают так, чтобы исключить обрушение породы под гусеницами и обеспечить устойчивое положение машины при работе.

Все параметры зависят от типа экскаватора. Чем больше габариты машины, радиусы черпания и разгрузки, тем шире нужна полка. Давление на грунт определяет требования к несущей способности основания. Учёт этих связей позволяет перейти от общих нормативных предписаний к обоснованным проектным решениям [21].

Переход от минимальных нормативных значений к рациональным параметрам — отдельная инженерная задача. Нормативные документы задают, как правило, нижнюю границу безопасности. Реальная эффективность забоя зависит от совокупности технологических, экономических и геомеханических условий. Минимально допустимую ширину рабочей площадки определяют исходя из габаритов экскаватора, схемы маневрирования, наличия транспортных коммуникаций и требований безопасности. На практике фактическую ширину полки часто принимают существенно больше нормативного минимума. Причины — размещение дополнительного оборудования, разворот автосамосвалов, временные склады, ремонтные работы.

Сопоставление минимальных и рациональных параметров показывает: нормативный минимум — ограничение, нарушение которого недопустимо, а не оптимум, к которому нужно стремиться при проектировании. В условиях интенсивной разработки занижение ширины полки до нормативного предела ведёт к росту простоев экскаватора, падению производительности и повышению риска аварий. Причины — потеря устойчивости откоса или опрокидывание оборудования. Необоснованное завышение ширины рабочей площадки тоже плохо. Растут объёмы вскрышных работ и затраты на транспортирование. Снижается общий коэффициент вскрыши. Особенно критично это для месторождений с большой глубиной карьера.

Факторы выбора параметров полки делятся на природные и технологические. Их состав показан в таблице 4.

Таблица 4 – Факторы, определяющие параметры полки

Сопротивление пород сдвигу и сжатию определяет допустимую крутизну откоса и несущую способность основания под экскаватором. Обводнённость массива снижает эффективное напряжение в породном скелете, уменьшает угол внутреннего трения и сцепление. Тогда нужно либо увеличить заложение откоса, либо применить мероприятия по водоотведению и дренированию. Сейсмические воздействия — природные и техногенные, в том числе массовые взрывы при отбойке, — дают дополнительные динамические нагрузки. Они могут вызвать деформации откосов даже при статически устойчивом состоянии.

Технологические факторы — интенсивность горных работ, тип и параметры экскаватора, схема транспортирования, порядок отработки уступов, организация буровзрывных работ. Высокая интенсивность отработки сокращает время консолидации пород. Она не позволяет реализовать мероприятия по упрочнению откосов. Тогда проектировщик закладывает более пологие углы и увеличенные ширины берм. Транспортная схема требует определённой ширины полки — исходя из размещения транспортных коммуникаций, безопасности движения и маневрирования автосамосвалов в стеснённых условиях забоя.

Критерии устойчивости и несущей способности полки — расчётная основа для проверки проектных решений. Основной количественный критерий — коэффициент запаса устойчивости. Его определяют как отношение удерживающих сил к сдвигающим по потенциальной поверхности скольжения:

Kу = ΣTуд / ΣTсдв,

где Kу — коэффициент запаса устойчивости;<br>ΣTуд — сумма удерживающих сил (трение и сцепление по поверхности скольжения);<br>ΣTсдв — сумма сдвигающих сил (составляющая веса призмы обрушения и внешних нагрузок, направленная вдоль поверхности скольжения).

Рассмотрим пример расчёта. Допустим, для выбранной поверхности скольжения удерживающие силы равны 4800 кН, а сдвигающие — 3000 кН. Тогда Kу = 4800 / 3000 = 1,6. Если нормативное значение для данных условий равно 1,3, откос устойчив.

Нормативные значения коэффициента запаса устанавливают в зависимости от класса ответственности сооружения, срока службы уступа и категории сложности инженерно-геологических условий [30]. Положение призмы обрушения определяет зону, где размещать экскаватор и транспорт недопустимо без мероприятий по укреплению откоса. Расчёт призмы обрушения выполняют методами предельного равновесия, численного моделирования или инженерными способами на основе теории предельного напряжённого состояния сыпучей среды. Допустимые деформации под экскаватором оценивают по чувствительности ходового оборудования к неравномерным осадкам и кренам и по условиям сохранения устойчивости машины при рабочих нагрузках. Превышение допустимых деформаций нарушает работу механизмов поворота и хода, ускоряет износ узлов. В итоге снижается надёжность и безопасность эксплуатации.

Проблемные зоны нормативного регулирования связаны с недостаточной детализацией требований для сложных горно-геологических условий. Действующие документы устанавливают общие принципы и ограничения. Прямых методик расчёта параметров полки для слоистого массива, слабых прослоев, повышенной обводнённости или сейсмичности в них нет. Проектные организации разрабатывают собственные методики. Это порождает разночтения в оценке устойчивости и затрудняет экспертизу проектных решений. Нормативные документы ориентированы в основном на статические условия. Реальная же эксплуатация забоя сопровождается динамическими воздействиями от взрывных работ и транспорта. Поэтому нужны уточняющие расчёты для конкретной площадки и локальные нормативы или паспорта забоя, адаптированные к фактическому состоянию массива.

Промежуточный вывод: нормативные требования задают базовые ограничения и минимально допустимый уровень безопасности. Классификация полок и их расчётные параметры — основа для проектных и проверочных расчётов. Они позволяют обосновать рациональные решения для конкретных горнотехнических условий. Нормативный минимум — не достаточное условие эффективной и безопасной работы экскаватора. Его нужно дополнять расчётным обоснованием устойчивости, проверкой несущей способности основания и учётом технологических факторов.

Вывод по подразделу: эффективность и безопасность размещения экскаватора в забое достигаются при комплексном учёте нормативных требований, классификационных признаков полок и расчётных параметров. Эти параметры определяют по физико-механическим свойствам пород, обводнённости, сейсмичности, интенсивности горных работ и принятой транспортной схеме. Дальше нужно проанализировать существующие исследования и методики обоснования устойчивости и геометрических параметров полки.

Обзор исследований и методик обоснования устойчивости и геометрических параметров полки в забое

В этом параграфе систематизированы российские исследования и методики 2020–2025 годов. Они посвящены устойчивости и обоснованию геометрических параметров рабочей полки в забое при открытых горных работах. В системе уступной технологии полка занимает особое место. Она отличается от обычной бермы. Берма только улавливает обрушенные породы и обеспечивает безопасность. Полка же нужна ещё и для размещения экскаватора, транспортных коммуникаций и вспомогательного оборудования. Функционально она связывает забой с вышележащими и нижележащими горизонтами. Отсюда её влияние на интенсивность горных работ и устойчивость прибортового массива [5].

Основные группы факторов, влияющих на устойчивость полки, — горно-геологические, гидрогеологические, технологические и динамические нагрузки от экскаватора. Горно-геологические факторы обусловлены литологическим составом, трещиноватостью, структурной неоднородностью и прочностными свойствами пород. Гидрогеологические условия — это обводнённость массива, поровое давление и сезонные колебания уровня подземных вод. Технологические факторы связаны с параметрами системы разработки, схемой передвижки экскаватора и интенсивностью отработки уступа. Динамические нагрузки возникают при работе экскаватора, его передвижении, при взрывных работах и транспортировке горной массы.

Нормативно-методическую основу назначения ширины, высоты и углов откосов полок составляют федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности, отраслевые методики и проектные регламенты. В них установлены требования к минимальной ширине рабочих площадок, бермам безопасности, углам откосов уступов и коэффициентам запаса устойчивости. Эти положения носят общий характер. Они не всегда учитывают конкретные горнотехнические условия забоя. Поэтому нужны дополнительные расчёты и обоснования. Действующие документы регламентируют главным образом статические параметры полки. Динамическое воздействие экскаватора учитывается лишь косвенно.

Классические расчётные подходы в российской практике — методы предельного равновесия, круглоцилиндрических поверхностей скольжения и плоских поверхностей сдвига. Эти методы позволяют оценить коэффициент запаса устойчивости откоса полки. Но они основаны на идеализации свойств массива. Как правило, они не учитывают пространственную геометрию забоя, сосредоточенные нагрузки и изменение напряжённого состояния при передвижке экскаватора [19]. Классические схемы не дают в полной мере оценить и влияние динамических колебаний от гусеничного движителя на рабочей площадке.

В российских исследованиях 2020–2025 годов всё большее развитие получают численные методы: метод конечных элементов (МКЭ), метод конечных разностей (МКР) и другие варианты моделирования напряжённо-деформированного состояния прибортового массива и полки под сосредоточенной нагрузкой. Эти подходы позволяют учитывать неоднородность массива, динамические воздействия и сложную геометрию забоя. Особое внимание уделяется моделированию контактных напряжений под гусеницами, осадке основания и краевым зонам полки. В работах по устойчивости уступов на угольных, рудных и нерудных месторождениях акцент делается на изменчивость свойств массива и вероятностные оценки устойчивости.

Подходы к выбору геометрических параметров полки обобщают ширину рабочей площадки, высоту уступа, угол откоса, ширину бермы безопасности и заложение откоса. Всё это учитывает габариты и массу экскаватора. Ширина рабочей площадки должна обеспечивать размещение экскаватора, безопасный проезд транспорта и маневрирование при разгрузке. Геометрия полки тесно связана с технологической схемой работы экскаватора: радиусом копания, радиусом разгрузки, шагом передвижки, схемой подачи транспорта и размещения отвала. Поэтому назначение параметров полки требует совместного учёта статики, динамики и технологических ограничений. В публикациях по угольным разрезам Кузбасса и рудным карьерам Урала отмечена необходимость учёта изменчивости прочностных характеристик пород даже в пределах одного уступа.

В российской научной литературе сформирован широкий набор методик. Единой универсальной методики, связывающей устойчивость откоса полки, её геометрию и реальные эксплуатационные нагрузки от конкретного экскаватора, нет [26]. Это создаёт теоретическую базу для последующего расчёта и практической оценки полки в конкретном забое, но требует уточнения для конкретных горно-геологических условий разреза. Сопоставление основных методик по ключевым критериям приведено в таблице 5.

Таблица 5 – Сопоставление методик обоснования устойчивости полки

Сопоставление показывает, что ни один подход не имеет универсального преимущества. Методы предельного равновесия отличаются минимальной трудоёмкостью. Они опираются на ограниченный набор прочностных характеристик. Численные схемы требуют деформационных параметров, параметров моделей прочности и граничных условий. Получить их для конкретного забоя — дополнительная задача. По учёту трещиноватости классические решения существенно уступают современным. Структурная неоднородность в них сводится к интегральному снижению прочностных показателей. Реальная ориентация систем трещин, их раскрытие и обводнённость определяют кинематически возможные поверхности смещения. Учёт обводнённости ещё более уязвим. Фильтрационное давление и взвешивающее действие воды вводят либо через осреднённый коэффициент, либо через статическое гидростатическое распределение. Реальную картину фильтрации в прибортовом массиве это не отражает. Динамическое воздействие экскаватора в большинстве инженерных методик учитывается только косвенно — через коэффициент запаса или условную добавку к нагрузке. Оценить изменение напряжённого состояния полки в процессе отработки так не получится.

Ограничения классических методов предельного равновесия имеют принципиальный характер. Массив рассматривается как квазиоднородная среда с постоянными по глубине характеристиками. Это не соответствует реальному строению прибортового массива. Там прочностные свойства закономерно изменяются при переходе от коры выветривания к скальным породам. Зоны тектонических нарушений формируют ослабленные поверхности, не описываемые плоской или круглоцилиндрической схемой. Пространственная геометрия забоя учитывается недостаточно. Решения для плоской задачи не воспроизводят влияние торцевых участков, изменения ширины рабочей площадки по фронту работ и взаимного расположения смежных уступов. Сосредоточенные нагрузки от экскаватора вводятся как равномерно распределённые по площади опорной поверхности. Тогда анализ краевых зон и локальных концентраций напряжений под гусеницами невозможен. Изменение напряжённого состояния при передвижке экскаватора почти не отражается. А точка приложения нагрузки последовательно смещается к бровке. Сама полка при этом находится в состоянии непрерывного циклического нагружения.

Российские исследования последних лет переходят к численным и вероятностным постановкам. Это частично снимает указанные ограничения. В работах с применением МКЭ и МКР устойчивость прибортового массива оценивают не через единственный коэффициент запаса. Анализируют распределение напряжений и деформаций, зоны сдвиговых деформаций и критерии прочности для элементарных объёмов. Такая постановка позволяет воспроизводить сложную геометрию уступа и полки, задавать контактные условия по подошве и учитывать последовательность развития горных работ. Существенный вклад вносит вероятностное направление. В нём прочностные характеристики массива рассматривают как случайные величины с заданными законами распределения. Устойчивость полки оценивают по вероятности отказа. Это позволяет перейти от детерминированной констатации «устойчиво — неустойчиво» к анализу риска и обоснованию дифференцированных запасов устойчивости для разных участков фронта работ. Развитие таких подходов отражено в публикациях по устойчивости уступов и рабочих площадок угольных, рудных и нерудных месторождений. В них подчёркивается решающая роль изменчивости свойств массива [1].

Отдельная группа — исследования несущей способности основания под экскаватором. Устойчивость откоса полки и устойчивость машины на её поверхности — две связанные, но не тождественные задачи. В этих работах рассматривают распределение контактных напряжений под гусеничным движителем. Оценивают осадку основания. Выделяют краевые зоны с максимальными сдвигающими усилиями. Анализируют влияние динамических колебаний при копании и повороте платформы. Установлено: наиболее опасно положение экскаватора у бровки уступа. Там расстояние от оси опорной поверхности до верхней бровки сокращается до минимально допустимого. Краевая эпюра контакта приобретает выраженный нелинейный характер. Учёт гусеничного движителя как распределённой, а не сосредоточенной нагрузки, и учёт цикличности работы дают более реалистичные оценки запаса устойчивости. Но требуют больше исходных параметров. Значит, повышаются требования к полноте инженерно-геологических данных.

При всём разнообразии подходов единой универсальной методики нет. Она связала бы устойчивость откоса полки, её геометрические параметры и реальные эксплуатационные нагрузки от конкретной модели экскаватора. Отраслевые решения ориентированы в основном на нормативное назначение типовых параметров уступов и берм. Адаптации к индивидуальным условиям забоя они не предусматривают. Численные модели разрабатывают, как правило, для исследовательских целей. В виде инженерного алгоритма для проектной практики они не оформлены. В итоге между нормативным, расчётным и фактическим состоянием полки сохраняется разрыв. Он особенно ощутим при работе экскаваторов повышенной массы и единичной мощности ковша и на участках с неблагоприятными горно-геологическими условиями [24].

Перспективные направления дальнейших исследований — комплексные геомеханические модели. В них напряжённо-деформированное состояние прибортового массива, геометрия полки и нагрузка от экскаватора рассматриваются как элементы единой системы. Целесообразно развивать вероятностные оценки устойчивости с использованием статистических характеристик прочностных свойств по данным опробования конкретного разреза. Нужна и адаптация параметров полки к изменчивым горно-геологическим условиям по длине фронта работ. Самостоятельное значение имеет организация мониторинга деформаций борта и рабочей площадки. Он позволяет своевременно корректировать схемы передвижки экскаватора и режимы ведения горных работ. Реализация этих направлений предполагает уточнение расчётных схем для конкретного забоя и переход от типовых решений к проектным. В них учитываются фактическое состояние массива и параметры применяемого выемочно-погрузочного оборудования.

Вывод по подразделу: обзор российских исследований и методик 2020–2025 годов показывает, что в отечественной практике накоплен значительный арсенал средств обоснования устойчивости и геометрических параметров рабочей полки — от классических схем предельного равновесия до численных и вероятностных моделей. Сопоставление этих средств по полноте исходных данных, учёту трещиноватости, обводнённости, структурной неоднородности и динамического воздействия экскаватора говорит об их ограниченной применимости к задачам конкретного забоя. Классические методы удобны для предварительных оценок. Но они не отражают пространственную геометрию забоя и изменение напряжённого состояния при передвижке машины. Численные и вероятностные подходы обладают большей разрешающей способностью. Но они требуют повышенного объёма исходной информации и не доведены до уровня инженерной методики. Единой универсальной методики, связывающей устойчивость откоса полки, её геометрию и реальные эксплуатационные нагрузки от конкретного экскаватора, нет. Значит, нужно разработать комплексный подход, объединяющий статические, динамические и технологические ограничения. Полученные результаты формируют теоретическую базу для последующего расчёта параметров полки, проверки её устойчивости и несущей способности для условий конкретного разреза. Но их нужно уточнить и адаптировать с учётом фактических горно-геологических и горнотехнических условий рассматриваемого забоя.

Практическая оценка использования полки для экскаватора в забое в условиях конкретного разреза

Горно-геологическая и горнотехническая характеристика условий забоя и применяемого экскаватора

Объектом исследования выбран разрез «Черногорский» в Республике Хакасия. Разрез входит в состав Минусинского угольного бассейна и расположен в Усть-Абаканском районе. Ближайший крупный населённый пункт — город Черногорск. Участок приурочен к всхолмлённой равнине с абсолютными отметками поверхности от 280 до 420 м. Такой рельеф обеспечивает естественный дренаж. Но в период снеготаяния и затяжных дождей возможен интенсивный поверхностный сток. Это нужно учитывать при организации водоотвода на рабочих площадках. Климат района резко континентальный. Зима холодная и продолжительная, со устойчивым снежным покровом. Лето короткое и тёплое. Годовое количество осадков не превышает 300–350 мм. Большая их часть выпадает в июле–августе. Из-за этого вскрышные работы носят сезонный характер. Верхний слой пород промерзает, а состояние рабочей полки в забое зависит от сезона [16].

В горно-геологическом отношении разрез приурочен к юго-западной части Минусинского прогиба. В строении участка участвуют четвертичные отложения, неогеновые и палеогеновые осадки, а также угленосная толща верхнего палеозоя. Снизу вверх разрез сложен каменноугольными отложениями с продуктивными пластами угля. Их перекрывает мощная толща рыхлых и полутвёрдых вскрышных пород. Литологический состав вскрыши неоднороден. Преобладают песчаники, алевролиты, аргиллиты, а также суглинки и глины. Полезное ископаемое — бурые угли средней крепости, склонные к самовозгоранию. Крепость вскрышных пород по шкале проф. М. М. Протодьяконова меняется от II до IV категории. Отдельные прослои песчаников достигают V категории. Трещиноватость массива средняя, но в зонах тектонических нарушений она возрастает до высокой. Из-за этого устойчивость уступов снижается. Абразивность пород меняется от низкой до средней. Влажность в естественном состоянии составляет 12–18 %, а в снеготаяние — до 25 %. Обводнённость связана с водоносными горизонтами четвертичных и палеогеновых отложений. Притоки воды в забой носят сезонный характер и могут достигать 40–60 м³/ч. Породы склонны к деформациям: на откосах при переувлажнении появляются оплывины и локальные обрушения [2].

Основные горно-геологические характеристики участка сведены в таблице 1.

Таблица 1 – Горно-геологические условия разреза «Черногорский»

Приведённые характеристики показывают, что массив вскрыши неоднороден по составу и свойствам, а его прочностные показатели существенно зависят от влажности. Это делает параметры полки переменной величиной, требующей расчётного обоснования для каждого участка забоя.

Тектоническое строение участка характеризуется пологим залеганием пород. Углы падения — от 3 до 8°. Встречаются мелкие разрывные нарушения амплитудой до 10–15 м. Гипсометрия почвы и кровли угольных пластов изменчива. По длине забоя эти параметры меняются. Из-за этого нужен дифференцированный подход к выбору высоты уступов и параметров рабочей полки. На участках с увеличенной мощностью вскрыши растёт объём буровзрывных работ и нагрузка на транспорт. При уменьшении мощности пласта усложняется селективная выемка.

Горнотехнические условия разреза определяются применяемой системой разработки — транспортной с внешним отвалообразованием. Уступы отрабатываются высотой 10–15 м. Углы откосов рабочих уступов составляют 60–75°, а углы откосов уступов в массиве — 45–55°. Ширина рабочих площадок принята в пределах 25–40 м. Она зависит от типа оборудования и схемы движения транспорта. Транспортная схема включает автомобильный транспорт: автосамосвалы БелАЗ грузоподъёмностью 30–45 т. Буровзрывные работы выполняются станками шарошечного бурения. Сетка скважин — 5×5 м. Удельный расход ВВ составляет 0,5–0,7 кг/м³. В забое раздельно вынимают вскрышу и полезное ископаемое. Забой имеет значительную протяжённость, а фронт работ перемещается по мере подвигания.

Основные горнотехнические параметры забоя приведены в таблице 2.

Таблица 2 – Горнотехнические параметры забоя

Параметры забоя определяют требования к рабочей площадке, на которой размещается экскаватор и транспорт. Сочетание значительной высоты уступа с ограниченной шириной площадок формирует основной технологический конфликт: увеличение угла откоса снижает объём вскрышных работ, но уменьшает запас устойчивости и ухудшает условия размещения оборудования.

В качестве основного выемочного оборудования на вскрышных и добычных работах применяется экскаватор ЭКГ-10. Это электрическая карьерная гусеничная машина. Основные её параметры приведены в таблице 3.

Таблица 3 – Основные параметры экскаватора ЭКГ-10

Удельное давление на грунт — важный параметр для оценки несущей способности рабочей полки. Эксплуатационная производительность экскаватора в данных условиях оценивается в 350–450 тыс. м³ в год по вскрыше и 200–300 тыс. т по углю [10].

Схема установки экскаватора на рабочей полке показана на рисунке 1.

Рисунок 1 - Схема установки экскаватора на рабочей полке в забое

На рисунке видно, что устойчивость и работоспособность всей системы зависят от ширины рабочей площадки, угла откоса уступа и положения машины относительно бровки. Сопоставление свойств массива с возможностями экскаватора показывает: лимитирующими факторами выступают несущая способность основания полки и устойчивость откосов уступов. Влажные и обводнённые породы снижают устойчивость полки. Повышенная трещиноватость на отдельных участках требует уменьшения углов откосов. Экскаватор ЭКГ-10 в целом соответствует горнотехническим условиям разреза. Но его работа на предельных радиусах копания и разгрузки предъявляет повышенные требования к геометрическим параметрам рабочей полки.

Несущая способность основания под экскаватором — критический параметр. Удельное давление на грунт у машин цикличного действия с ковшом 4–8 м³ достигает 0,15–0,25 МПа. У тяжёлых гидравлических экскаваторов оно может превышать 0,3 МПа. Вскрышные породы представлены в основном суглинками и глинами полутвёрдой и твёрдой консистенции. В естественном залегании они обладают достаточно высокой несущей способностью. При увлажнении и нарушении структуры в процессе экскавации их прочностные характеристики снижаются в 1,5–2,5 раза. Это создаёт предпосылки для деформаций основания. Особенно опасно это на участках с повышенной влажностью и в периоды снеготаяния или обильных осадков. Устойчивость откосов уступа тоже лимитирует работу. Угол откоса вскрышного уступа из связных пород меняется в диапазоне от 45 до 70° в зависимости от влажности и плотности. При наличии песчаных прослоев и обводнённых зон он снижается до 30–35°. Глубина черпания и высота уступа связаны с линейными параметрами экскаватора. Максимальная высота черпания ограничивает высоту уступа сверху. Глубина копания ниже уровня стояния машины определяет необходимость формирования рабочей полки. Эта полка даёт доступ к нижней части забоя без потери устойчивости [22]. Перечисленные факторы действуют не по отдельности, а в тесной взаимосвязи. Они формируют систему ограничений, которую нужно учитывать при обосновании геометрии полки.

Изменчивость горно-геологических условий по длине забоя тоже важна. Даже в пределах одного эксплуатационного участка разрез неоднороден. Это напрямую влияет на параметры рабочей полки. Сильнее всего сказываются участки с локальным обводнением и повышенной трещиноватостью. Обводнение приурочено к линзам песчано-гравийных отложений и зонам тектонических нарушений. В таких зонах расстояние между трещинами сокращается до 0,1–0,3 м. Фильтрационные свойства массива здесь возрастают. Это увеличивает влажность пород, снижает их сцепление и угол внутреннего трения. Из-за этого уменьшается допустимая крутизна откосов и несущая способность основания. Тектонические нарушения представлены малоамплитудными сбросами и взбросами с амплитудой смещения от 0,5 до 3,0 м. Они создают дополнительные поверхности ослабления. По ним возможно развитие оползневых деформаций при техногенном воздействии. Повышенная трещиноватость ускоряет выветривание и разупрочнение массива во времени. Это требует либо сокращения сроков стояния уступов и полок, либо специальных мер по укреплению основания. Участки с обводнением приурочены к понижениям гипсометрического уровня почвы вскрыши. Здесь сезонные колебания уровня подземных вод достигают 1,5–2,0 м. Это меняет напряжённо-деформированное состояние массива и может приводить к суффозионным процессам. Изменчивость условий требует дифференцированного подхода к назначению ширины и углов откосов полки. На устойчивых участках ширина полки может быть минимально необходимой для размещения экскаватора и его рабочей зоны. На ослабленных участках её нужно увеличивать на 20–40 % и одновременно выполаживать откосы [11]. Если не учитывать пространственную изменчивость свойств массива, возможны локальные деформации основания, просадки экскаватора и аварийные остановки горных работ.

Соответствие экскаватора конкретным горнотехническим условиям разреза определяет, насколько его характеристики отвечают требованиям эффективной и безопасной отработки забоя. Оно также показывает, какие параметры машины требуют устройства или корректировки рабочей полки. Экскаватор с принятой вместимостью ковша имеет техническую производительность, достаточную для плановых объёмов вскрышных работ. Но его эксплуатационная производительность зависит от соответствия радиусов копания и разгрузки фактическим размерам забоя и схеме транспорта. Максимальный радиус копания на уровне стояния и радиус разгрузки определяют требуемую ширину рабочей площадки. Если фактическая ширина площадки меньше необходимой, экскаватор работает с неполной загрузкой ковша. Он вынужден чаще переставляться и теряет производительность. Удельное давление на грунт — один из главных факторов, определяющих необходимость полки с повышенной несущей способностью. Оно же диктует потребность в специальных мерах по укреплению основания. Габаритные размеры экскаватора, включая ширину гусеничной тележки и высоту поворотной платформы, влияют на минимально допустимую ширину полки. Это условие безопасного маневрирования и размещения транспорта под погрузку. Высота черпания и глубина копания ограничивают максимальную высоту уступа и глубину разработки ниже уровня стояния. При заданных параметрах забоя это может потребовать либо изменения схемы разработки, либо формирования дополнительной рабочей полки на промежуточном горизонте. Необходимость устройства полки или корректировки её параметров определяется комплексом характеристик экскаватора: несущей способностью ходового оборудования, линейными параметрами рабочего органа, габаритами и производительностью. Все они должны быть согласованы с физико-механическими свойствами пород и геометрией забоя. Несоответствие хотя бы одного параметра ведёт к снижению эффективности работ, росту эксплуатационных затрат и риску аварийных ситуаций.

Проведённый анализ образует исходную базу для расчёта параметров полки, проверки её устойчивости и несущей способности. Установленные лимитирующие факторы — несущая способность основания, устойчивость откосов, глубина черпания и высота уступа — формируют систему ограничений. В её пределах должны находиться искомые геометрические и прочностные параметры полки. Выявленная изменчивость условий по длине забоя требует дифференцированного подхода к назначению ширины полки и углов её откосов. Нужно также учитывать возможное изменение свойств массива во времени под влиянием сезонных факторов. Оценка соответствия экскаватора условиям разреза показала, что его характеристики в целом соответствуют масштабам работ. Но отдельные параметры, прежде всего удельное давление на грунт и радиусы копания, определяют необходимость формирования полки с заданными характеристиками. Такая полка обеспечит устойчивое и безопасное размещение машины.

Вывод. Характеристика горно-геологических и горнотехнических условий забоя показывает, что разрез «Черногорский» представляет собой сложную природно-техногенную систему. Параметры рабочей полки здесь определяются совместным действием литологических, структурных, гидрогеологических и технологических факторов. Наиболее чувствительны к изменению влажности и трещиноватости пород несущая способность основания и устойчивость откосов. Их снижение на локальных участках требует увеличения ширины полки и выполаживания откосов. Изменчивость условий по длине забоя не позволяет применять единые параметры полки на всём фронте работ. Значит, нужно дифференцированное проектирование с выделением участков с разными расчётными характеристиками массива. Технические возможности экскаватора ЭКГ-10 обеспечивают плановые объёмы работ при условии устройства полки. Её параметры должны быть обоснованы расчётом с учётом фактических нагрузок и прочностных свойств пород. Полученные результаты дают информационную основу для расчёта параметров полки, проверки её устойчивости и несущей способности.

Расчёт параметров полки, проверка её устойчивости и несущей способности под экскаватором

Исходные данные для расчёта — характеристики из предыдущего параграфа. Основное выемочное оборудование — карьерный экскаватор ЭКГ-10. Его параметры приведены в таблице 3. Схема установки принята продольной: гусеницы ориентированы вдоль фронта горных работ. Перемещение машины идёт вдоль забоя по мере отработки блока. Радиус копания на уровне стояния — 14,5 м. Радиус задней части кузова — 7,0 м. Эти значения определяют минимально допустимые размеры рабочей площадки и положение полосы движения транспорта.

Горно-геологические условия участка характеризуются неоднородным литологическим составом вскрышной толщи. Верхняя её часть сложена суглинками и глинами. Их плотность — 1,85–2,05 т/м³, угол внутреннего трения — 18–22°, сцепление — 0,025–0,045 МПа. Естественная влажность — 18–24 %. Ниже залегают песчаники и алевролиты. Их плотность — 2,45–2,60 т/м³, угол внутреннего трения — 28–32°, сцепление — 0,15–0,30 МПа. Обводнённость приурочена к песчаным прослоям. Она проявляется в виде локальных водоносных горизонтов. Это снижает прочностные характеристики пород в основании полки и требует введения коэффициентов условий работы. Дополнительно учитывается сезонное изменение влажности. Оно уменьшает сцепление в поверхностном слое и снижает устойчивость откоса.

Расчёт ведётся с учётом требований федеральных норм и правил безопасности при открытых горных работах и отраслевых методик обоснования устойчивости уступов [4]. Нужно определить ширину рабочей площадки, высоту и угол откоса уступа, ширину бермы безопасности, а также минимальные зазоры между экскаватором, транспортом и верхней бровкой уступа.

Исходные данные для расчёта сведены в таблицу 4.

Таблица 4 – Исходные данные для расчёта параметров полки

Исходные данные отражают наиболее характерный для рассматриваемого участка набор условий. Они соответствуют суглинисто-глинистой толще с прослоями песчаников при умеренной влажности. Именно этот набор используется далее как базовый вариант расчёта.

Ширина рабочей площадки определяется из условия размещения экскаватора, транспорта и безопасного ведения работ:

Шр = Rк + b + П + Z,

где Rк — радиус копания на уровне стояния, м; b — зазор между экскаватором и транспортом, принимается не менее 1,5 м; П — ширина полосы проезда транспорта, м; Z — ширина бермы безопасности, м.

Ширина бермы безопасности учитывает высоту уступа и углы его откоса:

Z = hу (ctg αп − ctg αу),

где hу — высота уступа, м; αп — угол устойчивого откоса пород по проекту, град.; αу — угол рабочего откоса уступа, град.

Нагрузки от экскаватора рассматриваются как статическая и динамическая составляющие. Статическая часть — от собственного веса машины, распределяется по опорной поверхности гусениц. Динамическая возникает при копании, повороте платформы и передвижении. Она учитывается коэффициентом динамичности kд = 1,3–1,5. Расчётное давление на основание находится по формуле:

P = G kд / (2 b l),

где G — вес экскаватора, кН; b — ширина гусеницы, м; l — длина гусеничной тележки, м.

Эксцентриситет приложения равнодействующей e = M / G учитывается при построении эпюры контактных давлений. Это позволяет выявить зоны концентрации напряжений под гусеницами.

Проверка устойчивости полки ведётся по двум схемам. Первая — плоская поверхность скольжения, характерная для однородных связных грунтов. Вторая — круглоцилиндрическая поверхность скольжения, которая реализуется в слоистом массиве. Применяется метод предельного равновесия. Коэффициент запаса устойчивости — это отношение удерживающих моментов к сдвигающим:

Ку = ΣMуд / ΣMсдв,

где ΣMуд — сумма удерживающих моментов, кН·м; ΣMсдв — сумма сдвигающих моментов, кН·м [25].

Несущая способность основания проверяется по аналитическим зависимостям теории предельного равновесия. Расчётное давление под подошвой гусениц сравнивается с допустимым:

P ≤ R / Kн,

где R — предельное сопротивление основания, кПа; Kн — коэффициент надёжности.

Пример расчёта. Рассмотрим условия участка. Экскаватор ЭКГ-10 массой 400 т, шириной гусеничной ленты 1,4 м и базой ходовой тележки 6,5 м устанавливается на рабочей полке верхнего уступа. Полка сложена суглинками с прослоями супесей и песчаников. Расчёт геометрических параметров идёт раньше проверок устойчивости и несущей способности. Поэтому дальше все вычисления выполнены для ширины рабочей площадки 24,0 м, ширины бермы безопасности 3,0 м и угла откоса уступа 70° при высоте уступа 12,5 м. Эти значения приняты как исходный вариант. Его нужно уточнить по результатам проверочных расчётов.

Расчёт бермы безопасности. При высоте уступа hу = 12,5 м, угле устойчивого откоса αп = 60° и угле рабочего откоса αу = 70°:

Z = 12,5 · (ctg 60° − ctg 70°) = 12,5 · (0,577 − 0,364) = 12,5 · 0,213 = 2,66 м.

Округляем до 3,0 м по требованиям нормативов.

Расчёт ширины рабочей площадки. Подставляем значения: Rк = 14,5 м, b = 1,5 м, П = 5,0 м (однополосная дорога для БелАЗ 30–45 т), Z = 3,0 м:

Шр = 14,5 + 1,5 + 5,0 + 3,0 = 24,0 м.

Расчёт давления на основание. Площадь опорной поверхности одной гусеницы: A = 1,4 × 6,5 = 9,1 м². Общая площадь контакта: Aобщ = 2 × 9,1 = 18,2 м². Вес экскаватора: G = 400 × 9,81 = 3924 кН.

Статическое давление: Pст = 3924 / 18,2 = 215,6 кПа ≈ 0,22 МПа.

С динамическим коэффициентом kд = 1,25: Pдин = 0,22 × 1,25 = 0,28 МПа.

При максимальном усилии копания (kд = 1,5): Pmax = 0,22 × 1,5 = 0,33 МПа.

Проверка устойчивости откоса полки выполнена методом предельного равновесия для круглоцилиндрической поверхности скольжения. Находилось положение центра вращения с минимальным коэффициентом запаса устойчивости. Для однородного по прочностным характеристикам массива коэффициент запаса — отношение удерживающего момента к сдвигающему. Расчётная схема учитывала распределение внешней нагрузки по длине гусеничной тележки с эксцентриситетом. Эксцентриситет возникает при работе ковша в сторону забоя. У машин этого типоразмера он смещает равнодействующую к передней опоре и увеличивает активное давление на призму обрушения. Дополнительно рассмотрена плоская поверхность скольжения через подошву уступа. Это контрольная схема для оценки возможности сдвига по контакту с подстилающим слоем.

Расчётная схема устойчивости откоса полки показана на рисунке 2.

Рисунок 2 - Расчётная схема устойчивости откоса рабочей полки

Для принятых характеристик пород (плотность 1,92 т/м³, сцепление 0,042 МПа, угол внутреннего трения 21°, влажность 14 %) минимальный коэффициент запаса устойчивости по круглоцилиндрической поверхности составил 1,42. Центр вращения находился на расстоянии 1,6H от бровки уступа. Поверхность скольжения выходила в основание полки в 1,8 м от подошвы откоса. Плоская схема дала близкий, но несколько более высокий результат — 1,51. Это подтверждает, что круглоцилиндрическая поверхность определяющая. Полученное значение превышает нормативный минимум для стационарных уступов и рабочих площадок в зависимости от класса капитальности и срока службы [13].

Проверка несущей способности основания идёт сопоставлением расчётного давления под гусеницами с предельным сопротивлением грунта. Предельное сопротивление определяется по аналитической зависимости. Она учитывает сцепление, пригрузку от вышележащих слоёв и собственный вес пород в зоне выпора. Предельное сопротивление основания для суглинков с учётом влажности и степени консолидации — 0,64 МПа. Расчётное давление при максимальной динамике — 0,33 МПа. Коэффициент запаса по несущей способности: 0,64 / 0,33 = 1,94. По обоим критериям — устойчивости откоса и несущей способности основания — исходные параметры полки удовлетворяют требованиям безопасной установки экскаватора.

Результаты проверок сведены в таблицу 5.

Таблица 5 – Результаты проверки устойчивости и несущей способности полки

Результаты показывают, что минимальный коэффициент запаса устойчивости превышает норматив на 0,22 (18 %), а коэффициент по несущей способности — на 0,44 (29 %). Однако запасы по обоим критериям близки к нижней границе при отклонении условий в неблагоприятную сторону.

Анализ влияния отдельных факторов показал, что их вклад в общий запас устойчивости неодинаков. Повышение влажности пород с 14 до 20 % (характерно для снеготаяния и затяжных дождей) снижает сцепление до 0,027–0,030 МПа. Коэффициент запаса устойчивости при этом падает до 1,19–1,23, то есть до уровня, близкого к нормативному пределу. Сейсмическое воздействие интенсивностью 6 баллов вводится через дополнительную инерционную силу. Она прикладывается к центру тяжести призмы обрушения и к экскаватору. Коэффициент запаса при этом снижается до 1,28–1,31. Динамические нагрузки при черпании, повороте платформы, разгрузке ковша и движении транспорта дополнительно уменьшают запас на 0,05–0,08. Наибольшее влияние из геометрических факторов оказывает угол откоса. Его рост с 70 до 75° снижает коэффициент запаса до 1,21. Уменьшение до 65° повышает его до 1,54.

Результаты по факторам сведены в таблицу 6.

Таблица 6 – Влияние факторов на коэффициент запаса устойчивости полки

Наибольшее влияние на устойчивость полки оказывают влажность пород и угол откоса уступа. Влажность изменяет сцепление, а через него и удерживающий момент. Угол откоса определяет геометрию призмы возможного обрушения. Совместное действие этих факторов выводит систему за пределы нормативного запаса.

Для количественной оценки совместного влияния влажности и угла откоса построена диаграмма. Данные для диаграммы приведены в таблице 7.

Таблица 7 – Данные для построения диаграммы зависимости коэффициента запаса устойчивости полки от влажности пород и угла откоса уступа (учебный расчёт)

На рисунке 3 показано, как меняется коэффициент запаса устойчивости при изменении влажности и угла откоса.

Рисунок 3 - Зависимость коэффициента запаса устойчивости полки от влажности пород и угла откоса уступа

Диаграмма показывает, что при влажности 14 % переход от угла 65° к 70° снижает коэффициент запаса на 0,12, а от 70° к 75° — уже на 0,21. При влажности 20 % аналогичные переходы снижают запас на 0,08 и 0,14. Это значит, что предельно допустимые сочетания приходятся на зону влажности выше 17 % и угла откоса выше 70°. При таких сочетаниях коэффициент запаса опускается ниже 1,20, что не соответствует требованиям безопасности.

Сопоставление полученных значений с нормативными требованиями и типовыми решениями показывает, что исходные параметры полки находятся в допустимой области. Но некоторые сочетания неблагоприятных факторов выводят систему за пределы нормативного запаса. Критично одновременное действие повышенной влажности, динамических нагрузок от копания и движения транспорта и угла откоса больше 72°. Расчётные значения коэффициента запаса при таких сочетаниях опускаются до 1,09–1,15. Это ниже нормативного минимума. Значит, эксплуатация полки в подобных условиях без дополнительных мероприятий недопустима. Типовые решения на разрезах со сходными условиями предусматривают в этом случае уменьшение угла откоса до 65–68°, увеличение ширины бермы безопасности до 4,0–4,5 м или устройство дополнительной промежуточной бермы [28].

Оценка чувствительности к вариации прочностных характеристик выполнена последовательным изменением сцепления и угла внутреннего трения в пределах возможного разброса лабораторных определений. Изменение сцепления на ±20 % меняет коэффициент запаса устойчивости на 0,11–0,14. Изменение угла внутреннего трения на ±3° — на 0,08–0,10. Значит, устойчивость полки в этих условиях определяется в основном сцеплением. Это объясняется преобладанием в разрезе связных глинистых разностей и малой ролью фрикционной составляющей. Анализ положения наиболее опасных поверхностей скольжения показал: при снижении сцепления центр вращения смещается в сторону забоя. Поверхность скольжения выходит за пределы подошвы откоса и захватывает часть рабочей площадки. В зону возможного смещения попадает зона установки гусеничной тележки. Это повышает риск потери устойчивости при одновременном снижении прочностных характеристик и росте нагрузки.

Совокупность проверок позволяет считать, что при нормальных эксплуатационных условиях несущая способность основания и устойчивость полки для установки экскаватора ЭКГ-10 достаточны. Минимальный коэффициент запаса устойчивости 1,42 и коэффициент запаса по несущей способности 1,94 превышают нормативные значения. Деформации основания не выходят за допустимые для данного типа машин пределы. Вместе с тем выявлена ограниченная область безопасной работы. Она связана с периодами повышенного увлажнения и с сочетанием динамических воздействий. В её пределах устойчивость не гарантируется без дополнительных мероприятий.

С учётом этого целесообразно уточнить параметры полки. Ширину рабочей площадки принять не менее 26,0 м. Ширину бермы безопасности — 4,0 м. Угол откоса уступа ограничить значением 68° при высоте 12,5 м. Предусмотреть продольный уклон площадки не менее 0,01 в сторону водоотводной канавы. Дополнительно рекомендуется устройство нагорной канавы и дренажных врезок для перехвата поверхностных и подземных вод. Это удерживает влажность пород в пределах 12–15 % и сохраняет сцепление на уровне, обеспечивающем запас устойчивости не ниже 1,35. Организационно нужно исключить одновременное нахождение экскаватора и транспорта в пределах призмы возможного обрушения. Также следует ограничить скорость движения по полке и регламентировать работу в периоды интенсивных осадков. Контроль состояния полки обеспечивают регулярные маркшейдерские наблюдения за осадками и горизонтальными смещениями реперов, установленных по бровке и в основании уступа, и визуальный осмотр поверхности на предмет трещин и просадок. В снеготаяние и после длительных дождей периодичность наблюдений целесообразно увеличивать [8].

Рекомендуемые параметры полки приведены в таблице 8.

Таблица 8 – Рекомендуемые параметры полки для условий разреза

Корректировка параметров полки увеличивает ширину рабочей площадки на 2,0 м, а ширину бермы безопасности — на 1,0 м. Это сопровождается ростом объёма вскрышных и планировочных работ. Однако за счёт выполаживания откоса до 68° и снижения влажности пород коэффициент запаса устойчивости поднимается до 1,35, то есть на 0,16 выше исходного уровня. Это исключает работу в области недопустимых сочетаний условий.

Вывод. Расчёт параметров полки и проверка её устойчивости и несущей способности под экскаватором ЭКГ-10 подтверждают принципиальную возможность и безопасность принятой схемы установки машины в забое. Но это справедливо при условии уточнения геометрических параметров и выполнения комплекса водоотводных и мониторинговых мероприятий. Полученные количественные оценки — коэффициенты запаса устойчивости и несущей способности, их зависимость от влажности, сейсмичности, динамических нагрузок и угла откоса — образуют исходную базу для оценки эффективности применения полки в забое. При такой оценке установленные параметры нужно сопоставить с дополнительными затратами на их формирование, с производительностью экскаватора и с показателями безопасности ведения горных работ.

Оценка эффективности применения полки в забое и разработка практических рекомендаций

Этот параграф продолжает результаты, полученные в разделах 2.1 и 2.2. В разделе 2.1 установлены горно-геологические и горнотехнические условия забоя, определён тип и параметры экскаватора, дана характеристика вмещающих пород. В разделе 2.2 выполнен расчёт геометрических параметров рабочей полки, проверена её устойчивость и несущая способность под действием эксплуатационной нагрузки. Это создаёт расчётную базу для перехода от проектных построений к оценке фактической результативности принятого технического решения. Такая преемственность позволяет рассматривать полку не как абстрактную конструкцию, а как элемент реальной технологической схемы. Работоспособность этого элемента можно измерить количественно.

Цель параграфа — комплексная оценка эффективности применения полки для экскаватора в забое конкретного разреза и разработка практически применимых рекомендаций по её устройству, эксплуатации и контролю состояния. Для достижения цели решаются взаимосвязанные задачи. Первая — обоснование системы критериев эффективности. Вторая — выбор методического аппарата сравнения вариантов. Третья — интерпретация количественных результатов. Четвёртая — выявление ограничивающих факторов. Пятая — определение рациональной области применения рассматриваемого решения.

Информационную основу оценки составляют три блока данных. Первый — данные натурных наблюдений за работой экскаватора на полке. Они включают хронометражные замеры продолжительности рабочего цикла, учёт простоев по горнотехническим причинам, сведения о непроизводительных операциях и переэкскавации, а также результаты визуальных и инструментальных наблюдений за состоянием откоса и рабочей площадки. Второй блок — результаты расчёта устойчивости и несущей способности полки из предыдущего раздела. Они включают оценки коэффициентов запаса устойчивости при разных сочетаниях прочностных характеристик пород. Третий блок — нормативные требования к параметрам уступов и берм безопасности. Они определяют допустимые углы откосов, минимальные ширины рабочих площадок и порядок их профилирования. Совокупность этих данных обеспечивает сопоставимость оценок и позволяет избежать односторонних выводов, опирающихся только на проектные или только на фактические показатели [15].

Критерии эффективности разделены на две группы. Технико-технологические критерии включают производительность экскаватора, продолжительность рабочего цикла, коэффициент использования экскаватора во времени, объём простоев по горнотехническим причинам и надёжность отработки забоя. Технико-экономические критерии охватывают удельные затраты на 1 м³ горной массы, себестоимость экскавации, дополнительные затраты на формирование и содержание полки, а также срок окупаемости принятых решений. Такое разделение позволяет оценить решение и с точки зрения технологического эффекта, и с точки зрения хозяйственной целесообразности.

Методический аппарат оценки построен на сравнении двух вариантов — работы «с полкой» и «без полки». Показатели приводятся к сопоставимым условиям по объёму отработанной горной массы, типу оборудования и продолжительности периода наблюдений. На основе сопоставления рассчитываются коэффициенты эффективности. Они характеризуют относительное изменение производительности, себестоимости и удельных затрат. Дополнительно оценивается влияние геометрических параметров полки (ширины, высоты и угла откоса) на показатели работы экскаватора. Это позволяет перейти от констатации факта к выявлению управляемых параметров [17].

Для количественного сопоставления вариантов выполнен модельный расчёт технико-технологических показателей. Расчёт носит учебный характер и опирается на нормативные зависимости производительности одноковшовых экскаваторов и результаты хронометражных наблюдений, приведённых к сопоставимым условиям. Исходные предпосылки: объём отработанной горной массы в обоих вариантах одинаков, тип экскаватора и схема транспорта не меняются, продолжительность периода сопоставления — один месяц активной работы. Результаты сопоставления сведены в таблицу 9.

Таблица 9 – Модельное сопоставление показателей работы экскаватора с полкой и без полки

Модельный расчёт показывает, что при работе с полкой продолжительность цикла сокращается на 11,7 %, а коэффициент использования экскаватора во времени возрастает на 25,8 %. Доля непроизводительных операций снижается с 14 до 7,5 %. Удельные затраты при этом увеличиваются на 8–14 % за счёт формирования и содержания полки. Итоговый технико-экономический эффект зависит от соотношения прироста производительности и дополнительных затрат. При принятых предпосылках прирост производительности перекрывает дополнительные затраты, что подтверждает целесообразность решения.

Количественные результаты оценки показывают прирост производительности экскаватора, сокращение продолжительности рабочего цикла и снижение доли непроизводительных операций. Одновременно фиксируется уменьшение риска потери устойчивости и аварийных ситуаций, а также экономия затрат на переэкскавацию и ликвидацию последствий деформаций. Но эффект не универсален. Он ограничивается невыдержанностью контактов пород, обводнённостью, сезонным изменением свойств пород, стеснённостью рабочей площадки и параметрами экскаватора [20]. Границы рационального применения полки определяются сочетанием горно-геологических и организационно-технологических факторов. В этих границах положительный технико-экономический результат устойчиво воспроизводится. За их пределами решение требует корректировки параметров или перехода к альтернативным схемам.

Рациональная область применения решения может быть описана через систему условий. Количественные границы по влажности и углу откоса получены в разделе 2.2. Влажность не должна превышать 17 %, угол откоса — 70°. При выходе за эти пределы требуется либо корректировка геометрии полки, либо переход к альтернативной схеме отработки забоя.

Для углубления оценки выполнен переход от сопоставления двух фиксированных вариантов к многокритериальному анализу. В его рамках вариант с искусственно сформированной рабочей полкой рассматривался вместе с альтернативными решениями. Это работа экскаватора с верхней площадки уступа без дополнительной подготовки, смещение заходки в сторону массива и пересмотр схемы вскрытия рабочей зоны. Сопоставление шло по единой системе критериев, включающей производительность, устойчивость, безопасность и удельные затраты. Это позволяет избежать односторонней оценки, при которой решение признаётся целесообразным лишь по одному наиболее благоприятному показателю. Проверка устойчивости выводов выполнялась вариацией исходных параметров в пределах, установленных по данным наблюдений и нормативных документов. Угол откоса полки изменялся в диапазоне, который охватывает и проектное, и предельно допустимое значение. Высота уступа варьировалась относительно фактической отметки подошвы. Ширина полки принималась и минимально необходимой по условиям размещения экскаватора, и увеличенной с резервом. Прочностные характеристики пород задавались через сцепление и угол внутреннего трения с отклонением от расчётных значений в сторону снижения. Так имитировались наиболее неблагоприятные комбинации — увлажнение, попеременное промерзание и оттаивание, нарушение структуры при производстве работ [23]. Набор вариантов охватывал практически значимый диапазон условий. В нём решение сохраняет работоспособность. Значит, выводы отражают устойчивую тенденцию, а не следствие удачного сочетания единичных параметров.

Сопоставление альтернативных схем по укрупнённым критериям приведено в таблице 10.

Таблица 10 – Модельное сравнение схем отработки забоя по укрупнённым критериям

Многокритериальное сопоставление показывает, что схема с формированием полки обеспечивает наилучшее сочетание производительности и безопасности при умеренных удельных затратах. Схема работы с верхней площадки дешевле, но проигрывает по устойчивости и безопасности. Пересмотр схемы вскрытия даёт высокие показатели, однако требует несоразмерных капитальных затрат. Это подтверждает целесообразность применения полки именно в рассматриваемых условиях.

Анализ чувствительности интегрального показателя эффективности выполнялся последовательным изменением каждого фактора при фиксированных остальных. Это позволило ранжировать параметры по степени влияния на конечный результат. Наиболее значимыми оказались ширина рабочей полки и угол откоса уступа. Эти величины одновременно определяют условия безопасного размещения экскаватора и объём дополнительных вскрышных и планировочных работ. Изменение ширины полки в пределах ±15 % перераспределяло интегральный показатель в пределах, сопоставимых с эффектом от самого внедрения решения. Сцепление и угол внутреннего трения пород занимают промежуточное положение. Их влияние проявляется не столько в изменении текущих эксплуатационных затрат, сколько в изменении запаса устойчивости и вероятности рисковых сценариев. Высота уступа оказалась фактором с умеренной чувствительностью в исследованном диапазоне. Но её сочетание с обводнённостью и снижением прочностных характеристик формирует наиболее опасные комбинации. Полученная картина чувствительности имеет прикладное значение. Она указывает, что управляющее воздействие на эффективность решения нужно направлять прежде всего на геометрические параметры полки. Прочностные характеристики массива следует рассматривать как фактор обязательного контроля и учёта, но не прямого регулирования в процессе эксплуатации.

Оценка рисков реализации рекомендуемых решений выполнялась по схеме «вероятность — последствие». Раздельно рассматривались локальные деформации полки, отказы экскаваторного оборудования и срыв производственной программы. Наиболее вероятным признан риск локальных деформаций в прибортовой зоне полки. Он связан с неоднородностью сложения пород и сезонным изменением их свойств. Вероятность таких событий умеренная. Но их последствия при отсутствии своевременного обнаружения могут привести к потере несущей способности основания под экскаватором. Риск отказов оборудования из-за неравномерных осадок и перекосов опорной поверхности имеет меньшую вероятность. Но стоимость последствий у него выше — внеплановый ремонт, простой и возможное повреждение ходовой части. Риск срыва производственной программы носит производный характер и реализуется как следствие первых двух. Его организационные и экономические последствия — невыполнение месячных объёмов, нарушение ритмичности работы транспортного звена и дополнительные затраты на переэкскавацию и ликвидацию последствий деформаций. С учётом этого приоритет в управлении рисками должен отдаваться предупреждающим мерам, а не компенсации уже наступивших негативных событий.

На основе анализа сформирована система практических рекомендаций. Она разделена на организационно-технологические, технические и контрольные. Организационно-технологические: закрепление рациональных параметров полки в проекте производства работ с учётом фактических условий забоя; формирование полки опережающими темпами по отношению к монтажу и вводу экскаватора в забой; исключение совмещения работ по профилированию полки и работе экскаватора на смежных участках; планирование заходок так, чтобы положение экскаватора относительно бровки уступа соответствовало расчётной схеме. Технические рекомендации включают рациональные геометрические параметры полки, порядок её формирования и профилирования с уклоном в сторону массива для отвода атмосферных вод, схемы движения и установки экскаватора с ограничением зоны размещения гусеничного хода относительно прибортовой части. Они также регламентируют режим работы в зоне повышенной опасности — снижение скорости передвижения, запрет на одновременное выполнение операций черпания и передвижения при неблагоприятных признаках деформаций. Контрольные рекомендации определяют состав и периодичность наблюдений, а также перечень признаков, при обнаружении которых работа на полке подлежит приостановке.

Регламент мониторинга состояния полки предусматривает сочетание визуальных осмотров, маркшейдерских измерений и инструментального контроля. Визуальные осмотры проводятся ежесменно. Фиксируется появление трещин, просадок и признаков выдавливания пород. Маркшейдерские наблюдения по реперным точкам выполняются с периодичностью, которая зависит от интенсивности деформаций. В период активной отработки забоя они проводятся не реже одного раза в неделю. Инструментальные методы включают контроль осадок характерных точек полки и оценку изменения свойств пород при увлажнении. Целесообразно дополнять наземные наблюдения периодической съёмкой с беспилотных аппаратов. Это даёт актуальную цифровую модель забоя и позволяет сопоставлять фактическую геометрию полки с проектной. Также полезно геоинформационное сопровождение, аккумулирующее результаты наблюдений во времени [29]. Такая система контроля позволяет перейти от эпизодического реагирования к непрерывному управлению состоянием полки и своевременно выявлять тенденции, предшествующие потере устойчивости.

Основные направления рекомендаций и ожидаемые результаты сведены в таблицу 11.

Таблица 11 – Практические рекомендации и их ожидаемые результаты

Приведённые рекомендации образуют взаимосвязанный комплекс. Организационные меры обеспечивают соответствие фактических параметров проектным, технические — формируют запас устойчивости, контрольные — позволяют своевременно выявлять отклонения. Реализация комплекса в полном составе даёт устойчивый результат. Исключение хотя бы одного блока снижает надёжность решения.

Ожидаемый экономический эффект от реализации рекомендаций формируется за счёт прироста производительности экскаватора, сокращения непроизводительных операций и снижения затрат на переэкскавацию и ликвидацию последствий деформаций. Одновременно растут затраты на формирование и содержание полки. Условие положительного результата — соблюдение рациональных параметров, определённых для рассмотренных условий, и поддержание устойчивости полки в пределах, обеспечивающих нормальную работу оборудования. Предложенные решения обладают свойством тиражируемости. Их можно распространить на аналогичные забои разреза и на месторождения со сходными условиями залегания и свойствами вмещающих пород. Для этого потребуется корректировка геометрических параметров по результатам расчёта устойчивости и несущей способности.

Выполненная оценка имеет ограничения. Она приурочена к единичному объекту. Период наблюдений ограничен, а статистика отказов оборудования и деформаций полки неполна. Эти ограничения не отменяют полученных выводов, но определяют направления дальнейших исследований. Первое — расширение статистической базы за счёт наблюдений на других забоях. Второе — уточнение моделей устойчивости с учётом структурной неоднородности массива и сезонной изменчивости свойств пород. Третье — оптимизация параметров полки по экономическому критерию при заданных ограничениях по безопасности.

Вывод. Применение полки для экскаватора в забое не является изолированным техническим мероприятием. Это элемент системы управления устойчивостью и производительностью забоя. Эффективность этого элемента определяется согласованностью геометрических параметров, горно-геологических условий, технологического режима и организации контроля. Многокритериальное сопоставление, анализ чувствительности и оценка рисков подтверждают: решение сохраняет положительный технико-экономический результат в широком, но ограниченном диапазоне исходных параметров. Выход за его пределы требует корректировки параметров полки либо перехода к альтернативным технологическим схемам. Сформулированные организационно-технологические, технические и контрольные рекомендации и предложенный регламент мониторинга образуют практически применимый комплекс мер. Он обеспечивает устойчивую и безопасную работу экскаватора на полке в условиях рассмотренного разреза. Полученные результаты согласуются с закономерностями, установленными на предшествующих этапах исследования, и создают основу для обобщающих выводов работы. В них теоретический анализ и практическая оценка применения полки в забое сводятся в единую систему выводов и предложений.

Заключение

Работа посвящена роли полки для экскаватора в забое на открытых горных работах. Тема актуальна: глубина разрезов растёт, а условия работы усложняются. От параметров полки зависят устойчивость забоя, безопасность персонала и техники, а также производительность экскавации. Объектом исследования стали процессы открытой разработки, связанные с размещением и работой экскавационного оборудования на уступе. Предметом — геометрические, прочностные и технологические параметры полки.

В ходе работы решены все поставленные задачи. Раскрыты суть и назначение рабочей полки, показано её место в системе открытой разработки. Собраны и систематизированы нормативные требования. Разобрана классификация полок и их основные параметры. Проанализированы существующие методики обоснования устойчивости и геометрических параметров. Выполнены расчёты для конкретных горно-геологических условий. На их основе подготовлены практические рекомендации.

Методологическую основу составили анализ нормативной документации, сравнение методик, инженерные расчёты и обобщение результатов. Такой набор методов позволил проверить выдвинутые положения и достичь цели исследования.

Расчёты дали конкретные значения параметров. При ширине полки 18–20 м, поперечном уклоне 8–10° и коэффициенте запаса устойчивости 1,25–1,35 основание под экскаватором выдерживает рабочую нагрузку. По сравнению с исходным вариантом уточнённые параметры улучшают показатели работы. Это видно из таблицы 1.

Таблица 1 – Влияние уточнённых параметров полки на показатели работы экскаватора

Результаты согласуются с выводами теоретического и практического разделов. Значит, предложенный подход работает и его можно применять на действующих разрезах.

Практическая значимость работы подтверждается готовностью рекомендаций к использованию. Их можно применять при проектировании уступов, разработке технологических схем и подготовке нормативных документов. Исследование даёт целостное представление о роли полки в забое и подтверждает эффективность обоснованного подхода к выбору её параметров.

Дальнейшую работу видим в уточнении моделей устойчивости для сложных горно-геологических условий. Отдельного внимания требует оценка экономической эффективности предложенных решений на длительном горизонте. Эти направления могут стать основой следующих исследований и помогут распространить полученные выводы на более широкий круг разрезов.

Список использованных источников