CC BY
58
© А.Ю. Дриженко, В.В. Лотоус, 2002
УДК 622.271
А.Ю. Дриженко, В.В. Лотоус
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГОРНЫХ РАБОТ ПРИ УВЕЛИЧЕНИИ ГЛУБИНЫ ЖЕЛЕЗОРУДНЫХ КАРЬЕРОВ
Ж
елезорудные месторождения Украины и стран СНГ представлены в основном пластами метаморфизованных железистых кварцитов, падаюшдх вглубь земли под углами до 60-900. Криворожская железорудная формация наиболее изучена и освоена. С ней связано около 60 % запасов промышленных руд стран СНГ и около 75 % прогнозных. Из важнейших ее особенностей следует отметить огромные массы рудных скоплений, соответствуюшие крупным, весьма крупным и уникальным месторождениям, пригодным для открытой разработки. Главное значение здесь принадлежит рудам Скелеватского типа, представленных силикат-но-магне-титовыми кварцитами. Рудные тела имеют горизонтальную мощность до 200-400 м и прослеживаются на глубину до 1,5-2 км и более.
В настоящее время 86 % добычи железных руд в Украине ведется открытым способом. Глубина карьеров достигла 250-380 м. По утвержденным проектам ее предельная величина составляет 500-700 м. Невысокое содержание железа в сырой руде требует ее обогащения, вследствие чего огромные земельные площади отводятся под хвостохра-
нилища. Складирование хвостов обогащения и пород вскрыши во внешних хранилищах привело к нарушению 50 % всего земельного отвода среднестатистическому горно-обогатительному комбинату (ГОКу), в то время как под карьеры отводится только 14,5 %. Размещение пород вскрыши во внешних отвалах чрезмерно удорожает добычу полезного ископаемого вследствие большого расстояния транспортирования, а также денежной пенсации за нарушение земель и пылегазовое ние атмосферы. В то же время размещение пород вскрыши во внутренних отвалах по аналогии с ми, разрабатывающими пологие месторождения бурых углей, марганцевой руды, строительных горных пород, руд цветных и редкоземельных металлов, позволяет щественно уменьшить расстояние транспортирования и экологическую нагрузку на окружающую среду, резко снизив при этом затраты на вскрышные работы.
Карьерные поля характеризуются длиной по поверхности 1-8 км, шириной 1-2 км и глубиной 300-800 м. Синклинальные складки рудных месторождений имеют меньшие граничные коэффициенты вскрыши по сравнению с крутыми пластами и в среднем изменяются от
1,8-2,7 до 4,6-5,4 м3/т. Площадь земель, отводимых по техническим проектам под внешние отвалы, леблется в пределах 400-4600 га. Поскольку выход концентрата при обогащении железной руды не превышает 30-35 %, для складирования отходов требуется строительство хвостохранилищ площадью до 1-2,5 тыс. га. Общая площадь под горными разработками в расчете на один ГОК достигает 3,5-6,4 тыс. га.
Традиционные схемы разработки карьерных полей предполагают полное освоение рудной площади для достижения максимальной производственной мощности предприятия по горным возможностям. Однако при этом уже в первые 15-20 лет эксплуатации борта карьера выходят на предельные контуры по поверхности. Из недр извлекается более 50 % пород вскрыши, которыми заполняются один-два нижних яруса в границах отвальных полей. При глубине разработки до 150-200 м расстояние транспортирования пород вскрыши во внешние отвалы составляет 10-15 км и более. В результате этого транспортные расходы в себестоимости добычных работ достигают 50-57 %.
Технико-экономический анализ показывает, что карьерное поле рационально отрабатывать с целенаправленным формированием выработанного пространства в районе ядра синклинальной складки месторождения или части крутого пласта с минимальным коэффициентов вскрыши (см. рисунок).
При этом зона углубки развивается вглубь с темпом до 10-15 м/год. Для поддерживания установленной производственной мощности горизонты в верхней части карьера продвигаются к противоположному торцу. Породы вскрыши, в основном рыхлые, складируются в дальней части карьерного поля на земной поверхности (поз. 4). Скальные вмещающие породы - во временный отвал на законсервированных рудных горизонтах (поз. 5). При достижении зоной углубки дна карьера текущая вскрыша совместно с частью породы из временных отвалов размещается в постоянный отвал (поз. 6) в выработанном пространстве.
Поскольку породы вскрыши представляют собой попутно добываемое сырье, пригодное для изготовления строительных материалов, извлечения вторичных полезных ископаемых, возведения насыпных сооружений и т.п., во временных и постоянном отвалах они складируются раздельно по разновидностям на общем основании. В нижней части карьера породы вскрыши доставляются к отвальным ярусам бульдозерного отвала непосредственно из забоев (поз. 1а-3а). Высота ярусов составляет 30-60 м. В верхней части карьера вмещающие породы из забоев перемещаются к отвальным ярусам экскаваторного отвала железнодорожным транспортом (поз. 1ж, 2ж). Высота ярусов достигает 300 м. Для увеличения вместимости постоянного отвала его вершина отсыпается на 60-100 м выше земной поверхности.
Объем зоны углубки существенно зависит от мощности разрабатываемых пластов, углов откоса рабочего и нерабочих бортов, предельной глубины карьера. С увеличением протяженности карьерного поля удельный вес пород вскрыши из зоны углубки в общем объеме изменяется от 74-50 % -для карьеров протяженностью 1-2 км, до 18-12 % -для карьеров протяженностью 7-8 км по поверхности. Отработка пород вскрыши слоями под углом до 27-30° и диагональное ориентирование фронта горных работ позволяют снизить объем текущей выемки вскрыши на 20-25 % и перенести его разработку на заключительный этап эксплуатации карьера. Вести разработку месторождения таким образом возможно без увеличения текущих объемов вскрышных работ
Утилизация пород вскрыши направлена в основном на использование ее скальных разновидностей и суглинков для строительства дамб обвалования. Из текущих объемов их выемки на эти цели направляется до 40-70 % вмещающих пород. Создание объединенных отвальнохвостовых хозяйств позволяет более компактно размещать пустые породы на гораздо меньшей площади. Этому также может способствовать комплексное использование добываемой горной массы для производства различной товарной продукции. В настоящее время из вскрышных пород производится в основном строительный щебень. Объемы его относительно небольшие. Однако исходя из выполненных проектов можно надеяться на более широкий ассортимент выпускаемой попутной продукции. Так, например, на ЮГОКе и ПГОКе в свое время применялся щебень из руды для балластировки железных дорог на рудных блоках. Отбор мелочи производился экскаватором непосредственно в забое в перерывах между сменой локомотивосоставов. Кроме резкого снижения расстояния для завозки в карьер балластиро-вочного материала размер засорения руды пустой породы был снижен на 0,5-1 %. Это отразилось и на эффек-
тивности работы обогатительных фабрик. Имеются проекты строительных установок для изготовления сланце-порита строительных блоков из шламов и др. Рассмотренная технология полностью предотвращает нарушение
земель внешними отвалами и снижает затраты на ведение вскрышных работ на 48-52 %.
Установлено, что экономически целесообразная глубина перехода на создание временного отвала для железорудных карьеров составляет 150-200 м. Высота его верхней площадки не должна превышать уровень земной поверхности. Длина по подошве достигает 800-1600 м. Для сохранения действующих транспортных коммуникаций по его периметру с одной или двух сторон оставляют не засыпанными остаточные вскрывающие траншеи. Внутреннее отвалообразование целесообразно производить при разработке карьерных полей с длиной по поверхности более 2-2,5 км. К настоящему времени на большинстве железорудных карьерах уже сложились условия для создания временных отвалов. Имеется определенный опыт их возведения. Институтами Укргипро-руда и Кривбасспроект апробированы при проектировании на стадии ТЭО и технических проектов новые технологии производства вскрышных работ с внутренним отвалообразование для карьеров ЦГОКа, ПГОКа, ИнГО-Ка и Анновского карьера СевГОКа с высокими техникоэкономическими показателями.
Карьерные поля с длиной по поверхности до 2-2,5 км следует разрабатывать с вывозкой вскрыши во внешние отвалы. После полной отработки их выработанное пространство возможно использовать для складирования пустых пород соседних карьеров. Такая технология апробирована на карьере №1 НКГОКа, где по проекту Укргипроруды с 1979 г. одним отвальным уступом засыпается выработанное пространство с первоначальной глубиной 175 м. Формирование внутреннего отвала ведется исключительно скальными породами. Случаев обрушения его откосов не наблюдалось. На поверхности засыпанного карьера создан дачный поселок. В 1983-1985 гг. одним отвальным уступом был засыпан Скелеватский карьер глубиной 110 м, попавший в зону ведения горных работ карьера ЮГОКа. В настоящее время ведется засыпка карьера №2 ЦГОКа породами вскрыши из карьера №1 того же комбината. Временное складирование вскрышных пород на карьере ПГОКа ведется с 1993 г. В средней части карьера в первичный внутренний отвал на отметке 105 м к 2005 г. планируется уложить 36,3 млн м3 пород вскрыши.
Рост глубины карьеров сопровождается существенным удлинением трассы автодорог. Наращивание длины действующих конвейерных подъемников сдерживается сложностью оборудования перегрузочных площадок и переносом стационарных дробилок крупного дробления
Схема отработки крутозалегающих железорудных месторождений с внутренним отвалообразованием пород вскрыши: 1 - рудный пласт; 2 -контуры карьерного поля; 3 - рабочие уступы; 4, 5 - временные отвалы на поверхности и в карьере; 6 - постоянный отвал; 1а, 2а, 3а - отвальные бульдозерные яруса; 1ж, 2ж - экскаваторные отвальные ярусы
типа ККД-1500/180. Создание мобильных дробилок такого типа позволяет более просто решить эту задачу. В этой связи показателен опыт карьера ПГОКа, где в 1996 г. введен в эксплуатацию комплекс полупередвижной дробильной установки фирмы "Крупп" с ленточным конвейерным подъемником и отвалообразователем производительностью 12 млн т в год. Вертикальная высота подъема горной массы 107 м. Дробилка конусная с размером приемного отверстия 1250х800х900 мм, выходного - 350 мм. Мощность дробилки 450 кВт. Установка оборудована пластинчатым питателем мощностью 300 кВт, длиной 21 м и шириной 2130 мм, установленным под углом 23,50. Имеется бутобой мощностью 75 кВт и гидродомкрат грузоподъемностью 50 т, мощностью 45 кВт. Разгрузка болшегрузных автосамосвалов производится на пластинчатый питатель. Перегрузочная площадка устроена на насыпной скальной породе с креплением железобетонными плитами и опорными колоннами. Передвигается установка на гусеничном ходу или на многоколесной платформе в два приема - башня управления и дробилка, отдельно от пластинчатого питателя. Это позволяет перемещать ее по горизонту установки для уменьшения горизонтальной составляющей расстояния автоперевозок. По новой схеме расстояние откатки горной массы автосамосвалами снижено до 1,5-1,8 км. За счет этого высвобождено из эксплуатации 5 большегрузных автосамосвалов, снижен расход топлива на 1,5 тыс. т, уменьшено пылегазовыделение на 50 %.
Для расширения области применения конвейерного транспорта и повышения его эффективности оптимальным решением является создание крутонаклонных конвейеров для перемещения крупнокускового скального груза. В НГАУ совместно с ПГОКом разработана оригинальная конструкция крутонаклонного ленточно-тележечного конвейера (КЛТК) трубчатого типа, где сила тяжести перемещаемого груза используется для обжатия его и надежного удержания на крутонаклонном участке трассы. Загрузка и разгрузка КЛКТ производится на горизонтальном участке пути. Нагруженная лента под действием груза прогибается и при входе на подъем с помощью дугообразных рычагов с траверсами обжимается в трубу. Перемещение ее осуществляется по профильному пути на ходовых опорах, соединенных между собой тяговой цепью. КЛТК предназначен для транспортирования недробленой скальной горной массы крупностью до 1200 мм. Производительность подъемника до 4000 т/ч. Используется стандартная резинотросовая лента шириной 2000 мм. Длина става обеспечивает транспортирование горной массы с глубины 200-250 м без промежуточной перегрузки из одного конвейера на другой. На отдельных горизонтальных участках трассы, в отличие от известных конструкций крутонаклонных конвейеров, возможно раскрытие трубы для догрузки ленты горной массы из автосамосвалов на перегрузочных пунктах простейшей конструкции. Конструирование трассы КЛТК на глубину 250 м с 4 погрузочными пунктами вдоль конвейерной линии и формирования в местах погрузок горизонтальных площадок длиной по 30-40 м
требует производить отстройку участка борта карьера в предельном положении на протяжении всего 420-460 м.
В условиях действующих железорудных карьеров, где в верхней зоне эксплуатируются системы автомобильно-железнодорожного и автомобильно-конвейерного транспорта с дробилками крупного дробления, вскрытие глубоких горизонтов с применением КЛТК целесообразно осуществлять как открытыми, так и подземными горными выработками. Для существенного сокращения длины транспортирования эти системы возможно приспособить к работе под углом откоса нерабочего борта карьера (36-430) . В этом случае излишне оборудовать приемный пункт дробилкой крупного дробления и ограничиться загрузкой КЛТК из накопительного бункера вибропитателем. Разгрузка КЛТК производится на действующие экскаваторные погрузочные пункты автомобильно-железнодорожного транспорта или дробилки крупного дробления конвейерных подъемников. Рассредоточение погрузочных пунктов по длине КЛТК в углу-бочной зоне с шагом 30-45 м позволяет наиболее просто решить проблемы с междуточечным приводом.
В основном же это направлено на снижение расстояния перемещения горной массы автосамосвалами и соответственно затрат на их эксплуатацию в 2-3 раза, что существенно сказывается на экономичности транспортного процесса в целом.
По заданию ПГОКа разработан технический проект действующей модели КЛТК с шириной ленты 1200 мм. Угол наклона конвейера к горизонту 400. Высота подъема горной массы 25 м. Скорость движения ленты 0,8 м/с. Строительство и эксплуатация действующей модели КЛТК позволит уточнить параметры промышленной установки; скорректировать организацию ее строительства и работы в комплексе с автомобильным транспортом, перегрузочными экскаваторами и дробилками крупного дробления; решить вопросы по трассировке подъемника и шагу размещения промежуточных погрузочных пунктов. В условиях разработки крутозалегающих вытянутых месторождений железных руд на глубину до 500-800 м рассмотренная горнотранспортная схема имеет существенные преимущества перед другими и позволяет рентабельно эксплуатировать глубокие карьеры в течение длительного периода. Снижение расстояния перевозки горной массы автосамосвалами до минимума положительно решает проблему загазаванности карьерного пространства, экономии дефицитных горюче-смазочных материалов.
Применение новых технологий с внутренним отвало-образованием сопровождается снижением расстояния транспортирования пустых пород автосамосвалами в 2-5 раз и полным отказом от использования железнодорожных перевозок на поверхности. Кроме существенного оздоровления экологической обстановки в регионе на указанных предприятиях за счет внутреннего отвалообразования получена значительная экономия денежных, материальных и энергетических ресурсов.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Дриженко А.Ю, — профессор, доктор технических наук, Национальная горная академия Украины. Лотоус В.В. — горный инженер, Полтавский ГОК.
