CC BY
47
© Л.В. Якубснко, Б.С. Гулямов, 2008
УДК 622.271:504.06
Ё.В. Якубенко, Б.С. Гулямов
СИСТЕМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ ОТКРЫТОЙ РАЗРАБОТКИ ТЕХНОГЕННЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
Семинар № 16
Проблема технологических отходов возникла с переходом общественного производства с этапа натурального производства на этап интенсивного применения. С развитием промышленности росло количество технологических отходов. Особенно это относится к горнодобывающей и перерабатывающей отраслям.
Г орно-обогатительные комбинаты в своём большинстве характеризуются наличием очень больших по объёмам и занимаемым площадям накопителей минеральных отходов (отвалов и хво-стохранилищ), в которых сосредоточены значительные скопления полезных компонентов и которые могут рассматриваться как техногенные месторождения. Оставаясь непригодными для последующего использования нередко в течение десятилетий, эти отходы по мере совершенствования технологии обогащения и применяемого для этих целей оборудования, уже имеют или могут в будущем приобрести большое промышленное значение. Учитывая при этом их негативное воздействие на экологическую обстановку горнопромышленных регионов и отсутствие, в большинстве случаев, свободных территорий и средств для строительства новых отвалов и хвостохранилищ, решение вопросов по их разработке уже давно стало особенно актуальным [1].
Эффективные технологические схемы освоения техногенных месторождений могут быть разработаны лишь при условии достоверного установления зависимостей изменения свойств слагающих пород во времени и пространстве; изучения, установления области применения и создания систематизации способов разработки техногенных месторождений.
Выполнение этих работ позволит выделить и сформулировать технологические задачи, отсутствие решения которых в настоящее время сдерживают процесс освоения техногенных месторождений. Кроме технологических, необходимо решить некоторые аспекты, касающиеся экономики освоения техногенных месторождений и проанализировать экологические вопросы, связанные с фактом существования на дневной поверхности крупнотоннажных накоплений отходов горнодобывающего производства, их утилизации, размещения вторичных хвостохранилищ и др.
Освоение техногенных месторождений представляет собой многоаспектную и комплексную проблему. Наиболее обоснованным подходом при ее решении является применение метода систематизации, основной смысл которого заключается в том, чтобы множество многопараметрических объектов разделить на ограниченное число однородных типов или
групп, идентичных по технологическим, инженерно-геологическим и другим свойствам. Систематизация должна представлять перечень признаков, характеристик и их значений, влияющих на эффективность освоения техногенных месторождений и выбор рациональной технологической схемы разработки.
В этой связи, в основу систематизации технологических схем открытой разработки техногенных месторождений должны быть положены следующие признаки: состояние массива на момент начала освоения, горнотехнические условия применения технологических схем, способы вскрытия и формирования рабочей зоны.
Систематизация технологических схем разработки техногенных месторождений построена с учетом иерархической значимости системационных признаков. В качестве признаков верхней иерархии (систем) приняты способы разработки по показателю устойчивого состояния массива, который отражает несущую способность породного основания. Подсистемами являются способы разработки техногенного месторождения в зависимости от его обводненности.
Следующими по иерархии являются типы и подтипы. В этом случае типы отражают способ вскрытия месторождения и расположение вскрывающих выработок в контурах месторождения, а подтипы - формирование рабочей зоны и развитие фронта горных работ.
Систематизация технологических схем открытой разработки техногенных месторождений представлена в виде таблицы (табл. 1).
В работе [2] представлена классификация технологических схем освоения техногенных месторождений, позволившая установить степень разработки методической базы для опре-
деления их основных параметров. Систематизация технологических схем вызвана не только необходимостью их дальнейшего упорядочения, но и с целью установления взаисмос-вязи между состоянием массива по фактору обводненности и, как следствие, его несущей способности породного основания со способами разработки техногенного месторождения, каждому из которых соответствуют определенное вскрытие и формирование рабочей зоны.
Исходя из особенностей состояния техногенного массива, несущей способности его породного основания и технологии разработки этого месторождения, все способы разделены на три группы, которые условно названы «сухими», «влажными» и «мокрыми».
Как следует из систематизации, разработка технологических схем производства горных работ неразрывно связана с целым комплексом факторов. В основе разработки технологических схем, во-первых, должна лежать достоверная информация о свойствах пород, строения и состояния массива; во-вторых - возможность и особенности применения в этих условиях конкретного экскава-ционного и транспортного оборудования; в-третьих - учет и использование накопленного на настоящее время передового производственного опыта и научно-технического потенциала; в-четвертых - соблюдение экономичности разрабатываемых технологических систем; в-пятых - использование существующего серийного горно-транспортного оборудования.
Одним из важных факторов для разработки технологических схем является определение несущей способности породного основания техногенных месторождений.
256
Таблица 1
Систематизация технологических схем открытой разработки техногенных месторождений
Система Подсистема Тип Подтип
Способ разработки техногенного месторождения по показателю обводненности -устойчивости породного основания Способ разработки по фактору влажности массива Способ вскрытия массива по фактору расположения вскрывающих выработок Способ формирования рабочей зоны технологической схемы
1 2 3 4
А. Устойчивое состояние массива по всей его мощности А-С. «Сухой» массив - «сухой» способ его разработки А-С-1. Приконтурное расположение траншеи А-С-1-1. Одностороннее развитие фронта горных работ с формированием рабочей зоны по всей мощности массива
А-С-11. Центральное расположение траншеи А-С-11-2. Двухстороннее развитие фронта горных работ с формированием рабочей зоны по всей мощности массива
А-С-111. Центральное расположение котлована А-С-111-3. Радиальное развитие горных работ с формированием рабочей зоны по всей мощности массива
Б. Устойчивая верхняя часть массива, нижняя - неустойчивая Б-В. «Влажный» массив - «комбинированный» способ разработки Б-В-1. Приконтурное расположение траншеи Б-В-1-4. Одностороннее развитие фронта горных работ с послойной отработкой массива.
Б-В-11. Центральное расположение траншеи Б-В-11-5. Двухстороннее развитие фронта горных работ с послойной отработкой массива
В. Неустойчивое состояние массива В-М. «Мокрый» массив - «гидравлический» способ разработки В-М-11. Центральное расположение траншеи В-М-11-5. Двухстороннее развитие фронта горных работ с послойной отработкой массива
В-М-1У. Без проведения вскрывающих выработок В-М-1У-4. Одностороннее развитие фронта горных работ с послойной отработкой массива
Несущая способность породного основания под опорными элементами экскаваторов определяется по формуле, соответствующей разработкам проф. К. Терцаги [3], для определения предельной критической нагрузки от ленточного равномерно нагруженного фундамента (плоская задача), а именно:
Яо =-гУ Нг + С • Нс + Я •
(1)
где М Мс, N - безразмерные величины, зависящие от угла внутреннего трения грунта или коэффициенты несущей способности; С - сцепление грунта, т/м2; д0 - несущая способность пород, т/м2; д - интенсивность пригрузки на поверхности перемещения машины, т/м2; у- плотность грунта, т/м3; Ь - ширина лыжи или диаметр базы экскаватора, м.
Рис. 1. Номограмма взаимосвязи физико-механических характеристик техногенных пород: угла внутреннего трения - р сцепления - с; плотности - у, влажности - IV
В этой формуле при-грузка д, которая появляется при заглублении опорного основания (в случае фундамента), отсутствует, в связи с чем д ■ Мд = 0. (2)
На основании проведенных исследований разработана номограмма (рис. 1), отражающая изменение во времени (после завершения эксплуатационного периода шламохранилища) таких физико-механических свойств техногенного массива как: влажность, плотность, сцепление, угол внутреннего трения пород. Анализ номограммы показывает, что эти физико-механические свойства взаимосвязаны и изменяются в зависимости от степени их обводнённости.
Как показывает зависимость V основная группа пород, слагающих массив, переходит в разряд «сухих» через 10 лет после окончания формирования техногенного массива с определённой остаточной влажностью, присущей каждому типу пород.
На графике у = ! (Ш) отражено
изменение плотности пород с увеличением их влажности. Пиковое значение плотности соответствует оптимальному значению влажности. Дальнейшее увеличение влажности приводит к фазовому переходу породы в текучее состояние.
При определении несущей способности породного основания техногенного массива установление параметров р, с, у осуществляется следующим образом: в соответствии с длительностью периода после окончания формирования месторождения (или влажностью его пород - Щ по номограмме в соответствии со стрелками определяется плотность - у; сцепление - С и угол внутреннего трения пород - р.
Затем в соответствии с полученными значениями этих параметров по табл. 2 определяются значения коэффициентов несущей способности.
В соответствии с полученными данными несущая способность определяется по формуле 1.
Коэффициент запаса несущей способности пород при статической нагрузке на несущую поверхность определяется как:
кз = % (3)
Я„
где: дн - удельная нагрузка под опорными элементами оборудования, т/м2.
При выполнении рабочих операций экскаваторов появляется дополнительная нагрузка на их опорные поверхности. В этом случае коэффициент запаса несущей способности равен:
кз = (4)
Ямп
где дмп - удельная нагрузка под опорными элементами с учетом вне-центренной нагрузки при выполнении рабочих операций, т/м .
ЬР (5)
Ямп = Яп + (5)
где Р - вес ковша с породой или максимальное усилие на режущей кромке ковша, т; Ь - максимальный радиус черпания, м; Ш - момент сопротивле-
ния опорных поверхностей относительно их симметрии, т.м.
Величина Щ определяется в зависимости от формы опорных поверхностей. При круглой форме базы экскаватора
ПГ3
Ш = П_, (6)
где: г - радиус базы экскаватора, м.
При прямоугольной опорной поверхности Ь12
Ш = (7)
6
где Ь - ширина опорной поверхности, м; I- ее длина, м.
На основании приведенных в этом разделе исследований по установлению физико-механических характеристик пород техногенного массива шламохранилища, известных технических параметров экскаваторов-драглайнов и мехлопат, определим область их применения при различной степени обводненности техногенного месторождения, которое может быть сухим, влажным или мокрым.
Результаты расчетов по определению несущей способности породного основания - да, удельной нагрузки под опорными элементами с учетом вне-центренной нагрузки - дмп, коэффициента запаса несущей способности -к3 для различных типов экскаваторного оборудования представлены в табл. 3, 4, 5.
Таким образом, как показывают данные расчетов, устойчивая работа на сухих и влажных техногенных массивах (коэффициент запаса несущей способности кз > 1) обеспечивается для экскаваторов-драглайнов ЭШ-4/40, ЭШ-5/45, ЭШ-15/70, ЭШ-15/90 с шагающим ходовым устройством. Экскаваторы-мехлопаты с емкостью ковша до 3 м3 (Э-801, Э-1251, Э-1252, Э-2005) с гусеничным
259
Таблица 2
Значения коэффициентов несущей способности Nr, N0, Nq для случая плоской задачи
Коэффициент несущей способности 5 7 9 11 13 15 17 19 12 23 25 27 29 31 33 35
N. 1 2 0,05 0,06 0,27 0,33 0,42 0,51 0,61 0,75 0,92 1,12 1,02 1,25 1,33 1,62 1,74 2,12 2,35 2,87 3,07 3,75 4,10 5,00 5,22 6,37 7,17 8,75 10,25 12,50 14,35 17,50 19,98 24,37
N 1 2 5,17 6,31 7,27 8,8 8,2 10 9,02 11 10,25 12,5 11,17 13,6 12,3 15 14.2 17.3 15,3 18,7 17,93 21,85 20,5 25 23.1 28.1 17.6 33.7 31,77 38,75 37,92 46,25 45,10 55
N 1 2 1,11 1,35 2.05 2.5 2,44 3 2,76 3,37 3,58 4,37 4,10 5 4,81 5,87 6,15 7,5 7,17 8,75 8,71 10,62 10,2 12,5 12,3 15 16,4 20 20,5 25 25,62 31,25 33,82 41,25
Примечание. Таблица заимствована из СНиП П-15-74, гл.15. При значениях коэффициентов в строке 1 - лыжи, 2 - база.
Таблица 3
Значение параметров цмп, кз для экскаваторов-драглайнов
с шагающим ходовым устройством_______________________________
Состояние техногенного массива Коэф- Экскаваторы
по фактору влажности фициент ЭШ - 4/40 ЭШ - 5/45 ЭШ - 10/70 ЭШ -15/70 ЭШ - 15/90
Сухое с = 0,25 т/м2 Яс 41,98 43,3 52,21 63,78 71,35
р = 30° Ямп 26,00 29,72 53,55 43,64 37,66
у = 1,675 т/м3 к3 1,61 1,46 0,98 1,46 1,89
Влажное с = 0,2 т/м2 Яс 30,13 31,12 37,66 46,17 51,13
Р = 27,5° Ямп 26,00 29,72 53,55 43,64 37,66
у = 1,875 т/м3 кз 1,16 1,05 0,7 1,06 1,37
Мокрое с = 0,15 т/м2 Яс 21,79 22,5 27,39 33,75 37,87
Р= 25° Ямп 26,00 29,72 53,55 43,64 37,66
у = 1,95 т/м3 кз 0,84 0,75 0,51 0,78 1,01
Примечание. с - сцепление пород; р - угол внутреннего трения; у - плотность пород.
Таблица 4
Значение параметров qo, ям„, к3 для экскаваторов-драглайнов с гусеничным ходовым устройством
Состояние техногенного мас- Э - 801 СЧ N 1 1 - - ЭЭ Э - 2005 СО - Э С ЭКГ-4,6
сива по фактору влажности Емкость ковша 1,0 м3 1,25 м3 2,0 м3 3,0 м3 4,0 м3
Сухое с = 0,25 т/м2 Яс 11,8 12,42 13,26
Р II 3 о о Ямп 13,24 16,65 20,00 - -
Г = 1,675 т/м3 к3 0,89 0,75 0,66 - -
Влажное с = 0,2 т/м2 Яс 8,06 8,43 9,13
Р = 27,5° Ямп 13,24 16,65 20,00 - -
у = 1,875 т/м3 кз 0,61 0,51 0,46 - -
Мокрое с = 0,15 т/м2 Яс 5,48 5,76 6,8
Р II 2 сл о Ямп 13,24 16,65 20,00 - -
у = 1,95 т/м3 кз 0,41 0,35 0,31 - -
ходовым устройством могут устойчиво работать только на сухих шламо-хранилищах. Экскаваторы-драглайны на гусеничном ходу для отработки шламохранилищ при любом состоянии техногенного массива по фактору влажности непригодны (табл. 4, 5).
После выбора типа забойного оборудования определяют способ вскрытия, параметры и способ формирования рабочей зоны выбранной технологической схемы открытой разработки техногенных месторождений, на основе действующих норм технологического проектирования.
Под вскрытием техногенного месторождения понимается проведение выработок или сооружение подъездов для обеспечения транспортной связи от поверхности земли до техногенной залежи полезного ископаемого. Применительно к условиям залегания техногенных месторождений учтен опыт вскрытия рассыпных залежей, согласно которому возможно вскрытие без проведения вскрывающих выработок.
Исходя из анализа состояния массива, особенностей технологии и комплексной механизации освоения техногенных месторождений, все технологические схемы по способу разработки при их систематизации включают три группы, которые условно называют «сухими», «комбинированными» и «гидравлическими».
Технологические схемы, предусматривающие «сухие» способы разработки, систематизируются по применяемому забойному и транспортному оборудованию и включают различные комбинации следующего горнотранспортного оборудования:
- экскаватор типа «механическая лопата», погрузчик и автомобильный транспорт;
- экскаватор непрерывного действия (роторный, цепной) и конвейерный транспорт;
- драглайн, передвижной бункер с питателем и конвейерный транспорт (колесный транспорт);
- колесные скреперы, бульдозеры, погрузчики, кабельные экскаваторы
Таблица 5
Значение параметров qo, ям„, к3 для экскаваторов-мехлопат с гусеничным ходовым устройством
Состояние техногенного мас- Э - 801 Э- 1251, Э - 1252 Э - 2005 СО - Э С ЭКГ - 4,6
сива по фактору влажности Емкость ковша 1,0 м3 1,25 м3 2,0 м3 3,0 м3 4,0 м3
Сухое с = 0,25 т/м2 Яс 11,8 12,42 13,26 13,99 15,45
Р II 3 о о Ямп 9,34 10,92 11,34 14,4 15,8
у = 1,675 т/м3 кз 1,26 1,14 1,17 0,97 0,98
Влажное с = 0,2 т/м2 Яс 8,06 8,43 9,13 9,66 10,74
Р = 27,5° Ямп 9,34 10,92 11,34 14,4 15,8
у = 1,875 т/м3 кз 0,86 0,77 0,8 0,67 0,68
Мокрое с = 0,15 т/м2 Яс 5,48 5,76 6,28 6,68 7,48
Р II 2 сл о Ямп 9,34 10,92 11,34 14,4 15,8
у = 1,95 т/м3 кз 0,59 0,53 0,55 0,46 0,47
без транспортного оборудования или с колесным транспортом.
Технологические схемы, предусматривающие «комбинированные» способы разработки включают экскаваторные и гидравлические способы в сочетании с колесным или гидравлическим транспортом.
Технологические схемы, предусматривающие «гидравлические» (мокрые) способы разработки, систематизируются с учетом метода размыва или разработки массива техногенного месторождения и способа транспортирования:
- гидравлический, с использованием земснарядов, гидромониторов, землесосов, драг и гидротранспорта.
Систематизация технологических схем, включающая «сухие» и «комбинированные» способы разработки техногенных месторождений в свою очередь может подразделяться по условиям работы экскавационного
оборудования и места их установки:
- с верхним или нижним черпанием;
- с разбивкой на два и более по-дуступов;
- с управляемым обрушением массива;
- с предварительной предэкскава-ционной обработкой массива для облегчения его разработки.
В заключении следует отметить важность учета экологического фактора при освоении техногенных месторождений. При анализе природных и техногенных скоплений минерально-сырьевых ресурсов и оценке первоочередности их освоения необходимо также исходить из степени их экологической опасности. При этом безусловным является требование рекультивации территории техногенного месторождения и экологической реабилитации сопредельных территорий.
1. Трубецкой К.Н., Шапарь А.Г. Малоотходные и ресурсосберегающие технологии при открытой разработке месторождений. - М.: Недра, 1993. - 272 с.
2. Шапарь А.Г., Копач П.И., Якубенко Л.В., Гулямов Б. С. Технологические аспекты разработки техногенных месторождений на базе шламохранилищ//Горн. информ.-
ан. бюл. №9. - М.: издат. Моск. горн. унта, 2006, С. 259-267.
3. Терцаги К., Пек Р. Механика грунтов в инженерной практике (перевод с англ. А. В. Сулимо-Самуйло). Под ред. проф. М.Н. Гольдштейна, Госстройиздат, М., 1958. ЕШЗ
— Коротко об авторах---------------------------------------------------------------
Якубенко Ё.В. - кандидат технических наук, старший научный сотрудник Гулямов Б.С. - соискатель,
Институт проблем природопользования и экологии НАН Украины, г. Днепропетровск
Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 16 симпозиума «Неделя горняка-2007». Рецензент д-р техн. наук, проф. B.C. Кузьмин.
---------------------------------- ДИССЕРТАЦИИ
ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ
Автр Название ра^ты Специальтсть Ученая степень
РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. СЕРГО ОРДЖОНИКИДЗЕ
ИВЧЕНКО Сергей Николаевич Обоснование геотехнологии комплексного извлечения полезных компонентов из налегающих минерализованных пород Нерюнгринского угольного разреза 2Б.00.22 к.т.н.
