Politechnika Wrocławska Wrocław, 21.04.2011

Wydział Geoinżynierii, Górnictwa i Geologii

Rok II, semestr IV

Studia stacjonarne I stopnia

Grupa II

PROJEKT Z EKSPLOATACJI ODKRYWKOWEJ

Temat: Technologia pracy spycharek i koparek jednonaczyniowych.

Wykonała: Prowadzący:

Justyna Jakuć dr inż. Justyna Woźniak

Cel projektu

Celem projektu jest zaprojektowanie kopalni odkrywkowej, gdzie udokumentowanym złożem jest glina piaszczysta o II klasie urabialności. Realizacja będzie przebiegała dwuetapowo. W pierwszym etapie przy pomocy spycharki zostanie usunięta warstwa humusu. Prace będą się odbywały na terenie nachylonym. Następnie zostanie rozpoczęty proces wydobywania kopaliny przy pomocy koparki jednonaczyniowej. Prace eksploatacyjne będą się odbywały do głębokości 6m.

Tabela 1

Dane projektowe

Miąższość humusu [m]	0,5
Pochylenie terenu w kierunku północnym [^o]	13,0
Długość podziałki l [m]	24,0
Rodzaj eksploatowanej kopaliny	glina piaszczysta
Głębokość dla wykopu po stronie południowej (płytszej) H [m]	6,0

Kształt dna wykopu

Projekt wyrobiska i podział na pola

Obliczenia dla skarp.

Nachylenie skarpy w kierunku południowym, wschodnim i zachodnim w punkach A i B.

Głębokość dna wykopu w punkcie A=B:

H_A = B = 6, 00[m]

Odległość skarpy w kierunku północnym:

AB_S = x

$$\left\{ \begin{matrix} \text{tg}13 = \frac{i}{x} \\ \frac{6}{6} = \frac{6 - i}{x} \\ \end{matrix} \right.\ $$

$$\left\{ \begin{matrix} i = 0,230868 \bullet x \\ 1 = \frac{6 - i}{x} \\ \end{matrix} \right.\ $$

$$1 = \frac{6 - 0,230868x}{x}$$

x ≈ 4, 78[m]

Odległość skarpy w kierunku wschodnim i zachodnim:

AB_EW = 6, 00[m]

Nachylenie skarpy w kierunku południowym, wschodnim i zachodnim w punkach C i D.

$$\text{tg}13^{o} = \frac{a}{24,00}$$

$$0,230868 = \frac{a}{24,00}$$

a ≈ 5, 54[m]

Głębokość dna wykopu w punkcie C=D:

H_CD = 5, 54 + 6, 00 = 11, 54

Odległość skarpy na kierunku północnym:

CD_N = 11, 54 • 1, 2 = 13, 848 ≈ 13, 85[m]

Odległość skarpy w kierunku wschodnim i zachodnim:

DC_EW = y

$$\frac{11,54 + j}{13,85} = \frac{11,54}{y}$$

$$\text{tg}13^{} = \frac{j}{13,85}$$

j = 0, 230868 • 13, 85 ≈ 3, 20[m]

$$\frac{14,74}{13,85} = \frac{11,54}{y}$$

$$y = \frac{13,85 \bullet 11,54}{14,74} = \frac{159,829}{14,74} \approx 10,84\lbrack m\rbrack$$

Nachylenie skarpy w kierunku południowym, wschodnim i zachodnim w punkach E i F.

$$\text{tg}13^{} = \frac{b}{48,00}$$

b ≈ 11, 08[m]

Głębokość dna wykopu w punkcie E=F:

H_EF = 11, 54 + 11, 08 = 22, 62[m]

Odległość skarpy w kierunku północnym:

EF_N = 22, 62 • 1, 3 = 29, 406 ≈ 29, 41[m]

Odległość skarpy w kierunku wschodnim i zachodnim:

EF_EW = z

$$\frac{22,62 + k}{29,41} = \frac{22,62}{z}$$

$$\text{tg}13^{} = \frac{k}{29,41}$$

k = 0, 230868 • 29, 41 ≈ 6, 79[m]

$$\frac{29,41}{29,41} = \frac{22,62}{z}$$

$$z = \frac{29,41 \bullet 22,62}{29,41} = 22,62$$

Tabela 2

Nachylenie skarp

punkt	kierunek
	E
A=B	6,00
C=D	10,84
E=F	22,62

Projektowanie zwałów

Zwał poziomy

Zwał pochylony

$$a = \sqrt{\frac{2 \bullet g \bullet l_{0} \bullet k_{r} \bullet \text{sinβ}}{\text{sinρ} \bullet \text{cosα} \bullet \text{tgα}}}$$

$$b = \frac{a \bullet \text{sinρ}}{\text{sinβ}}$$

$$c = \frac{b \bullet \text{sinα}}{\text{sinρ}}$$

α- kąt napychania

ρ- kąt stoku naturalnego

β- kąt dopełniający

δ- kąt uzupełniający

g- miąższość humusu

l₀- długość spychanego pola

k_r- współczynnik rozluźnienia

1. Dla pola A:

l₀=26,5m

$$a = \sqrt{\frac{2 \bullet 0,5 \bullet 26,50 \bullet 1,14 \bullet \sin 135}{\sin 35 \bullet \cos 10 \bullet \text{tg}10} =}14,64\lbrack m\rbrack$$

$$b = \frac{14,64 \bullet \sin 35}{\sin 135} = 11,88\lbrack m\rbrack$$

$$c = \frac{11,88 \bullet \sin 10}{\sin 35} = 3,60\lbrack m\rbrack$$

l₀=17,75m

$$a = \sqrt{\frac{2 \bullet 0,5 \bullet 17,75 \bullet 1,14 \bullet \sin 135}{\sin 35 \bullet \cos 10 \bullet \text{tg}10}} \approx 11,99\lbrack m\rbrack$$

$$b = \frac{11,99 \bullet \sin 35}{\sin 135} \approx 9,72\lbrack m\rbrack$$

$$c = \frac{9,72 \bullet \sin 10}{\sin 35} \approx 2,94\lbrack m\rbrack$$

1. Dla pola B:

Pola B i C są symetryczne. Dane są identyczne.

1. Dla pola C:

l₀=35,00m

$$\ a = \sqrt{\frac{2 \bullet 0,5 \bullet 35,00 \bullet 1,14 \bullet \sin 135}{\sin 35 \bullet \cos 10 \bullet \text{tg}10}} \approx 16,83\lbrack m\rbrack$$

$$b = \frac{16,83 \bullet \sin 35}{\sin 135} \approx 13,65\lbrack m\rbrack$$

$$c = \frac{13,65 \bullet \sin 10}{\sin 35} = 4,13\lbrack m\rbrack$$

l₀=25,00m

$$a = \sqrt{\frac{2 \bullet 0,5 \bullet 25,00 \bullet 1,14 \bullet \sin 135}{\sin 35 \bullet \cos 10 \bullet \text{tg}10}} \approx 14,22\lbrack m\rbrack$$

$$b = \frac{14,22 \bullet \sin 35}{\sin 135} \approx 11,54\lbrack m\rbrack$$

$$c = \frac{11,54 \bullet \sin 10}{\sin 35} = 3,49\lbrack m\rbrack$$

1. Dla pola D:

$$l_{0} = \frac{52,5}{\cos 13} \approx 53,88\lbrack m\rbrack$$

$$a = \sqrt{\frac{2 \bullet 0,5 \bullet 53,88 \bullet 1,14 \bullet \sin 135}{\sin 35 \bullet \cos 10 \bullet \text{tg}10}} \approx 20,88\lbrack m\rbrack$$

$$b = \frac{20,88 \bullet \sin 35}{\sin 135} \approx 16,94\lbrack m\rbrack$$

$$c = \frac{16,94 \bullet \sin 10}{\sin 35} \approx 5,13\lbrack m\rbrack$$

1. Dla pola E:

Z pól E_1A oraz E_1B humus zostanie zepchnięty kolejno na pole E₂ i E₃. Tam, gdzie znajduje się humus zepchnięty z cząstkowych pól E₁ wysokość humusu jest dwukrotnie większa niż na pozostałych polach a co za tym idzie, również zwał będzie większy. Korektę tą wprowadzono zwiększając dwukrotnie miąższość humusu w miejscach gdzie zostanie on zepchnięty.

$$\cos 13 = \frac{L}{l_{0}}$$

$$l_{0} = \frac{43,00}{\cos 13} \approx 44,13\lbrack m\rbrack$$

Zwały w miejscach gdzie humus ma 0,5m miąższości.

$$a = \sqrt{\frac{2 \bullet 0,5 \bullet 44,13 \bullet 1,14 \bullet \sin 135}{\sin 35 \bullet \cos 10 \bullet \text{tg}10}} \approx 18,90\lbrack m\rbrack$$

$$b = \frac{18,90 \bullet \sin 35}{\sin 135} \approx 15,33\lbrack m\rbrack$$

$$c = \frac{15,33 \bullet \sin 10}{\sin 35} \approx 4,64\lbrack m\rbrack$$

Zwały w miejscach gdzie humus wynosi 1,0m.

$$a = \sqrt{\frac{2 \bullet 1,0 \bullet 44,13 \bullet 1,14 \bullet \sin 135}{\sin 35 \bullet \cos 10 \bullet \text{tg}10}} \approx 26,73\lbrack m\rbrack$$

$$b = \frac{26,73 \bullet \sin 35}{\sin 135} \approx 21,68\lbrack m\rbrack$$

$$c = \frac{21,68 \bullet \sin 10}{\sin 35} \approx 6,56\lbrack m\rbrack$$

Tabela 3

Wymiary zwałów (liczby wyrażone w metrach)

Pole	Wielkości charakteryzujące zwały
A	l0
	a
	b
	c
B	l0
	a
	b
	c
C	l0
	a
	b
	c
D	l0
	a
	b
	c
E	l0
	a
	b
	c

DOBÓR SPYCHARKI I TECHNOLOGIA JEJ PRACY

Wybrano spycharkę o podwoziu gąsienicowym typ: TD-14M EXTRA. Podstawowe parametry maszyny przedstawia poniższa tabela.

Tabela 3

Parametry spycharki

Masa	16 ton
Pojemność lemiesza podana przez producenta	3,2 m^3
Moc silnika	173 KM
Prędkość spycharki podczas pchania gruntu	8,2 km/h
Prędkość spycharki podczas powracania	9,8 km/h
Długość lemiesza H	1,23m
Szerokość lemiesza B	3,37m

Obliczenia związane z zepchnięciem warstwy humusu.

Wzory

• Wydajność eksploatacyjna spycharki

$$Q_{\mathbf{e}}\mathbf{=}\frac{60 \bullet J \bullet k_{n} \bullet k_{i} \bullet k_{\text{ps}} \bullet k_{c}}{T_{c}}\mathbf{\ }\left\lbrack \frac{m^{3}}{h} \right\rbrack$$

• Wyrażenie pojemności lemiesza spycharki

$$J = \frac{B \bullet H^{2}}{2 \bullet k_{1}}\left\lbrack m^{3} \right\rbrack$$

k₁- współczynnik zależny od stosunku $\frac{H}{B}$

(do obliczeń przyjęto wartość równą 0,85)

H- długość lemiesza

B- wysokość lemiesza

• Liczba skoków niezbędnych do zepchnięcia humusu (n)

$$n = \frac{l_{0} + \text{Sb}}{20}$$

l₀- długość spychanego pola [m]

Sb- strefa bezpieczeństwa (około połowa głębokości od dna odkrywki)

(do obliczeń przyjęto wartość w najszerszym miejscu)

• Współczynnik strat spycharki na każdy 1m urobku

k_ps = 1 − (a•l•0,5)[−]

l-odległość przemieszczania gruntu

a∈(0,01-0,05)

(w obliczeniach przyjęto wartość 0,05- dla piasku)

• Współczynnik efektywnego czasu wykorzystania pracy

$$k_{c} = \frac{T_{n}}{60}$$

T_n-czas rzeczywiście przepracowany w ciągu godziny, przyjmuje się, że przeciętnie wynosi on 45-50 minut

(do obliczeń przyjęto wartość równą 45 minut)

• Cykl pracy

T_c = T_st + T_zm

T_st = 2 • (t₁+t₂)[min]

t₁- czas trwania zmiany biegu (ok.5s czyli 0,08min)

t₁- czas podnoszenia i opuszczania lemiesza (ok.4-5s czyli 0,07-0,08min)

T_st- czynności stałe, w których skład wchodzi podnoszenie i opuszczanie lemiesza

(do obliczeń przyjęto wartość 0,33min- wartość uwzględniająca pewną rezerwę)

$$T_{\text{zm}} = 0,06 \bullet \left( \frac{l}{V_{1}} + \frac{l}{V_{2}} \right)\left\lbrack \min \right\rbrack$$

T_zm- czynności zmienne, w których skład wchodzą: odspajanie gruntu i nagarnianie urobku, jego przemieszczanie i jazda powrotna

V₁-prędkość jazdy spycharki podczas przemieszczania gruntu [km/h]

V₂- prędkość jazdy powrotnej

• Czas realizacji i-tego pola

$$T_{i} = \frac{V_{i} \bullet k_{i}}{Q_{i}}\left\lbrack h \right\rbrack$$

V_i- objętość poszczególnych pól [m³]

Q_i- wydajność na danym polu [m³/h]

• Łączny czas realizacji i-tego pola

$$T_{n} = \sum_{i = 1}^{n}{T_{i}\left\lbrack h \right\rbrack}$$

Tabela 4

Realizacja pola A

Realizacja pola	n	Q	Tc	l	V	kps	kc	ki	kn	kr	T
	[-]	[m^3/h]	[min]	[m]	[m^3]	[-]	[-]	[-]	[-]	[-]	[h]
A1	1	172,08	0,57	17,50	376,25	0,78	0,75	1	0,93	1,14	2,24
	2	247,61	0,45	9,00	376,25	0,89	0,75	1	0,93	1,14	1,56
	Zwał	157,84	0,43	7,92	376,25	0,90	0,75	0,6	0,93	1,14	1,47
Czas sumaryczny pola A1 5,27h
A2	1	247,61	0,45	9,00	96,75	0,89	0,75	1	0,93	1,14	0,40
	zwał	157,84	0,43	7,92	96,75	0,90	0,75	0,6	0,93	1,14	0,38
Czas sumaryczny pola A2 0,78h

Łączny czas realizacji pola A wynosi 6,05h.

Tabela 5

Realizacja pola B i C (pola są identyczne)

Realizacja pola	n	Q	Tc	l	V	kps	kc	ki	kn	kr	T
	[-]	[m^3/h]	[min]	[m]	[m^3]	[-]	[-]	[-]	[-]	[-]	[h]
B1	1	132,12	0,66	24,5	678,90	0,69	0,75	1	0,93	1,14	5,14
	2	231,52	0,47	10,5	678,90	0,87	0,75	1	0,93	1,14	2,93
	Zwał	147,60	0,45	9,1	678,90	0,89	0,75	0,6	0,93	1,14	2,76
Czas sumaryczny pola B1 10,83h
B2	1	231,52	0,47	10,5	145,48	0,87	0,75	1	0,93	1,14	0,63
	zwał	147,60	0,45	9,1	145,48	0,89	0,75	0,6	0,93	1,14	0,59
Czas sumaryczny pola B2 1,22h

Łączny czas realizacji pól A i B wynosi 12,05h (każdego z osobna).

Tabela 6

Realizacja pola D

Realizacja pola	n	Q	Tc	l	V	kps	kc	ki	kn	kr	T
	[-]	[m^3/h]	[min]	[m]	[m^3]	[-]	[-]	[-]	[-]	[-]	[h]
D1	1	260,10	0,61	20,53	472,19	0,74	0,75	1,7	0,93	1,14	3,09
	2	260,10	0,61	20,53	472,19	0,74	0,75	1,7	0,93	1,14	3,09
	3	358,41	0,50	12,83	472,19	0,84	0,75	1,7	0,93	1,14	2,24
	Zwał	134,79	0,48	11,29	472,19	0,86	0,75	0,6	0,93	1,14	2,10
Czas sumaryczny pola D1 10,51h
D2	1	260,10	0,61	20,53	472,19	0,74	0,75	1,7	0,93	1,14	3,09
	2	358,41	0,50	12,83	472,19	0,84	0,75	1,7	0,93	1,14	2,24
	Zwał	134,79	0,48	11,29	472,19	0,86	0,75	0,6	0,93	1,14	2,10
Czas sumaryczny pola D2 7,43h
D3	1	358,41	0,50	12,83	295,09	0,84	0,75	1,7	0,93	1,14	1,40
	zwał	134,79	0,48	11,29	295,09	0,86	0,75	0,6	0,93	1,14	1,31
Czas sumaryczny pola D3 2,71h

Łączny czas realizacji pola D wynosi 20,65h.

Tabela 7

Realizacja pola E

Realizacja pola	n	Q	Tc	l	V	kps	kc	ki	kn	kr	T
	[-]	[m^3/h]	[min]	[m]	[m^3]	[-]	[-]	[-]	[-]	[-]	[h]
E1A	E2	247,61	0,45	9,00	71,86	0,89	0,75	1,00	0,93	1,14	0,29
E2	1	260,10	0,61	20,53	184,77	0,74	0,75	1,70	0,93	1,14	1,21
	2	231,49	0,65	23,60	184,77	0,71	0,75	1,70	0,93	1,14	1,36
	zwał	127,42	0,50	12,34	184,77	0,85	0,75	0,60	0,93	1,14	0,87
Czas sumaryczny pola E2 3,72h
E1B	E3	294,26	0,40	5,00	29,50	0,94	0,75	1,00	0,93	1.14	0,10
E3	1	231,49	0,65	23,60	212,40	0,71	0,75	1,70	0,93	1,14	1,56
	zwał	127,42	0,50	12,34	212,40	0,85	0,75	0,60	0,93	1,14	1,00
Czas sumaryczny pola E3 2,66h

Łączny czas realizacji pola E wynosi 6,38h.

Czas potrzebny do zepchnięcia całej objętości humusu z całkowitej powierzchni eksploatacyjnej wynosi 57,18h.

Obliczenia:

• Pojemność lemiesza

$$J = \frac{3,37 \bullet {1,23}^{2}}{2 \bullet 0,85} = \frac{3,37 \bullet 1,512}{1,7} = \frac{5,09544}{1,7} \approx 3,00\left\lbrack m^{3} \right\rbrack$$

EKSPLOATACJA KOPALINY PRZY UŻYCIU KOPARKI JEDNONACZYNIOWEJ

Dobrano koparkę na podwoziu gąsienicowym, model Caterpillar 365CFS pojemność łyżki 4,0m³.

Wzory

• Rzeczywista wysokość urabiania

h_rz = (1,25÷1,35)h_opt[m]

h_op • 1, 25 ÷ h_op • 1, 35

h_op=6,0

7, 5 ÷ 8, 1

Na podstawie powyższego przedziału dokonano podziału kopalni na piętra. Określono wysokość piętra eksploatacyjnego na 7,8m.

h_opt- optymalna wysokość urabiania [m]

• Wydajność koparki

$$Q = \frac{60 \bullet q \bullet k_{n} \bullet k_{\text{oh}} \bullet k_{m} \bullet k_{c} \bullet k_{w}}{T_{c} \bullet k_{r}}\left\lbrack \frac{m^{3}}{h} \right\rbrack$$

q- pojemność czerpaka [m³]

k_n- współczynnik napełnienia naczynia

(w obliczeniach przyjęto k_n=0,95- wartość odczytana z tabeli)

k_oh- współczynnik poprawkowy na wysokość urabiania i kąt obrotu

(w obliczeniach przyjęto k_oh=1,4- wartość odczytana z wykresu)

k_m- współczynnik urabialności i łatwości spływania materiału

(ponieważ eksploatowaną kopaliną jest sucha glina piaszczysta, łatwość spływania po nachylonych powierzchniach ma kategorię B, stąd do obliczeń przyjęto wartość współczynnika k_m=1,2)

k_c- współczynnik wykorzystania czasu pracy

k_w- współczynnik pracy z transportem

(w obliczeniach przyjęto k_w=0,68- wartość odczytana z tabeli)

T_c- czas cyklu koparki [min]

(w obliczeniach przyjęto T_c=0,30- wartość odczytano z wykresu)

k_r- współczynnik rozluźnienia gruntu

• Czas realizacji określonego piętra

$$V_{\text{rel}}\mathbf{=}\frac{V \bullet k_{r}}{Q_{\text{ef}}}$$

k_r=1,25

na podstawie rysunku wyznaczono szerokość półki, b_p=m.

Piętro	V	q	Tc	kr	kn	koh	km	kc	kw	Qef	Trel
[-]	[m^3]	[m^3]	[min]	[-]	[-]	[-]	[-]	[-]	[-]	[m^3/h]	[h]