Поэтому при формировании комбинированных транспортных систем особое внимание должно уделяться глубокому вводу конвейерного и железнодорожного транспорта и поддержанию сборочных автоперевозок на минимальном, технологически необходимом уровне. Это обеспечивается внедрением мобильных комплексов ЦПТ, крутонаклонных конвейеров, повышенных уклонов (до 60‰) и тоннельного вскрытия при железнодорожном транспорте.
При эксплуатации автотранспорта в рабочей зоне карьеров важным направлением снижения энергопотребления является оптимизация схем вскрытия временными съездами. Метод оптимизации основан на разделении грузооборота на две составляющие: минимально необходимую вертикальную часть грузооборота по подъему горной массы до перегрузочных пунктов и технологически необходимую горизонтальную часть, которая минимизируется за счет выбора количества, месторасположения вскрывающих выработок и порядка отработки карьерного поля. Этот вопрос особенно актуален для сборочного автотранспорта железорудных карьеров, где горизонтальная составляющая достигает 35–50% от общей величины грузооборота.
Высокая энергетическая эффективность конвейерного транспорта объясняется большими углами подъема трасс (сокращением пути перемещения груза) и отсутствием энергозатрат на подъем верхней ветви ленты ввиду равной ее массы с опускающейся нижней ветвью. При движении автосамосвалов и железнодорожных составов по уклону вверх затраты энергии необходимы как на подъем груза, так и собственно подвижного состава. В то же время коэффициент сопротивления движению ленты по роликам на порядок выше, чем коэффициент сопротивления движению груженого поезда, и сравним с аналогичным показателем автомобильного транспорта.
Энергетические преимущества железнодорожного транспорта перед автомобильным объясняются меньшими значениями коэффициента сопротивления движению груженого поезда (в 8–10 раз) и коэффициента тары. Коэффициент тары современных думпкаров составляет 0,41–0,50, а отечественных автосамосвалов 0,70–0,84. Однако реализация этих преимуществ при работе на подъем горной массы ограничивается сравнительно небольшим уклоном железнодорожных трасс (40–60‰) и значительным коэффициентом их развития (до 1,5–1,8).
Структурные формулы удельной работы по подъему горной массы различными видами транспорта имеют следующий вид:
1. Автомобильный и железнодорожный транспорт
(5)где АП – работа по подъему 1 т горной массы на 1 м, кДж/т·м; Рт = 9,81 кДж/т·м – теоретически необходимая величина работы; kт – коэффициент тары автосамосвала (железнодорожного состава); ωо – коэффициент сопротивления движению груженого автосамосвала (локомотивосостава); i – уклон трассы.
2. Конвейерный транспорт
(6)где kсопр – коэффициент, учитывающий долю сопротивлений на концевых станциях конвейера. Для наклонных конвейеров kсопр≈ 1,23÷1,25; ωк – коэффициент сопротивления движению ленты по роликам; αк – угол наклона конвейера, град.;
(7)где qк – погонная масса ленты и вращающихся частей роликов верхней и нижней ветвей, кг/м; qг – погонная масса груза на ленте, кг/м.
С помощью формул (5) и (6) можно ориентировочно устанавливать соотношение энергозатрат на подъем горной массы в конкретных горно-технических условиях.
Энергетические показатели различных видов карьерного транспорта при работе на горизонтальных трассах значительно отличаются от установленных параметров при движении на подъем. К сожалению, обоснование общего показателя энергетической эффективности различных видов карьерного транспорта в указанных условиях, аналогичного работе на подъем (η), проблематично. Поэтому воспользуемся сравнительными показателями энергоемкости, полученными в типичных условиях железорудных карьеров (табл. 2).
Таблица 2. Энергоемкость различных видов карьерного транспорта при работе на горизонтальных трассах
Как видно, при работе на горизонтальных трассах в полной степени реализуются преимущества железнодорожного транспорта. Энергетическая эффективность железнодорожного транспорта в сопоставимых горно-технических условиях в 2,8–3,0 раза выше, чем автомобильного, и в 1,5–1,6 раза выше, чем конвейерного. Вследствие этого железнодорожный транспорт на зарубежных предприятиях получил преимущественное распространение не как внутрикарьерный, а как магистральный вид транспорта для перевозок руды и вскрыши от борта карьера до обогатительных фабрик и отвалов. По данным зарубежных исследований энергетическая эффективность железнодорожных перевозок промышленных грузов в 4,2 раза выше, чем автомобильных [5].
Важным направлением энергосбережения для всех видов транспорта глубоких карьеров является увеличение уклонов транспортных коммуникаций. В технологическом аспекте применение повышенных уклонов позволяет сократить дополнительный разнос бортов карьеров от размещения транспортных коммуникаций, в энергетическом – увеличение уклонов в определенном диапазоне позволяет повысить энергетическую эффективность транспорта при работе на подъем горной массы. Для всех видов транспорта зависимости удельной энергоемкости на подъем горной массы от уклона трассы имеют экстремальный характер [6]. Так, для автомобильного транспорта оптимальный уклон по энергетическому критерию в зависимости от типа покрытия и модели автосамосвала находится в пределах 0,08–0,012 (рис. 2).
Рис. 2. Зависимость удельного расхода дизтоплива БелАЗ-7519 (110 т) при движении на подъем (Р) от уклона (i) и сопротивления качению (ω0);
– область оптимальных значений уклонов. Установленные закономерности смещения iопт от качества дорожного покрытия подтверждаются экспериментально и полностью согласуются с одним из важнейших принципов физики – принципом Ле Шателье – Брауна, описывающего поведение термодинамических систем, находящихся в устойчивом равновесии.
Для электрифицированного железнодорожного транспорта при мотор-вагонной тяге оптимальный уклон составляет 0,045–0,051, при электровозной тяге – 0,027–0,031. При эксплуатации ленточных конвейеров большой производительности оптимальный угол их наклона составляет 17–19°. При мотор-вагонной тяге увеличение уклона железнодорожных путей с 40 до 60‰ приводит к повышению, хотя и незначительному, удельных энергозатрат на подъем горной массы. Это происходит вследствие увеличения коэффициента тары поезда, которое во многих случаях не может быть полностью компенсировано сокращением протяженности трассы и упрощением схемы путевого развития. Весьма актуален этот вопрос для конвейерного транспорта по причине разработки в последнее время различных конструкций крутонаклонных конвейеров. Создание таких конвейеров должно сопровождаться детальным энергетическим анализом.
Оптимальный продольный уклон трасс по энергетическому критерию для отдельных видов транспорта и конкретных моделей транспортных средств следует рассматривать как частный оптимум и нижний предел уклона, который рекомендуется принимать при проектировании транспортных систем. Окончательное решение по руководящим уклонам следует принимать на основе глобального оптимума – удельной энергоемкости всей транспортной системы.
Остановимся на энергетических характеристиках других видов транспорта глубоких карьеров. Среди них наибольший практический интерес представляют дизель-троллейвозы, наклонные скиповые и автомобильно-клетьевые подъемники.
Фактический удельный расход энергии (г у. т. /т·м) дизель-троллейвозным транспортом определяется из выражения
(8)где ωдт – удельный расход электроэнергии при работе дизель-троллейвозов, кВт·ч/т·км; gдт – удельный расход дизтоплива дизель-троллейвозным транспортом, г/т·км; hдт – высота подъема горной массы дизель-троллейвозами на 1 км автодороги, м/км.
Расчетные показатели энергетической эффективности дизель-троллейвозного транспорта (опытные образцы на базе автосамосвалов БелАЗ-7519 грузоподъемностью 110 т) на карьерах черной металлургии приведены в табл. 3 и 4. Установлено, что коэффициент полезного использования энергии дизель-троллейвозным транспортом изменяется в пределах 6,2–7,6% при среднем значении 6,7%. Таким образом, энергетические показатели дизель-троллейвозного транспорта только на 3,1% выше, чем автомобильного (η =6,5% для автосамосвалов БелАЗ-7519).
Таблица 3. Условия эксплуатации дизель-троллейвозного транспорта на карьерах черной металлургии (предпроектные проработки).
Примечание. L – расстояние перевозок, км; Кэ – степень электрификации трассы, %; Нп – высота подъема горной массы, м.