Горные машины карьеров

СИБИРСКИЙ ФВДЕРАЛЬНЫИ УНИВЕРСИТЕТ 
SIBERIflfl FEDERAL UfllVERSITY 

И. И. Демченко, И. С. Плотников 

В учебном пособии рассмотрены основные 
типы конструкций и принципы действия буровых, 
выемочно-погрузочных, 
выемочно-транспортирующих машин и комплексов, а также оборудование для 
открытой разработки месторождений полезных ископаемых. Дана методика инженерного расчета основных параметров мехлопат, драглайнов и нагрузки 
приводов их механизмов. Изложены тенденции совершенствования и развития карьерных горных комплексов для угольных разрезов. 

ГОРНЫЕ МАШИНЫ 
КАРЬЕРОВ 

У ч е б н о е 
п о с о б и е 

У М О 

ИНСТИТУТ ГОРНОГО ДЕЛА, ГЕОЛОГИИ t [ '
1 , 
И ГЕОТЕХНОЛОГИЙ 
' * ' *• * " ' J 
" 
' 4 •! • 
И ГЕОТЕХНОЛОГИЙ 
ГОРНОЕ ДЕЛО 
• 

ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ГОРНОГО 
ИЛИ НЕФТЕГАЗОВОГО ПРОИЗВОДСТВА 

Введение 
 

1 

Министерство образования и науки Российской Федерации 
Сибирский федеральный университет 
 
 
 
 
 
И. И. Демченко, И. С. Плотников 
 
 
 
ГОРНЫЕ МАШИНЫ  
КАРЬЕРОВ 
 
Допущено Учебно-методическим объединением вузов 
Российской Федерации по образованию в области горного дела в качестве учебного пособия для студентов 
вузов, обучающихся по направлениям подготовки 
(специальностям) «Горное дело» и «Физические          
процессы  горного  или  нефтегазового  производства»  
(рег. № 51-16/457 от 25.02.2015) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Красноярск 
СФУ 
2015 

Введение 
 

2 

УДК 622.322.8/(07) 
ББК 33:30.65я73 
         Д318 
 
 
 
 
 
 
 
Р е ц е н з е н т ы:  
М. А. Викулов, доктор технических наук, профессор СевероВосточного федерального университета;  
И. И. Вашлаев, кандидат технических наук, старший научный сотрудник Института химии и химической технологии Сибирского отделения 
РАН 
 
 
 
 
 
 
 
 
Демченко, И. И. 
Д318       Горные машины карьеров : учеб. пособие / И. И. Демченко,        
И. С. Плотников. – Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2015. – 252 с. 
ISBN 978-5-7638-3218-1 
 
В учебном пособии рассмотрены основные типы конструкций и принципы 
действия буровых, выемочно-погрузочных, выемочно-транспортирующих машин и комплексов, а также оборудование для открытой разработки месторождений полезных ископаемых. Дана методика инженерного расчета основных            
параметров мехлопат, драглайнов и нагрузки приводов их механизмов. Изложены 
тенденции совершенствования и развития карьерных горных комплексов для 
угольных разрезов. 
Предназначено для специалистов направлений подготовки «Горное дело» 
и «Физические процессы горного или нефтегазового производства». Может быть 
полезно инженерно-техническим работникам карьеров. 
 
   Электронный вариант издания см.: 
           http://catalog.sfu-kras.ru 
УДК 622.322.8(07) 
ББК 33:30.65я73
 
ISBN 978-5-7638-3218-1                                                          © Сибирский федеральный  
                                                                                            университет, 2015 

Введение 
 

3 

 
ВВЕДЕНИЕ 
 
Горнодобывающая промышленность на современном этапе характеризуется интенсивным развитием открытого способа разработки полезных 
ископаемых. Преобладающее значение открытые разработки уже приобрели при добыче руд черных и цветных металлов, горно-химического сырья 
и строительных материалов. 
При этом особую важность имеют вопросы улучшения структуры 
парка машин, ускорения ведения монтажно-демонтажных работ, повышения уровня технического обслуживания. 
Современный карьер представляет собой предприятие с высоким уровнем механизации, на котором сосредоточено большое количество мощных буровых станков и экскаваторов, выемочно-транспортирующих и других машин. 
На некоторых карьерах успешно применяется гидромеханизация, а при разборке россыпных месторождений используются драги. 
В создании сложной горной техники принимали участие заводы России и Украины, такие как Уральский завод тяжелого машиностроения 
«Уралмаш» (УЗТМ), Ижорский завод (ИЗТМ), Красноярский завод тяжелых экскаваторов (Крастяжмаш), Ново-Краматорский машиностроительный завод (НКМЗ), Донецкий машиностроительный завод (ДМЗ) и др. 
Эффективная работа сложной карьерной техники во многом зависит 
от уровня теоретической и практической подготовки инженернотехнического персонала предприятия. Современный горный инженер должен глубоко знать основы механизации и автоматизации горного производства, эксплуатационные и технические данные горных машин, принципы действия и технические возможности машин и элементов их конструкций, а также основы теории, расчета и технической эксплуатации горных 
машин и комплексов. Он должен уметь осуществлять строгий контроль за 
соблюдением правил безопасности при ведении горных работ и эксплуатации применяемых оборудования и механизмов. 
Таким образом, без знания теории бурения, умения определять            
нагрузки на рабочее оборудование и мощности приводов главных механизмов экскаваторов, проводить тяговый и статический расчеты выемочнотранспортирующих машин невозможно инженерное проектирование          
и эффективная эксплуатация горного оборудования. 
Учебное пособие предназначено для специалистов направлений подготовки «Горное дело» и «Физические процессы горного или нефтегазового 
производства». 

1. Буровые машины 
 

4 

 
1. БУРОВЫЕ МАШИНЫ 
 
 
1.1. Классификация буровых машин 
 
В общей технологии открытых горных работ при разработке месторождений, включающих скальные породы, буровзрывные работы являются 
одним из основных производственных процессов. 
Для ведения буровзрывных работ бурят шпуры или скважины,               
в которые помещают взрывчатое вещество (ВВ). 
Скважиной называют искусственное цилиндрическое углубление           
в горных породах диаметром более 75 мм и глубиной более 5 м. 
Шпуром принято называть искусственное цилиндрическое углубление в горных породах диаметром до 75 мм и глубиной до 5 м. 
Бурение производится с помощью буровой установки – комплекса 
оборудования, включающего буровую вышку (мачту), силовой привод, механизм передвижения, оборудование для механизации спуско-подъемных 
операций, очистки скважин и др. 
В общей технологии открытых горных работ буровзрывные работы 
являются одним из основных и трудоемких производственных процессов. 
На долю буровзрывных работ приходится в среднем от 16 до 32 % всех  
затрат, необходимых для добычи твердых полезных ископаемых. 
От качества рыхления горных пород зависят производительность  
погрузочного и транспортного оборудования, его долговечность и эффективность эксплуатации. 
Как показывает отечественный и зарубежный опыт, с ростом вместимости ковша и параметров экскаватора целесообразно увеличивать 
диаметр взрывных скважин и их сетку. 
Используют следующие приблизительные соотношения между вместимостью ковша, диаметром скважины и расстоянием: 
 
Вместимость ковша, м3                           6         15         30        45          70            150 
Диаметр скважины, мм                          150     175       270      300         340          400 
Расстояние между скважинами, м        4,5       5,3         8          9          10,5           13 
 
Дальнейшее развитие буровой техники предусматривает: создание 
станков для бурения скважин диаметром до 400 мм шарошечными долотами, разработку новых способов бурения; совершенствование автоматиза

1.1. Классификация буровых машин 
 

5 

ции управления режимами бурения и вспомогательными операциями; 
снижение времени на спуско-подъемные операции в 1,5–2 раза; осуществление бурения взрывных скважин глубиной до 18–24 м без наращивания 
буровых штанг; разработку невращающихся буровых ставов; использование стабилизаторов и амортизаторов; совершенствование и внедрение на 
станках шарошечного бурения электровибробуров; освоение новых типов 
шарошечных долот и дополнительных устройств к ним и более интенсивное применение станков комбинированного бурения. 
Буровые станки классифицируются по способу разрушения горной 
породы, типу привода и назначению. 
Бурение горной породы можно производить механическим и немеханическим способами. 
Механический способ реализуется в машинах ударного, вращательного, ударно-вращательного бурения, когда разрушение горной породы 
производится инструментом под действием прикладываемых к нему силовых нагрузок. 
Ударный способ бурения осуществляется в результате ударов инструмента по породе. Удары наносят по хвостовику бура, лезвие которого, 
внедряясь, разрушает объем породы. После каждого удара буровой инструмент принудительно поворачивается и постепенно разрушает породу        
по всему сечению скважины. Этот способ бурения используется в перфораторах. 
Бурение станками ударно-канатного бурения осуществляется ударами, наносимыми буровым инструментом, периодически падающим с некоторой высоты на забой под действием собственного веса. Ударом создаются большие удельные нагрузки на лезвие коронки, что эффективно для 
разрушения хрупких горных пород. Поворот происходит под действием 
упругих сил закручивания каната, на котором подвешен буровой инструмент. 
При вращательном способе бурения разрушение забоя скважины 
скалыванием, смятием, истиранием осуществляется вращающимся инструментом с приложением к нему значительной осевой нагрузки. Этот способ реализуется в станках вращательного бурения шарошечными долотами 
и резцовыми коронками. 
При ударно-вращательном способе бурения буровой инструмент непрерывно вращается и по нему наносятся удары. Осевое усилие прикладывается к инструменту для нейтрализации сил отдачи, действующих на него 
в момент удара. Этот способ применяется в станках ударно-вращательного 
бурения с погруженными пневмоударниками. 
Немеханическим (физическим) способом производится термическое, взрывное, гидравлическое, электрогидравлическое, ультразвуковое               

1. Буровые машины 
 

6 

и комбинированное бурение. Несмотря на создание новых немеханических 
способов бурения, механический способ является преобладающим (до 82,5 % 
всех объемов бурения). 
По типу привода буровые станки делятся на электрические и тепловые, 
работающие от двигателя внутреннего сгорания. 
По назначению буровые станки делятся на машины для бурения 
шпуров и небольших скважин и машины для бурения скважин среднего             
и большого диаметра. 
Основными параметрами буровых станков являются диаметр, глубина и угол наклона пробуриваемой скважины. 
В соответствии с ГОСТ 20078–74 буровые станки должны изготавливаться следующих типов: 
СБШ – станки вращательного бурения шарошечными долотами –  
пяти типоразмеров с номинальными диаметрами бурения 160, 200, 250, 
320 и 400 мм при коэффициенте крепости ƒ = 6–18; 
СБР – станки вращательного бурения резцовыми коронками – двух 
типоразмеров с номинальными диаметрами бурения 125 и 160 мм при             
ƒ = 2–6; 
СБУ – станки ударно-вращательного бурения – четырех типоразмеров   
с номинальными диаметрами бурения 100, 125, 160 и 200 мм при ƒ = 6–18. 
Допускается изготовление станков комбинированного бурения, сочетающих в себе механический и немеханический способы бурения. Типоразмер таких станков устанавливается по тому способу бурения, который 
является преобладающим. 
Наибольшее распространение на открытых горных работах получили станки вращательного бурения шарошечными долотами, которыми 
выполняется около 80 % всех объемов бурения. Остальные 20 % объема 
выполняются станками вращательного бурения резцовыми коронками, 
ударно-вращательного и комбинированного бурения. Теория рабочих 
процессов этих машин будет рассмотрена ниже. Кроме того, на открытых горных работах еще находятся в эксплуатации станки ударного         
бурения. 
 
 
1.2. Теория рабочего процесса буровых машин 
ударного и ударно-вращательного действия 
 
Ударное разрушение прочных горных пород, происходящее                
в результате внедрения лезвия инструмента, в большинстве случаев носит 
хрупкий характер, поскольку преимущественно применяется на породах 
такого типа. 

1.2. Теория рабочего процесса буровых машин ударного и ударно-вращательного действия 

7 

Под действием силы удара Ру, Н, лезвие заостренного под углом α 
бурового инструмента (рис. 1.1, а) диаметром dд, м, внедряется в породу на 
глубину h, м. В массиве создается сложное напряженное состояние: под 
действием сжимающих напряжений под разрушающей гранью инструмента 
образуется уплотненное ядро из раздробленной породы, а под действием 
сдвигающих напряжений, появляющихся от силы N, происходит скол частиц породы под углом 0 ≥ α в строну открытой плоскости. 
Внедрение инструмента прекращается, как только силы сопротивления становятся равными действующей силе: 

Ρу = 2(Fт cos α/2 + Ν  sin α/2) Κз,                           (1.1) 

где Fт – сила трения лезвия коронки о породу, Н; N – нормальная сила воздействия боковой поверхности лезвия коронки на породу, Н; Kз – коэффициент, учитывающий затупление лезвия коронки, Kз = 1,2–1,3. 
 

 
                                                а                                                                       б 

Рис. 1.1. Схема сил, действующих на долотчатую коронку при ударном бурении

 
Здесь 

Fт = μ1 · Ν,                   Ν  = 106σм.б · d · h · cos−1 α/2, 

где μ1 – коэффициент трения бурового инструмента о породу; σм.б – предел 
прочности породы при механическом способе бурения, МПа, σм.б = 0,5 (σсж + 
+ σск) (σсж – предел прочности породы на сжатие, МПа, σсж = 34–450; σск – 
предел прочности породы на скалывание, МПа, σск = 2,4–53,0). 
После подстановки в формулу (1.1) значений Fт и N получим 

Pу = 2 · 106 · d · h · σм.б (tg α ⁄2 + μ1) Kз.                         (1.2) 

По условию формулы (1.2) можно определить глубину погружения 
лезвия коронки: 

1. Буровые машины 
 

8 

у
6
м.б
1
з
.
2 10
σ
(tg α / 2
μ )

Р
h
d
K
=
⋅
⋅
⋅
+
⋅
                       (1.3) 

При ударе по забою (рис. 1.1, б) однодолотчатая (двухперьевая) коронка скалывает один сектор (аba'b'), при этом за один удар по периметру 
скважины скалываются два участка (ab) и (a'b') суммарной длиной 

L0 = 2 · 2h tg θ ⁄2. 

После каждого удара коронка должна поворачиваться на угол, величина которого должна быть такой, чтобы скалывались целики между 
следами соседних ударов. Следующий удар долото наносит по сектору 
(bca'e') и т.д. 
Угол поворота долота после удара определяет частоту ударов за один 
его оборот, при котором будет отделен слой породы со всей поверхности 
скважины, равной суммарной глубине n · h погружения коронки, так как 
каждое перо долота за полный его оборот скалывает слой породы h со всей 
площади скважины. 
Таким образом, потребную частоту ударов долота по забою за один 
его оборот можно определить из соотношения 

0
0

π
π
,
2
tg θ / 2
d
d
Z
L
n h

⋅
⋅
=
=
⋅ ⋅
                                  (1.4) 

где n – число перьев на коронке долота (n = 2 – для однодолотчатой и n = 4 – 
для крестовой). 
Частота ударов за один оборот Z0 у современных станков, использующих пневмоударники, составляет 8–15. Чем крепче порода, тем большее число ударов должно приходиться на один оборот долота. При частоте 
ударов пневмоударника в секунду Z необходимую частоту вращения бурового инструмента n1, с–1, вычисляют по формуле  

 n1 = Z ⁄Z0.                                                (1.5) 

Теоретическую скорость бурения vб, м/мин, с учетом выражений 
(1.4) и (1.5) определяют по формуле  

4
у
б
1
2
1
з
м.б

0,6 10
tg θ / 2
60
π
(tg α / 2
μ )
σ

Ρ
h Z n
v
h n
d
K

−
⋅
⋅
⋅
⋅
⋅
=
⋅
=
⋅
+
⋅
.                      (1.6) 

Под действием возрастающей от нуля силы Pу энергия единичного 
удара А, Дж, составит  
 
A = 0,5Pу · h, 

1.2. Теория рабочего процесса буровых машин ударного и ударно-вращательного действия 

9 

а теоретическая скорость бурения будет  

4

б
2
1
з
м.б

1,2 10
tg θ / 2 .
π
(tg α / 2
μ )
σ
А Z n
v
d
K

−
⋅
⋅
⋅ ⋅
=
⋅
+
⋅
                           (1.7) 

Таким образом, эффективность разрушения породы при ударном бурении определяется следующими параметрами процесса: энергией единичного удара, частотой ударов и углом поворота инструмента после каждого удара. 
При ударно-вращательном бурении перфораторами с увеличением 
осевого усилия улучшаются условия передачи удара породе и возрастает 
скорость бурения, сила трения лезвий о забой и необходимый крутящий 
момент. 
При давлении подводимого сжатого воздуха p, Па, среднее индикаторное давление воздуха в цилиндре при рабочем pр, Па, и обратном p0, Па, 
ходах поршня, соответственно, равно  

pp = Cp · p  и  p0 = C0 · p, 

где Cр и C0 – коэффициенты, учитывающие снижение среднего давления         
в цилиндре, для золотникового распределительного устройства Cр = 0,62          
и C0 = 0,4. 
Осевое усилие Pос, H, действующее на поршень диаметром D, м, при 
рабочем и обратном ходах вычисляют, соответственно, по выражениям 

Pос.р = 0,25π · Ki · pр · D2;   Pос.о = 0,25π · Ki · p0D2, 

где Ki – коэффициент, учитывающий уменьшение полезной площади 
поршня с рабочей и обратной сторон, Ki = 0,7–0,8. 
Минимальные удельные осевые усилия, отнесенные к диаметру долота, принимают равными (2–3)·104 Н/м. 
Ускорения jр и jo, м/с2, движения поршня массой mп, кг, соответственно, 
при рабочем и обратном ходах 

jр = Pос.р · mп
–1   и    jo = Pос.о · mп
–1. 

Частота ударов поршня ударника Z, с–1, зависит от длительности 
цикла работы ударного механизма tц = tр + tо и определяется при известных 
конструктивной длине хода поршня Lп, м, продолжительности рабочего tр, с, 
и обратного tо, с, ходов поршня по формуле  

(
)

1
1
1
1
ц
п
п
р
п
п
о
( )
2
2
,
Z
t
L
С
j
L
C
j

−

−
−
−
=
=
⋅
⋅
−
⋅
⋅
                   (1.8) 

где Cп – коэффициент уменьшения хода поршня, Cп = 0,85–0,90.