Об оптимизации параметров разгрузки бульдозера при разведке многолетнемерзлых россыпей траншеями в летний период Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

□

□

УДК 550.8(075:8)

Г.И. Попов, Ю.А. Хохолов, В.А. Шерстов, А.Ю. Захарова

ОБ ОПТИМИЗАЦИИ ПАРАМЕТРОВ РАЗГРУЗКИ БУЛЬДОЗЕРА ПРИ РАЗВЕДКЕ МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ РОССЫПЕЙ ТРАНШЕЯМИ В ЛЕТНИЙ ПЕРИОД

На основании выполненных расчетов установлены оптимальные расстояния транспортировки горной массы в зависимости от толщины оттаявшего слоя, при котором отвал бульдозера полностью заполняется породой.

Траншейный способ применяется главным образом для разведки мелкозалегающих россыпей (с мощностью отложений до 6 м), характеризующихся сложными горно-техническими условиями ведения разведочных работ. Он позволяет получать наиболее достоверные данные о содержании и запасах металла и производить переоценку объектов, увеличивать запасы месторождений благодаря более точному определению параметров промышленной части россыпи, избегать излишних затрат на доразведке россыпей после их отработки [1].

Преимущество траншейного способа перед шурфов-кой заключается в создании благоприятных условий опробования выработок и детального изучения россыпей путем наблюдения за литологическим составом отложений непосредственно в разрезе. Он позволяет использовать на проходке и опробовании выработок землеройные машины и промывочные приборы. Это обеспечивает, с одной стороны, снижение трудоемкости, удешевление работ и повышение эффективности разведки, с другой, -улучшает условия труда и делает их более безопасными.

Вследствие высокой эффективности его следует применять при разведке сложных по своему геологическому строению месторождений, на залегающих в трудных горно-технических условиях, на мелкозалегающих россыпях (с глубиной до 6 м) при детальных работах и проведении предварительной разведки. В комплексе с геофизическими исследованиями, позволяющими устанавливать глубину рыхлых отложений, траншейный способ следует применять с самого начала разведки месторождений, то есть с проведения поисковых разведочных линий [1].

Способ заключается в проведении обычных канав, расположенных поперек россыпи. Траншеи располагаются с таким расчетом, чтобы рельеф местности и плотик россыпи обеспечивали естественный сток воды. Если этого достигнуть не удается, то вопрос водоотлива решается в зависимости от конкретной обстановки путем проход-

ки водоотводных канав или применения водоотливных установок. Для выбора удобного места заложения траншей с точки зрения обеспечения естественного стока воды разрешается переносить выработку вверх или вниз по долине не более чем на 50 м.

Проходка разведочных траншей осуществляется в летнее время с использованием естественной оттайки мерзлых пород, при этом, в основном, применяются бульдозеры, реже колесные скреперы, экскаваторы.

Перед их проведением выполняется расчистка от леса, кустарника, кочек, при этом желательно на бортах траншей оставить растительный слой, предохраняющий их от таяния и осыпания.

При проектировании составляют инструментально привязанный и пронивелированный профиль траншеи (геологический разрез), план участка масштаба 1:2000 ниже и выше траншеи с отображением мерзлотно-гидрогеологических данных, проток и стариц, растительности. С целью максимального сокращения горно-подготовительных работ траншеи в зависимости от рельефа местности проходят «змейкой», «елочкой», ломаной линией, прямолинейно. Их рекомендуется закладывать в непосредственной близости от ранее пройденных буровых и шурфовочных линий [1].

Расстояния между траншеями несколько разрежены по сравнению с линиями УКБ. Протяженность их регулируется шириной промышленного контура, длиной секции, интервалами отбора бороздовых проб и объемом валовых.

Параметры траншейной сети, применяемые в практике геолого-разведочныхработ, приведены в табл. 1 [1].

Таблица 1

Ширина россыпи, м Категория С!

Расстояние между траншеями Длина секции при валовом опробовании, м Расстояние между бороздовыми пробами, м

До 50 100-200 10-20 5-10

50-100 200-300 20 10

Более 100 200-400 20-40 10-20

У 27

На разведке узких россыпей наиболее рациональна прямолинейная секционная схема проходки, широких -«елочкой».

На некоторых предприятиях при разведке широких россыпей траншейным способом применяется следующая разведочная сеть [1]:

• при ширине россыпи 200-400 м расстояние между траншеями принято 400-600 м, и проходят пунктирные секции (прерывистые) по 40 м через 40 м;

• при ширине россыпи более 400 м расстояние между траншеями 600-800 м, проходят пунктирные секции по 40 м через 40 м.

Практически в условиях Севера траншеи с глубиной до 4 м целесообразно проходить механизированным способом на оттайку и с частичным рыхлением пород, авсе операции по отбору и промывке проб завершают в течение 6 месяцев (май-октябрь).

Проходка же траншей глубиной 6-7 м на оттайку с помощью бульдозеров осуществляется в 2 этапа (с перерывом) в 1,5 года. На первом этапе вскрывают торфы до 4 м (май-октябрь). Затем консервируют траншеи на зиму (перерыв: ноябрь-апрель). В мае-октябре следующего года производят добивку, опробование и промывку проб. При летней добивке траншей пески подают бульдозером непосредственно к передвижному промприбору.

При выборе сечения траншей следует исходить из мощности рыхлых отложений (глубины траншей), их состава и состояния, а также способов проходки (с учетом угла естественного откоса не менее 450 в летнее время и 65-70° зимой) [2]:

а) при мощности рыхлых отложений до 5 ми добивке траншей бульдозерами ширину по полотну следует предусматривать из расчета 1,25-1,5 ширины отвала бульдозеров;

б) при мощности рыхлых отложений более 5 м либо обильной обводненности пород ширина траншей по полотну может в 2 раза превышать ширину отвала бульдозера.

Схема проходки разведочной траншеи определяется физическим состоянием пород и видом применяемой землеройной машины. Для бульдозера наиболее экономична схема проходки траншей в виде «елочки» с нарезкой выездных траншей для выдачи торфов на один борт траншеи, песков - на другой (рис. 1).

Углубка траншей начинается с наиболее низкой части долины для обеспечения стока воды (русла реки, ручья или отработанного полигона). Траншеи по торфам до глубины 1,5-2,0 м проходятся бульдозером путем выполажи-вания бортов поперечными ходами. Угол подъема выездов и отвалообразования принимается равным 12°.

Технологическая схема проходки разведочных траншей бульдозерами выбирается в зависимости от рельефа местности, длины, глубины и взаимного расположения выработок. Обычно выработки длиной до 30 ми глубиной до 3 м проходят с выдачей породы в отвал, расположенный в противоположном торце выработки.

Проходка траншей длиной более 30 м, расположенных под углом к направлению склона местности, осуществляется по схеме с расположением породных отвалов в на -правлении понижения склона. При проведении длинных траншей вдоль склона пли на горизонтальной местности породные отвалы располагают, как правило, с обеих сторон выработки.

При глубине траншей свыше 3 ми значительной их длине, бульдозерные работы в большинстве случаев выполняются в следующем порядке. Вначале проходят секцию выработки определенной длины, расположенную в конце канавы. Порода из этой секции транспортируется бульдозером в торцовый отвал. Затем производятся уг-лубка в коренные породы и опробование пройденной секции. После этого начинают проходку следующей секции, при этом породная масса транспортируется в ранее пройденную секцию и т. д.

Фактическая производительность бульдозера в большинстве случаев ниже нормативной, особенно это характерно для ило-, льдонасыщенных и валунистых пород. Оттаявшие породы с высокой влажностью препятствуют проникновению лучистой энергии к поверхности мерз -лоты, поэтому для накапливания талого слоя требуется много времени. Оттаяв, эти породы плывут, что значительно снижает производительность бульдозеров [3, 4].

Рис. 1. Схема проходки разведочной траншеи бульдозером по торфам путем выполаживания бортов выработки поперечными ходами

Технические характеристики наиболее широко распространенных на геолого-разведочных работах бульдозеров приведены в табл. 2 [5].

Таблица 2

Показатели Модель бульдозера

Д3-37 ДЗ-42 ДЗ-101 ДЗ-104 ДЗ-27С ДЗ-9Б

Базовая машина МТЗ-50 ДТ-75 Т-4АП2-а Т-4А112-С1 Т-130а Т-140

Отвал:

тип Неповоротный Неполноповоротный

ширина, мм 2100 2520 2680 3280 3200 3350

высота, мм 810 950 954 990 1300 1400

Масса, т 3,44 6,51 9,94 10,285 15,4 17,7

Естественное оттаивание с применением периодического снятия талого слоя пород применяется во всех случаях, когда требуется ускорить оттаивание пород на максимальную мощность. Изменение глубины оттаивания по месяцам при удалении талого слоя в разные сроки и без удаления его показаны на рис. 2 [3]. На участках, где ежесуточно удаляется талый слой, величина суточного оттаивания составляет 10,4 см, а в солнечные теплые дни она достигает 20 см и более. Общая глубина оттаивания за

сезон достигает 10 м. На участках же, где талый слой не удаляется, величина суточного оттаивания составляет 1,4 см (в 7,5 раз ниже), а общая глубина оттаивания не превышает 1,4 м.

В табл. 3. приведены данные, характеризующие глубину оттаивания в разное время суток при ежесуточном удалении талого слоя применительно к условиям россыпей Центральной Колымы при влажности пород аллювиальных отложений 10-15%.

Рис. 2. График изменения глубины И естественного оттаивания пород в мае (I), июне (II), июле (Ш) и августе (IV):

1 - при ежесуточном удалении талого слоя; 2 - при удалении талого слоя через трое суток; 3 - то же через пять суток; 4 - без удаления талого слоя

Таблица 3

Период оттаивания Среднее оттаивание (см) в течение Максимальное оттаивание (см) в течение Минимальное оттаивание (см) в течение

дня ночи суток дня ночи суток дня ночи суток

Май (II половина) 6,4 0,5 6,9 7 2,5 9,5 2,5 0 2,5

Июнь 10,8 4,1 14,9 16 8 24,0 7,0 2,0 9,0

Июль 11,9 5,1 17 16 8 24,0 5,5 2,0 5,5

Август 9,2 1,4 10,6 17,6 5 22,5 5,0 0,2 5,2

Сентябрь 3,4 0,05 3,5 7,5 0 7,5 0,7 0 0,7

Как видно из табл. 3, глубина оттаивания за ночное время в среднем составляет 25-27% суточной глубины оттаивания. В мае и сентябре оттаивание в ночное время почти не наблюдается. Это объясняется резким уменьшением теплого потока в верхние слои почвы. В августе глубина суточного оттаивания на 25-30% меньше, чем в июне-июле, однако она обеспечивает нормальную организацию вскрышных работ.

Послойное естественное оттаивание позволяет успешно разрабатывать в течение сезона мерзлые породы на глубину 6-8 м.

Исследованиями [2] установлено, что эффективная работа бульдозеров возможна при толщине талого слоя не менее 0,1 м.

Зная мерзлотно-геологические характеристики полигонов, можно с помощью теплофизических расчетов обосновать оптимальный режим послойного оттаивания, обеспечивающий наиболее эффективное в данных условиях использование землеройной техники.

Для облегчения проектирования вскрышных работ в условиях Северо-Востока возможно пользоваться графиком (рис. 3).

ь0,см

ШШ

т

60

60

20

1

// \:/л

4' /Ї/

£ ¿А 'Ф

М у

Щ/ .

Ж

V у/ &

ш

и

щ

ш

ч

ш

а

|

V

& ✓ , ——"

ж

і „

¿5^ Г

Ж г---

\ і

100 250 .100 400 500 600 0 I00 200 300 Ш 500 і0,ч

Рис. 3. График зависимости мощности Ьо оттаиваемого слоя от продолжительности ^ оттаивания на побережье Чукотского моря (сплошные кривые) и в верховьях р. Колымы (пунктир): а - для гравия и гальки льдистостью 125 кг/м3; б - для гравия и гальки льдистостью 250 кг/м3; в - для супеси щебенистой льдистостью 400 кг/м3; г - для суглинка оторфованного льдистостью 600 кг/м3; У-ГХ - май-сентябрь

Производительность работы бульдозеров зависит от объема вала породы, перемещаемой за один заезд и мощности талого слоя. Объем вала, толщина срезания слоя, ширина ножа отвала и расстояние, обеспечивающее набор его породой, связаны между собой зависимостью [2]:

V =Ь,В И

(1)

где Vв - объем вала породы, м3; Ь1 - расстояние, обеспечивающее набор отвала породой, м; Вн - ширина отвала бульдозера, м; И, - толщина срезаемого слоя породы, м.

Откуда минимально необходимый слой талых пород, обеспечивающий нормальную работу машин (при оптимальной длине набора), определится по формуле:

V (2)

¿А

Численные значения минимально необходимого слоя талых пород (сгруппированных по технологическим признакам в шесть групп) для бульдозеров мощностью до 140 л.с. характеризуются следующим образом [3].

I группа. Торф с небольшим содержанием гравийно-галечного материала и глины, льдонасыщенные илы, 6-7 см.

II группа. Галечно-щебеночный материал, крупный песок, слабо связанные илисто-глинистой примазкой, при наличии крупных включений не более 3%, 7-8 см.

Ш группа. Разрушенные песчано-глинистые сланцы, галечно-щебеночный материал, сцементированные илом и глиной, крупные включения отсутствуют, 8-9 см.

IV группа. Крупнообломочный материал песчаников, плитняк глинистых сланцев размером до 200 мм (15-20% объема), мягкая глина, льдонасыщенные суглинки и илы, 10-11 см.

V группа. Крупнозернистый песок, гравий и щебень с небольшим содержанием глинистого материала при наличии булыжников и валунов до 20% объема, 11-13 см.

VI группа. Жирная глина, тяжелый суглинок и моренные отложения с наличием галечно-щебеночного материала и крупных включений с размером в поперечнике ЗОО-ТОО мм до 25-30% объема, 15-17 см.

Проведенные исследования позволили определить время, требующееся для накапливания минимального талого слоя по группам пород. Установлено также, что с увеличением минимально необходимой мощности талого слоя на 25-50% производительность машин повышается всего лишь на 4-7%, но резко сокращается число послойных срезок, и, следовательно, глубина сезонного понижения вскрышных работ уменьшается в 1,5-2,2 раза и более [4].

Прямослойное зарезание заключается в следующем. Заглубив отвал на 10-15 см, не меняя его положения, бульдозер движется вперед, срезая стружку породы на протяжении всего пути набора отвала. Путь набора породы при таком зарезании равен обычно 5-10 м, а объем породы, собираемой перед отвалом бульдозера ДЗ-8, составляет около 2 м3. Операция обычно проводится на первой и второй передачах, время - 15-20 с [4].

Работа бульдозера будет эффективной, если конец пути полного набора отвала оттаявшей породой совпадает с местом укладки пород. Тогда в этом случае потери пород при перемещении через бока будут минимальными. Объем породы перед отвалом можно определить по формуле [5]:

V = в • ^ (3)

2 • tga ’

где В - ширина отвала, м; к - высота отвала, м; а=35^60° - угол откоса породы перед отвалом.

Считая, что к концу пути полного набора отвала бульдозер снял весь оттаявший слой и достиг места складирования, и, приравнивая значения объема пород в формулах (1) и (3), находим рациональное расстояние, обеспечивающее полный набор отвала породой с минимальными потерями:

к 1 (4)

20

13

и г

її 3 и

V 1й

I &

1 = 14

ДЗ-37

ДО42

ДЗ-27С

ДО-Э&

12

10

1

. 1

V.

\ \ \\

ч\

I, \ ч X ^

ч>. ...

'---

0.05 0.1 0.15

Глуйима проіаивания, м

Рис. 4. Зависимость расстояния, обеспечивающего полный набор отвала породой, от глубины протаивания для отечественных бульдозеров

Зная глубину суточного протаивания мерзлых покрывающих пород, представленных в основном гравийно-галечным материалом, сцементированным песчано-глинистым заполнителем и в меньшей степени глинами и суглинками, в зависимости от температуры наружного воздуха и частоты снятия талого слоя можно определить оптимальное расстояние транспортировки талой породы с помощью бульдозера.

Используя данные табл. 3, по формуле (4) рассчитаем минимальные расстояния перемещения пород по месяцам для разных марок бульдозеров при ежедневном снятии протаявшего слоя (табл. 4).

Таблица 4

Бульдозеры Высота отвала, м Расстояние по месяцам, м

Май Июнь Июль Август Сентябрь

Д3-37 0,81 4/6 2/3 2/3 3/4 9/12

ДЗ-42 0,95 6/8 3/4 2/3 4/5 12/16

ДЗ-101 0,954 6/8 3/4 2/3 4/5 12/17

ДЗ-104 0,99 6/9 3/4 3/4 4/6 13/18

ДЗ-27С 1,3 11/16 5/7 5/6 7/10 22/31

ДЗ-95 1,4 13/18 6/8 5/7 8/12 25/36

2 • к1 • tga где к1 - толщина талого слоя, м.

На рис. 4 приведены зависимости расстояния перемещения от глубины протаивания для разных типов отечественных бульдозеров.

Например, при глубине суточного протаивания 0,1 м бульдозер марки ДЗ-95 с высотой отвала 1,40 м может срезать оттаявший слой и переместить его без потерь на расстояние 10 м, а бульдозер Д3-48 с высотой отвала 0,25 м - только на расстояние 5 м.

* - числитель - районы центральной Колымы, знаменатель - районы Заполярья

Следует отметить, что величины суточного протаивания пород россыпных месторождений Заполярья в 1,41,6 раза меньше значений, характерных для условий Центральной Колымы. Это связано с тем, что в условиях Заполярья значительно меньше солнечная инсоляция и ниже среднесуточные температуры атмосферного воздуха, а также и тем, что слагающие россыпные месторождения

породы представлены, в основном, илами и супесями, имеющими меньшую теплопроводность по сравнению с гравийно-галечными отложениями.

Таким образом, используя значения табл. 4, можно определить минимальные расстояния перемещения оттаявшей породы в зависимости от времени года при ежедневном снятии протаявшего слоя.

Литература

1. Агейкин А.С., Байрон И.Ю., БеккерА.Г. и др. Методичес-

кое руководство при разведке россыпей золота и олова. Магадан: Магаданск. кн. изд-во, 1982. 218 с.

2. Сулин Г.А. Техника и технология разработки россыпей открытым способом. М.: Недра, 1974. 232 с.

3. Кошлаков К.В. Опыт вскрышных работ с естественной оттайкой грунта / ВНИИ-1 золота и ред. металлов. Магадан, 1958. 36 с.

4. Клименко М.И, Сулин Г.А. Разработка россыпных месторождений бульдозерами. Магадан: Магаданск. кн. изд-во, 1967. 106 с.

5. Анистратов Ю.И. Технология открытых горных работ. М.: Недра, 1984. 287 с.

G.I. Popov, Yu.A. Hoholov, VA. Sherstov, A. Yu. Zacharova

Determination of optimal distance of buldozers unloading in summer period

On the base of the accomplished estimations the optimal distance of mining mass transportation depending on the thickness of thawed stratum when the buldozer's dump is fully filled with rocks are determined