Копание представляет собой комплексный технологический процесс, который заключается в отделении частиц породы от основного массива или штабеля. Этот процесс включает три ключевые операции: непосредственно резание или разрушение породы, перемещение отделённого материала по рабочему органу (например, внутри ковша экскаватора) и взаимное смещение уже отделённых слоёв грунта. Интересно, что силы сопротивления, возникающие при перемещении породы и формировании так называемой "призмы волочения" перед рабочим органом, часто могут превосходить усилия, необходимые для первичного разрушения материала.
Рис. 1.2.5. Схемы отработки забоев экскаватором: (а) — для связных и плотных пород; (б) — для скальных пород. Обозначение H3 указывает на высоту забоя.
Влияние условий и параметры процесса
Конкретные горно-технические условия, в которых ведётся разработка, напрямую определяют все основные параметры процесса копания. К ним относятся тип траектории движения рабочего органа, величина сил сопротивления и многие другие рабочие характеристики. На приведённой схеме наглядно показаны различия в подходах к отработке забоя для двух основных типов пород.
Особенности работы с разными типами пород
Связные и плотные грунты. Разработка таких материалов ведётся методом последовательного снятия слоя породы (стружки) по всей высоте забоя. Критически важно при этом выдерживать заданные траектории движения режущей кромки ковша, которые представляют собой эквидистантные кривые, отстоящие друг от друга на расстояние, равное максимальной толщине стружки. Высота забоя (H3) в этом случае ограничена максимальной высотой черпания (Hч max) из соображений безопасности работы оборудования.
Скальные породы. При работе со взорванной скальной массой стратегия иная. Траектория каждого нового внедрения ковша определяется профилем развала, образовавшегося после предыдущего цикла, и сильно зависит от структуры подготовленного забоя. Качественная подготовка обеспечивает плавные, «гладкие» траектории движения. Плохая же подготовка приводит к ломаным траекториям, частым заклиниваниям (стопорениям) ковша и существенным затруднениям в управлении.
Скоростные режимы и энергоёмкость
Исследования показывают, что средняя скорость движения ковша при черпании взорванной горной массы относительно невелика и обычно не превышает 0,6–0,7 м/с. Это значение существенно ниже скорости подъема ковша (vn) при работе в плотных породах, поскольку траектория включает как горизонтальный участок (внедрение), так и вертикальный (вывод ковша). Согласно Правилам технической безопасности, при хорошей подготовке скального забоя его высота может значительно превышать максимальную высоту черпания, достигая значения H3 < 1,5Hmax. Для эффективной работы рекомендуется соотношение рабочих скоростей напора и подъёма, близкое к единице (vH/vn ≈ 1).
Энергоёмкость всего процесса копания — то есть количество энергии, затрачиваемой на единицу объёма разработанной породы, — является переменной величиной. Она зависит от целого ряда факторов: физико-механических свойств и структуры самой породы, конструктивных особенностей рабочего органа (ковша) и других условий проведения работ.