Обоснование периода перехода к разработке вскрышных пород высокими уступами при транспортной технологии Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 622.271.332

В.П. Макшеев, А.С. Ненашев, В.С. Федотенко

ОБОСНОВАНИЕ ПЕРИОДА ПЕРЕХОДА К РАЗРАБОТКЕ ВСКРЫШНЫХ ПОРОД ВЫСОКИМИ УСТУПАМИ ПРИ ТРАНСПОРТНОЙ ТЕХНОЛОГИИ

В научных трудах многих горняков-открытчиков [1-7] отмечается, что применение на карьерах высоких вскрышных уступов способствует уменьшению текущих объемов вскрыши, за счет чего достигается значительный экономический эффект.

Вместе с тем, известно, что увеличение высоты уступа ведет к снижению темпа углубки и скорости подвигания фронта горных работ, а это, в свою очередь, негативно отражается на производственной мощности карьера. Такое положение может иметь место, например, на рудных карьерах из-за характерной особенности формы и условий залегания рудного тела, ограниченности его площадного распространения и где существует необходимость ежегодного использования всей длины нарезанного фронта горных работ.

На угольных разрезах Кузбасса, где разрабатывается не один, а свита пластов с различной мощностью и углами падения и где протяженность карьерных полей составляет 5-7 км, всегда имеется резерв фронта вскрышных работ. Использование общего фронта работ по отдельным участкам разрезов в различные годы составляет порядка 50-80% [4].

Кроме того, транспортной технологией ведения горных работ на разрезах предусматривается разработка высокого вскрышного уступа в два слоя с использованием мощных экскаваторов, суммарная вместимость ковшей которых достигает 30-40 м3.

Поэтому не только проблемы, но и каких-либо предпосылок к снижению темпа углубки горных работ, в связи с переходом к высоким вскрышным уступам, на разрезах практически не существует.

Несмотря на очевидный экономический эффект от применения высоких вскрышных уступов, большинство исследователей и практиков производства едины во мнении, что верхние горизонты карьеров следует отрабатывать уступами малой (10-15 м) высоты.

Это позволит построить карьер и освоить его производственную мощность в минимально короткие сроки. Для разрезов Кузбасса работы с малой высотой уступа в начальный период эксплуатации месторождения необходимы еще и потому, что породы вблизи поверхности подвержены процессам выветривания на глубину 30-50 м и не всегда могут обеспечить требуемый запас прочности по устойчивому состоянию откосов высоких вскрышных уступов.

Позднее, при отработке более глубоких горизонтов, когда будет достигнута производственная

мощность карьера, когда с глубиной повысятся прочностные характеристики вмещающих пород и монолитность горного массива в целом можно переходить на высокие вскрышные уступы.

Однако и в ранее опубликованных научных трудах и исследованиях, проведенных в последние годы [6,7], отсутствуют рекомендации о том, в какой именно период работы карьера целесообразно переходить к отработке вскрышных пород высокими уступами.

В данной статье представлены результаты решения задачи по обоснованию периода перехода на высокие вскрышные уступы применительно к условиям работы разрезов Кузбасса.

Задача решалась в рамках углубочной продольной однобортовой системы разработки с соблюдением принципа определения границ карьера, установленного академиком Ржевским В.В., принципа, в котором заложено равенство граничного и текущего коэффициентов вскрыши

(к > к ).

х гр т'

Учитывались также требования Долгосрочной программы развития угольной промышленности России на период до 2030 г. о рациональном недропользовании и рекомендации проф. Юматова Б.П. о том, что «...необходимо рассматривать фактический график календарного распределения объемов горных работ, улучшать его и выделять в пользу открытых разработок максимальные запасы полезного ископаемого на данном месторождении».

Все эти требования и рекомендации являются актуальными в настоящее время для открытых разработок угля в том числе и в Кузбассе.

Для примера выбрано месторождение с наклонным (ф=40°) залеганием пласта угля и его

горизонтальной мощностью Шг = 30 м, с длинной карьерного поля Ь =5000 м и темпом углубки Уг =5 м/год. Производственная мощность разреза составляет 1050 тыс. т угля в год. Граничный коэффициент вскрыши к =10,4 м3/т.

При отработке вскрышных пород уступами обычной высоты, т.е. равной высоте нарезанных на разрезе горизонтов к=15 м и ширине рабочей площадки Шрп = 37-40 м равенство граничного и текущего коэффициентов вскрыши наступит на глубине 120 м. После этого начинается период погашения горных работ с доведением угла откоса

рабочего борта до /е = 40°. Конечная глубина открытых разработок, при этом, увеличится до

183 м. Общие объемы угля в установленных границах разреза (с учетом периода погашения горных работ) составят 38,43 млн. тонн, а срок службы предприятия - 37 лет.

Итак, установлены основные параметры и показатели (глубина, общие объемы угля и срок службы) карьера, который ведет разработку вскрышного массива уступами обычной высоты,

т.е. И = 15 м (базовый вариант).

Дальнейшее решение задачи сводится к тому, чтобы определить во времени и пространстве период перехода на данном месторождении к разработке вскрышной толщи пород высокими уступами.

Были рассмотрены следующие два наиболее представительные, по нашему мнению, варианта:

I вариант. Этот вариант перехода на высокие вскрышные уступы представлен в ранее указанных публикациях, как способствующий снижению текущих объемов вскрыши. Предположим, для примера, что переход к отработке вскрышной толщи высокими (И = 30 м) уступами при ширине рабочей площадки равной 58-60 м наступает еще до полного развития горных работ, т.е. начиная с 18 года эксплуатации месторождения при достижении разрезом глубины 90 м. В этом случае текущий коэффициент вскрыши еще не достигает граничного и, следовательно, нарушается принцип

а)

ш..ида

равенства этих коэффициентов, т.е. к > кт;

II вариант. Предлагается авторами данной статьи. Переход на высокие (И = 30 м) вскрышные уступы происходит в период полного развития горных работ, т.е. после 24-х лет работы предприятия при глубине разреза 120 м, когда наступает равенство граничного и текущего коэффициентов

вскрыши

к = к

гр т

Для выбора и обоснования одного из двух рассматриваемых вариантов периода перехода необходимо было, прежде всего, разработать несколько конструкций рабочего борта карьера с различной группировкой (1-2, 1-2-3) высоких уступов на каждом из вышерасположенных горизонтах и участвующих в отгоне борта при нарезке нового горизонта. Затем, требовалось определить объемы вскрышных и добычных работ по горизонтам, текущий коэффициент вскрыши и построить график изменения кт во времени за весь период эксплуатации карьера. Наиболее приемлемой оказалась конструкция борта с группировкой высоких уступов на горизонте (1-2), представленная для обоих вариантов периода перехода на рис. 1, а соответствующие этой конструкции борта графики изменения текущего коэффициента вскрыши по годам работы карьера изображены на рис. 2.

Чп \ > ' . '

Н=90 м

Н=183 м

б)

Рис. 1. Конструкция рабочего борта карьера при переходе к отработке вскрышных пород с высокими

уступами

а -1 вариант (Н=30 м, ТП = 58-60 м, к > к );

г ' ’ р.п. ’ гр т7 ’

гр

б -11 вариант (к=30м, ТП = 58-60 м, к

р. п. гр

к ).

ГУ) '

Кт,

м3/т

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

— - о- о 9 ■О ял. О ( О—

/ \ •

V \/ к V' -Л \

А \ 4- • V \ • N

' ■ • \

/ ' \ \ \

\ •

\

/Т

——

3

6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 Т, лет

Рис. 2. Графики изменения текущего коэффициента вскрыши (КТ) по годам работы карьера (Т) при отработке вскрышных пород уступами разной высоты:

_____________- базовый вариант (Н=15 м, Шрп.=37-40м, Кгр=КТ);

------х ------ I вариант (И=30м, Шрп=58-60 м, Кгр>КТ);

______• _____- II вариант (И=30 м, Шрп =58-60м, Кгр=КТ);

______ 0 ____- граничный коэффициент вскрыши (Кгр).

Из рис. 1 и 2 следует, что, если переход к высоким вскрышным уступам осуществляется с глубины карьера равной 90 м (I вариант), то в период с 18 до 21 года работы предприятия наблюдается некоторое (на 2 м3/т) снижение текущего коэффициента вскрыши, а затем вплоть до 33 года, т.е. начала погашения горных работ - резкое (с 5,52 до 9,2 м3/т) его увеличение.

При этом происходит не уменьшение текущих объемов вскрышных пород, а перенос части из них (порядка 60 млн. м3) в границах карьера к отработке на более позднее время. Поэтому конечная глубина, общий объем угля и срок существования карьера остаются такими же, как и при базовом варианте, т.е. соответственно 183 м, 38,43 млн. т и 37 лет.

При переходе к разработке вскрышной толщи пород высокими уступами (^=30 м)в период полного развития горных работ (после 24 лет эксплуатации месторождения и глубине выработки 120 м), когда текущий коэффициент вскрыши достигнет граничного (II вариант) в первые три года работы карьера после перехода также отмечается некоторое снижение к , а затем он растет до значений к , но не превышает его (см. рис. 2). В

результате перехода на высокие вскрышные уступы в период полного развития горных работ на карьере его глубина увеличивается со 183 до 236 м, общий объем угля - с 38,43 млн. т до 49, 56 млн. т, а срок службы - с 37 лет до 47 лет.

Оценка экономической эффективности вариантов периода перехода к отработке породной толщи высокими уступами (в рассматриваемом примере) проводилась по величине приведенных (с учетом фактора времени) затрат, приходящихся на 1 т добываемого угля.

Суммарные приведенные затраты по вскрышным работам за весь срок существования карьера (Зпр) и их удельная величина, приходящаяся на 1 т

добываемого угля (З[т), определялись по формулам:

г с ■ Vе З

Зпр = ¿7-------зЬт, руб- З1т = ЗТ1 , ру67^

=1 (1 + Е У-1

V,

где С - фактические затраты по переработке вскрышных пород, руб/м3 (С=50 руб/м3);

Vв - годовой объем вскрыши, м3;

Е - норма дисконта (Е=8%);

t - номер шага расчета или порядковый номер года принятого периода оценки ^0,1,2,3,...., Т);

V - общий объем угля, т.

Результаты расчета основных техникоэкономических показателей для рассматриваемых вариантов периода перехода на высокие вскрышные уступы, выполненные по указанным выше формулам, представлены в таблице.

Данные, представленные в таблице, а также анализ результатов расчетов в целом свидетельствуют о том, что наиболее эффективным из двух

Технико-экономические показатели по вариантам периода перехода к отработке вскрышных пород

Показатели Базовый вариант Варианты периода перехода на высокие вскрышные уступы

1 вариант 2 вариант

Общий объем вскрышных работ, тыс.м3 201735 207174 330086

Общий объем угля, тыс.т 38430 38430 49560

Средний коэффициент вскрыши, м3/т 5,25 5,39 6,66

Сумма приведенных затрат на производство вскрышных работ, тыс.руб. 2644253 2509013 2984043

Величина приведенных затрат по вскрышным работам, приходящихся на 1 т угля, руб./т 68,81 65,29 60,21

рассматриваемых вариантов периода перехода к высоким вскрышным уступам следует считать 2-й вариант. Этот вариант периода перехода не сводится только к перераспределению объемов вскрыши в прежних границах карьерного поля, как это имеет место при 1-ом варианте. Благодаря переходу к разработке вскрышных пород высокими уступами в период максимального развития горных работ на разрезе, т.е. по второму варианту:

- обеспечивается минимальная величина приведенных затрат по вскрышным работам, приходящаяся на 1 т угля (60,21 руб./т);

- появляется возможность увеличения добычи

с данного месторождения на 11 млн.т угля, что освобождает от необходимости строительства нового разреза с производственной мощностью 1 млн.т угля в год и привлечения приведенных капитальных затрат в размере 161 млн.руб.;

- сохраняются от нарушения открытыми горными разработками порядка 200 га земельных угодий;

- увеличивается на 11 лет срок существования разреза и, следовательно, на это время сохраняются за работниками основных профессий (их число составляет 400-450 чел.) рабочие места на данном предприятии.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ржевский В.В. Открытые горные работы. Ч.2/В.В. Ржевский. - М.: Недра, 1985.-550 с.

2. Арсентьев А.И. Вскрытие и система разработки карьерных полей/ А.И. Арсентьев. - М.: Недра, 1981.-280 с.

3. Юматов Б.П. Использование нового метода определения экономической эффективности капитальных вложений для обоснования границ карьеров и их производительности// Б.П. Юматов/ Тр. Все-союзн. межвуз. научн. конфер., Изд. «Высшая школа». - М., 1962.

4. Технологические схемы разработки высоких уступов на разрезах Кузбасса/ А.С. Ненашев и др.; Кузнецкий филиал НИИОГР, ПО «Кемеровоуголь». - Кемерово, 1987. - 94 с.

5. Кузнецов В.И. Новые решения в технологии ведения горных работ на разрезах Кухбасса/ В.И. Кузнецов, В.А. Ермолаев, А.С. Ташкинов, А.С. Ненашев. - Кемерово: Кемеровское книжное издательство, 1994. - 152 с.

6. Технология отработки вскрыши высокими уступами с применением экскаваторов-кранлайнов/ К.Н. Трубицкой, И.А. Сидоренко, Н.П. Сеинов, Ю.П. Самородов// Горный журнал. - 2000. - №3. - С. 3134.

7. Опанасенко П.И. Обоснование технологических схем высокоуступной технологии вскрышных работ с применением выемочно-погрузочных драглайнов при транспортной системе разработки// П.И. Опанасенко/ Автореферат кандидатской дисс. - М., ИПКОН РАН, 2010. - 19 с.

□Авторы статьи:

Макшеев Вадим Павлович, канд. техн. наук, профессор каф. технологии, механизации и организации открытых горных работ МГГУ Email: kafedra-to@mail.ru

Ненашев Анатолий Сергеевич, канд. техн. наук ООО «КузбассПромРесурс» тел. 8-3842-72-74-62

Федотенко Виктор Сергеевич аспирант каф. технологии, механизации и организации открытых горных работ МГГУ Email: victor_fedotenko@rambler.ru