CC BY
20
© С.А. Ермаков, Д.В. Хососв, 2012
УДК 622.02:622.793
С.А. Ермаков, Д.В. Хосоев
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАЗРАБОТКИ ВСКРЫШНЫХ ПОРОД И УГЛЕЙ КАНГАЛАССКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ ПУТЕМ ИХ РАЗУПРОЧНЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПАВ
Приведены состав, прочностные свойства пород и углей, применяемая технология отработки Кангаласского угольного месторождения. Выполнены экспериментальные исследования прочностных характеристик вскрышных пород с использованием поверхностно-активных веществ (ПАВ). Показано, что их применение позволяет снизить прочность мерзлых пород в несколько раз и тем самым обеспечить их безвзрывную разработку.
Ключевые слова: безвзрывная технология, угольное месторождение, поверхностно-активные вещества (ПАВ), прочность, разупрочнение, угольные комбайны.
В настоящее время большинство угольных месторождений Якутии разрабатывается с использованием цикличной технологии с буровзрывной подготовкой, автомобильным транспортом горной массы. При этом качественные показатели горного производства, монотонно ухудшаются, растет загрязнение окружающей среды вредными выбросами.
Одним из таких месторождений является Кангаласское буроугольное месторождение, расположенное в 40 км от г. Якутска. Разведанная площадь которого составляет 12,1 км2. Всего на площади месторождения выявлено более 5,2 млрд т энергетических углей.
В настоящий момент месторождение отрабатывается по комбинированной технологии. Бестранспортная вскрыша над пл. «Верхний», транспортная вскрыша - на отработке междупластья. Уголь из разреза вывозится автотранспортом потребителей. Годовая добыча угля в данное время составляет 160 тыс. т. На горных работах применяется буровзрывная подготовка, используются экскаватор ЭШ-10/70 (бестранспортная вскрыша) и мехлопаты ЭКГ-5А
на выемке междупластья и угля. Бурение скважин осуществляется станками СБШ-250МН, 3СБШ-200-60, СБР-160-А-24 и СВБ-2М.
Дальнейшее развитие Кангаласско-го разреза может быть связано с приходом железной дороги, когда значительно увеличатся его производственные мощности.
В настоящее время применение поточных технологий на базе ротор-но-конвейерных комплексов и погру-зочно-выемочных машин (комбайнов) является одним из перспективных путей повышения эффективности производства на карьерах.
Главным из основных факторов, оказывающих преимущественное влияние на эффективность и надежность эксплуатации горнодобычного оборудования являются прочностные свойства экскавируемых пород, в том числе и в зимний период.
Многолетнемерзлые горные породы в совокупности с низкими температурами воздуха оказывают существенное влияние на все технологические процессы разработки месторождений. Прочность мерзлых дисперс-
ных горных пород на порядок выше их прочности в талом состоянии, поэтому существующие технологии разработки предусматривают предварительное разупрочнение пород различными способами оттайки, либо рыхлением, с применением бульдозеров-рыхлителей или БВР [1].
Основные характеристики пород и угля месторождения приведены в табл. 1.
Все породы находятся в зоне мно-голетнемерзлых пород. Их температура колеблется в пределах от минус 2 до минус 3 °С. Мощность деятельного слоя составляет 2-3 м.
Основным критерием выбора добычных горнотранспортных машин является удельное сопротивление пород копанию (Ко). Для литологических разновидностей пород и угля месторождения Кго определено по методике УкрНИИпроекта [3]. Результаты аналитического определения свойств пород и угля, на базе лабораторных и натурных исследований, и расчетные показатели Кго сведены в табл. 2.
Ранее на месторождении были проведены натурные исследования Ко пород и угля в сезонно-мерзлом состоянии (минус 5-11,8 °С) по методу ДорНии и стендом «роторное колесо» на породах верхнего глинисто-песчаного слоя и на участке угольного пласта [4]. Итоговые значения Ко по режимам резания верхнего вскрышного слоя составили 1,7-3,2 МПа, а угольного массива - 2,4-3,6 МПа.
Разброс расчетных и экспериментальных значений Ко для сезонно-мерзлых пород и угля объясняется разницей температуры пород, а также тем обстоятельством, что при аналитических расчетах не учитываются такие безусловно объективные факторы, как хрупкость, наличие (до 6 %)
молекулярной влаги, замерзающей при температуре минус 7-8 °С и др.
Значительный рост сопротивления копанию при промерзании пород и углей диктует необходимость их разупрочнения для обеспечения возможности безвзрывной выемки. Возможным решением этого вопроса может быть использование поверхностно-активных веществ (ПАВ). Основные сложности с разработкой мерзлых грунтов в зимнее время связаны с самым верхним, деятельным слоем, разупрочнением которого, можно обеспечить оптимальные условия для его разработки.
В работе [5] рассмотрена возможность снижения прочности мерзлого массива химическим способом. При проведении эксперимента в грунт с влажностью от 2о до 5о %, непосредственно перед его промерзанием, вводили соляную кислоту концентрации 0,25-1,0 Н для интервала температур разрабатываемого грунта от минус о,5 °С до минус 25 °С. Как показали результаты выполненных экспериментальных исследований прочность пород в мерзлом состоянии снизилась на 4о-5о %.
Авторами проведены экспериментальные исследования по влиянию ПАВ на прочность мерзлых горных пород. Эксперименты проводились на искусственных образцах из вскрышных пород Кангаласского месторождения с использованием растворов ПАВ различной концентрации: карбонат натрия (Ыа2С03), хлорид натрия (ЫаС1) и водный раствор хлористого алюминия (Д1С13*6И20). Определение прочности на одноосное сжатие проводилось на 1о образцах кубической формы размером 5х5 см, при отрицательных температурах, в диапазоне от минус 3 до минус 2о градусов. Результаты исследований показаны в табл. 3.
Таблица 1
Состав и свойства пород и угля Кангаласского месторождения [2]
Наименование пока- Палеоген Нижний мел
зателя пески песчаники глины пески песчаники глины уголь
Объем в составе 50 40 10 6 86 8 —
стратиграфического
подразделения,% В том числе в общем 14 11 3 3 39 3,3 26,7
объеме вскрыши Коэф. крепости по шкале проф. Прото- 0,09— 0,28 0,12— 0,18 0,35 0,07 0,17 0,73 1,27
дьяконова, в талом
состоянии
Угол внутреннего — 26, — 34,9 — 35 — —
трения, град Сцепление, кг/см2 _ 30,9 0,1-0,2 0,05 _ 0,125
Таблица 2
Прочностные свойства пород и угля Кангаласского месторождения
Породы или уголь Прочность, осж МПа Удельное сопротивление копанию, МПа
сжатие растяж.
В талом состоянии
Четветичные пески с мелкой, окатанной галей 0,09 2,54 0,54
Песчаник мелкозернистый 0,39 4,57 0,67
Алевролит 0,21 0,69 0,98
Уголь (верхняя пачка) 0,12 11,0 1,29
Уголь (нижняя пачка) 0,14 11,9 1,51
Глина светло-серая (междупластье) 0,11 0,92 0,67
При температуре массива и образцов минус 3 5 С
Четветичные пески с мелкой, окатанной галей 0,49 8,9 1,44
Алевролит 0,55 16,5 1,67
Уголь (верхняя пачка) 0,62 2,5 1,42
Уголь (нижняя пачка) 0,21 0,14 1,57
Глина светло-серая 0,52 4,8 1,42
Таблица 3
Прочность образцов дисперсных пород, (асж) МПа
Растворы ПАВ и их концентрация Температура
-3°С -5°С -10°С -15°С -20°С
Без ПАВ 0,54 3 5,89 9,67 11,82
3 % На2С03 0,22 1,74 4,06 7,30 9,30
7 % №2С03 0 1,45 2,91 5,57 8
10 % №2С03 0 0 2,41 5,40 6,66
15 % №2С03 0 0 2,17 5,19 6,47
3 % №С1 0 0,88 3,11 6,22 8,30
7 % №С1 0 0,63 2,6 4,6 7,62
10 % №С1 0 0 0 1,82 4,45
15 % №С1 0 0 0 1,56 3,3
20 % №С1 0 0 0 0,87 3
1 %Д1С13х6И20 0,20 1,22 3,6 5,66 8,60
2 % А1С13х6И20 0 0,93 2,9 4,56 6,82
3 % А1С13х6И20 0 0,64 1,58 3,58 6,68
ература
Рис. 1. Изменение прочности дисперсных пород на одноосное сжатие при использовании Ма2С03
Рис. 3. Изменение прочности дисперсных пород на одноосное сжатие при использовании 3 % растворов ПАВ
Как показали результаты исследований, применение растворов ПАВ приводит к значительному снижению исходной прочности мерзлых дисперсных пород. Причем, чем больше концентрация ПАВ, тем больше происходит разупрочнение пород (рис. 1-2).
При применении Ыа2С03 в интервале температуры от -5 °С до -20 °С и концентрации ПАВ 3-15 % прочность снижается по отношению к исходному незасоленному грунту в 1,4-2 раза, а с ЫаС1 в 2-5 раз. При этом воздействие ПАВ более эффективно в диапазоне небольших отрицательных температур. Так при использовании 10 % Ыа2С03 в диапазоне температур от -30С до -50С, и 10 % ЫаС1 в интервале температур от -3 °С до -10 °С прочность образцов снижается до минимума.
Наибольшее снижение прочности образцов отмечено для водного рас-
1. Потемкин С. В. Оттайка мерзлых пород. — М.: Недра, 1991. — 160 с.
2. Ермаков С.А. Совершенствование геотехнологий открытой разработки месторождений севера: монография/ С.А. Ермаков, А.М. Бураков, И.И. Заудальский, С.В. Панишев- Якутск: ЯФ ГУ/. «Изд-во СО РАН», 2004. -370 с.
3. Владимиров В.М. Повышение производительности карьерных многоковшовых экскаваторов. / Владимиров В.М., Трофимов В.К. - М. Недра, 1980. - 318 с.
4. Экспериментальные исследования пород и углей Кангаласского месторождения
твора хлористого алюминия. Так, при использовании раствора AlCl3*6H2O 3 %-й концентрации при температуре -5°С исходная прочность пород снижается в 4,5 раза, а при -20°С в 1,7 раза (рис. 3), что в среднем в 1,2 — 2,7 раза больше в сравнении с использованием растворов NaCl и Na2CO3 этой же концентрации (рис. 3).
Таким образом показано, что использование ПАВ позволяет снизить прочность мерзлых пород в несколько раз и тем самым обеспечить их безвзрывную разработку с применением современного горнодобычного оборудования. Наиболее перспективным в данных условиях является применение комбайнов нового поколения типа VASM, WSM, KSM. Благодаря высоким значениям развиваемых усилий резания, эти машины могут успешно разрабатывать породы прочностью на сжатие до 60-80 МПа [6].
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
по критериям возможности их непрерывной экскавации. - Якутск: фонды ИГДС СО АН СССР, 1990. - 70 с.
5. Шишкин, Ю.П. Экспериментальные исследования безвзрывного разупрочнения многолетнемерзлых пород на алмазном месторождении / Шишкин Ю.П., Микулевич А.П., Бураков А.М. // Физико-технические проблемы. №5 - 1990.
6. Мировая горная промышленность. История. Достижения. Производство/ М.Н.Т.Ц. — М.: «Горное дело», 2005. — 520 с. гтттт?
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Ермаков Сергей Александрович — кандидат технических наук, заведующий лабораторией, [email protected]
Хосоев Доржи Владимирович — ведущий инженер, [email protected],
Институт горного дела Севера им. Н.В. Черского Сибирского отделения Российской академии наук.
