CC BY
17
© C.B. Панишев, C.A. Ермаков, Е.Л. Алькова, M.C. Максимов, 2013
УДК 622.357.1:622.244.6:551.34
С.В. Панишев, С.А. Ермаков, Е.Л. Алькова, М.С. Максимов
ОСОБЕННОСТИ РАЗРАБОТКИ СМЕРЗАЮЩИХСЯ ВСКРЫШНЫХ ПОРОД ДРАГЛАЙНОМ В УСЛОВИЯХ ПЛАСТОВОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ КРИОЛИТОЗОНЫ
Представлены результаты натурных исследований гранулометрического состава взорванного массива многолетнемерзлых вскрышных пород и результаты натурных наблюдений температурного режима по поверхности развала взорванных вскрышных пород в условиях последовательного обнажения забоя драглайна. Показана взаимосвязь производительности экскаватора с размером куска в забое.
Ключевые слова: вскрышные породы, криолитозона, многолетнемерзлые породы, драгланы.
В условиях больших мощностей вскрышных пород на пластовых месторождениях основным оборудованием являются экскаваторы-драглайны. Несмотря на значительные экономические преимущества по сравнению с другим выемоч-но-погрузочным оборудованием, недостатком драглайнов является низкое напорное усилие создаваемое ковшом. Это предопределяет высокую зависимость показателей его работы от свойств разрабатываемого массива.
Разработка многолетнемерзлых вскрышных пород с предварительным буровзрывным рыхлением в условиях месторождений криолитозоны осложняется повторным смерзанием взорванного массива, что отрицательно сказывается на работе оборудования.
Процесс формирования температурного режима в развале взорванных многолетнемерзлых пород сложен, и определяется многими факторами, такими как: теплофизические характеристики пород, фазовые переходы влаги, изменение температуры атмосферного воздуха, температура, влажность и плотность
Рис. 1. Температура массива многолетнемерзлых пород по глубине наблюдательной скважины в течение года
пород, мощность вскрыши, углы формируемых откосов, а так же качество взрывной подготовки. Следует также отметить, что имеет место принципиальное различие в характере протекающих теплофизических процессов в развале взорванной горной массы в различные периоды года, обусловленное температурным режимом массива многолетнемерзлых горных пород (рис. 1), [1].
Поэтому, исследование влияния свойств разрабатываемого массива (размер среднего куска, температура разрабатываемых пород) на производительность драглайна представляет весьма важный практический интерес.
Авторами на разрезе «Кангаласский» ОАО ХК «Якутуголь» выполнены исследования влияния гранулометрии взорванного массива многолетнемерзлых вскрышных пород на производительность драглайна.
Породы взрывных блоков участка работ представлены суглинками с включением растительных корней и мелкой гальки, слабосцементированным песчаником мелкозернистым и алевролитом. По степени взрываемости породы трудновзрываемые, категория взрываемости VI—VII. Коэффициент крепости по Протодьяконову 3—6.
За период вскрышных работ была определена кусковатость взорванного массива по результатам трех взрывов. Первые два
взрыва произведены 10 мая и 2 июня при глубине скважин
21 м и удельном расходе 1,2 кг/м3, третий взрыв выполнен
22 июля по второму вскрышному уступу при средней глубине скважин 9 м и удельном расходе 1,15 кг/м3.
По результатам натурных исследований установлено, что в различные температурно-климатические периоды гранулометрический состав взорванных многолетнемерзлых пород неодинаков, что связано с их температурой в массиве (рис. 2), [2].
Отмечено, что при повышении температуры доля крупных фракций размером более 500 мм существенно (до трех раз) снижается, а фракций 201—300 и 301—400 мм возрастает в 1,5—2 раза (рис. 3). При этом содержание фракций 101— 200 мм не изменяется. С момента первого взрыва к последнему взрыву суммарная доля фракций до 300 мм увеличилась с 47% до 57 %, фракций до 400 мм с 57 % до 79 % а фракций до 500 мм от 67 % до 90 %.
По результатам натурных исследований в течение сезона вскрышных работ установлена зависимость среднего размера куска от температуры пород в забое (рис. 4).
Рис. 2. Изменение гранулометрии взорванных пород от температуры - 2,1; -1,1 и 1,20С — средние температуры в массиве пород на дату взрыва (соответственно 10 мая, 2 июня и 22 июля)
Температура породы, град. Размеры фракций, мм. 201-300 — — 501-800
Рис. 3. Изменение доли мелких н крупных кусков от температуры массива многолетнемерзлых пород
Из рис. 4 видно, что средний размер куска уменьшился в 2 раза при повышении средней температуры пород от 1 до 9 градусов (май-июль), при этом доля крупных фракций 501— 800 мм уменьшилась примерно в 5 раз, а мелких 101—200 мм возросла в 1,3 раза.
Изменчивость среднего размера куска в процессе отработки экскаваторного забоя после взрывов показана на рис. 5. Как видно из рисунка, с момента начала работ на блоке до конца его отработки наблюдается три этапа, характеризующие распределение состава кусков в забое драглайна. Первый этап отмечается максимальным содержанием кусков большого размера, второй этап характеризуется выравниваем фракционного состава кусков в забое — содержание мелких, средних и крупной фракции примерно одинаково. На последнем, третьем этапе в забое преобладают в основном мелкие фракции.
Анализ расчетных значений энергоемкости разрушения и среднего размера куска после проведения взрывных работ позволил установить зависимость среднего размера куска от энергоемкости взрывания (рис. 6).
Рис. 4. Изменение среднего размера куска в рабочей зоне драглайна от температуры пород в забое.
Рис. 5. Гранулометрический состав кусков в процессе отработки забоя
Для условий разреза «Кангаласский» (вскрышное оборудование — драглайн ЭШ-10.70), средний размер куска в развале, обеспечивающий номинальную производительность драглайна с емкостью ковша 10 м3 при разработке смерзающихся пород в весенне-летний период достигается при энергоемкости взрывания не менее 4,2 МДж/м3.
Рис. 6. Изменение среднего размера куска от энергоемкости взрывания
Полученные результаты исследований позволили экспериментально установить зависимость изменения производительности драглайна от среднего размера куска и температуры поверхностного слоя взорванного массива многолет-немерзлых пород, что позволяет обосновать параметры БВР, обеспечивающие номинальную производительность драглайна.
Зависимость производительности драглайна от температуры поверхностного слоя взорванного массива и среднего размера куска при последовательном обнажении забоя показывает, что с повышением температуры пород и уменьшением среднего размера куска производительность экскаватора повышается в несколько раз (рис. 7), [3].
С повышением температуры поверхностного слоя и уменьшением размера среднего куска от 300 мм до 100 мм производительность драглайна увеличивается с 500 до 2500 м3/смену. При достижении температуры поверхностного слоя +5 С +7 0С наблюдается устойчивый разбор забоя с производительностью драглайна более 1000 м3/смену.
Рис. 7. Взаимосвязь производительности драглайна сосредним размером куска и температурой пород в забое
Отмечено, что производительность драглайна при увеличении доли крупных фракций (400—800 мм) в 5 раз снижается в 3 раза, а при увеличении доли мелких фракций (до 200 мм) в 2 раза повышается в 3 раза.
Исследования температурного режима пород в развале и в забое драглайна проводились с использованием тепловизора FLIR-SC 660. На рис. 8 представлен термографический снимок забоя драглайна во время экскавации взорванных много-летнемёрзлых пород вскрыши. Как видно из рис. 8 (съёмка производилась 03.05.2012 г., температура воздуха составляет + 17,2 °С, температура поверхности взорванного развала пород забоя от + 1,6 до +17,4 С, температура вскрытых ковшом драглайна пород забоя от -0,6 0С до -2,7 0С. Разница температур пород на поверхности забоя и на глубине погружения ковша драглайна составляет около 15 0С, причём породы на глубине погружения ковша драглайна находятся в мёрзлом состоянии.
Полученные результаты проведённых натурных исследований показывают, что тепловизором наиболее хорошо диагностируются зоны знакопеременных температур в процессе отработки взорванного многолетнемерзлого массива.
Рис. 8. Термографические исследования экскавации взорванных многолетнемерзлых вскрышных пород на разрезе Кангаласский
При этом, зоны отрицательных температур оконтуривают-ся всегда достаточно четко.
Натурными исследованиями установлены особенности теплового режима в развале взорванных многолетнемерзлых горных пород в периоды весна-лето, осень-зима при последовательном обнажении забоя.
В весенне-летний период на температуру поверхностного слоя оказывает влияние отрицательная температура в массиве, накопленная в зимний период и солнечная инсоляция. В условиях высоких положительных температур окружающего воздуха (до +20°С и выше) и отрицательной температуры пород в забое в условиях его обнажения, это способствует интенсивной конденсации влаги на поверхности кусков породы и создает благоприятные условия для повторного смерзания (рис. 9, а).
В осенне-зимний период температура в этом слое формируется за счет тепловой инерции массива, накопленной летом и воздействия низких температур окружающего воздуха. При
Рис. 9. Температура пород в забое: а) в весенне-летний период; б) в осенне-зимний период.
этом, отрицательная температура поверхностного слоя развала в условиях его обнажения хотя и выше в среднем на 10—14°С температуры окружающего воздуха, но совпадает с ней по знаку, что замедляет процесс смерзания взорванного массива (рис. 9. б).
Таким образом, в эти периоды во взорванном многолетне-мерзлом массиве происходят различные по своей физической природе процессы промерзания-протаивания, обуславливающие интенсивность смерзания и эффективность экскавации горных пород.
Поэтому изучать процессы смерзания горных пород следует раздельно, в зависимости от периодов года: 1) период весна-лето; 2) период осень-зима.
В связи с этим, время цикла драглайна для этих периодов впервые предложено определять по отдельным эмпирическим зависимостям [1, 4.].
При этом полученные зависимости для разных периодов года свидетельствуют о том, что температурный режим в развале взорванных горных пород в разные периоды года имеет различный характер — в эти периоды в горных породах происходят разнонаправленные процессы промерза-ния-протаивания. Весной многолетнемёрзлые горные породы под воздействием положительной температуры воздуха и
инсоляции начинают оттаивать, глубина оттаивания постепенно увеличивается и достигает максимума в августе месяце. В зависимости от типа горных пород и их влажности глубина оттаивания достигает от 1,5 до 3 метров.
В сентябре, с понижением температуры воздуха, температурный режим отбитых горных пород меняется на противоположный, обратный процесс промерзания горных пород, который начинается с поверхности и его интенсивность зависит от температуры воздуха, скорости ветра и величины снежного покрова. По данным натурных наблюдений в зимний период температура отбитых пород в забое может достигать -35 °С.
Взаимосвязь времени цикла драглайна от температуры пород описывается эмпирическим выражением:
Для периода весна-лето:
Т = е°,34-°,°44Гп+9,58-10-47"П , мин. ц '
Для периода осень-зима: Тц =-0,63е~0,037П, мин.
где Тп — температура пород в забое, град.
Величину сменного подвигания забоя драглайна можно определить на основе установленной взаимосвязи между временем цикла драглайна и температурой пород в забое по формуле:
Ь =-60Тсм 2Е'Кнк Кис-, м/смену.
Тс • В • и • К2(1 - Кс)(1 + Кр)
где Тсм — время смены, час; Е — ёмкость ковша, м3; Кни — коэффициент наполнения ковша; Кис — коэффициент использования экскаватора во времени; В — ширина экскаваторной за-ходки, м; И — высота вскрышного уступа, м; Кр, Кс, Кп — коэффициенты разрыхления, сброса и переэкскавации соответственно.
Полученные результаты исследований позволяют обосновать период эффективной работы драглайна, а также рациональные параметры блока при бестранспортной разработке смерзающихся вскрышных пород в различные периоды года в условиях месторождений области многолетней мерзлоты.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Панишев, C.B. Влияние температурного режима на эффективность разработки вскрышных пород месторождений криолитозоны / С. В. Панишев, С.А. Ермаков // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. — 2013. — № 2. — С. 132—138.
2. Панишев, C.B. Применение бестранспортной технологии в условиях угольного месторождения криолитозоны / С.В. Панишев, С.А. Ермаков, Е.Ё. Алькова, М.В. Каймонов // Геомеханические и геотехнологические проблемы эффективного освоения месторождений твердых полезных ископаемых северных и северо-восточных регионов России: труды Всероссийской научно-практической конференции, посвящ. памяти чл.-кор. РАН Но-вопашина М.Д., г. Якутск, 14—15 сент. 2011 г. — Якутск: Изд-во Ин-та мерзлотоведения им. П.И. Мельникова СО РАН, 2011. — С. 116—120.
3. Панишев, C.B. О влиянии гранулометрии взорванного массива мно-голетнемерзлых пород на производительность драглайна / С. В. Панишев, С.А. Ермаков, Е.Ё. Алькова // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2011. — № 9. — С. 93—98.
4. Панишев, C.B. Исследование влияния температурного режима взорванных многолетнемерзлых пород на производительность драглайна / С.В. Панишев, С.А. Ермаков, М.В. Каймонов // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2010. — № 7. — С.146—150.
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -
Панишев Сергей Викторович — кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории открыгтых горнык работ, s.v. panishev@igds.ysn.ru, Ермаков Сергей Александрович — кандидат технических наук, заведующий лабораторией, s.a. ermakov@igds.ysn.ru,
Алькова Е.Л. — кандидат технических наук, научный сотрудник, nelealc12@rambler.ru,
Максимов М.С. — инженер mexes 07@mail.ru,
Институт горного дела Севера им. Н.В. Черского СО РАН.
