CC BY
14
© Е.Ю. Назарова, А.И. Косолапов, 2012
УДК 662.363.6:553.636
Е.Ю. Назарова, А.И. Косолапов
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВЫРАБОТАННЫХ ПРОСТРАНСТВ КАРБОНАТНЫХ КАРЬЕРОВ ВБЛИЗИ СЕЛИТЕБНЫХ ТЕРРИТОРИЙ
Предложены варианты технологии разработки месторождений карбонатных пород вблизи селитебных территорий. Дана оценка себестоимости различных вариантов в зависимости от прочности пород.
Ключевые слова: карьер, окружающая среда, открытый способ добычи, карбонатные породы.
В настоящее время в России намечен значительный рост производства строительных материалов, сырьем для которых служат карбонатные породы. Ввиду незначительной стоимости продукции, большинство таких предприятий расположены вблизи селитебных территорий или в черте городов.
В современных экономических и экологических условиях это возможно только при ограничении влияния взрывных работ на окружающую среду, а также на обрушение и осыпание откосов уступов бортов карьера; широком применении вариантов безвзрывной технологии и рациональном использовании выработанных пространств, образованных при разработке месторождений. Кроме этого, разработка должна вестись при минимальном нарушении орографии поверхности месторождения. А поскольку, в этом случае извлекаемые запасы ограничены контуром горного отвода и углами откосов нерабочих бортов карьера, то необходимо повышать полноту извлечения недр в указанных границах.
При этом технология разработки месторождений в данных условиях должна удовлетворять следующим
требованиям: снижать отрицательное воздействие горных работ на окружающую среду и формировать выработанное пространство, затраты на подготовку к использованию которого будут минимальны.
Разработка месторождений карбонатных пород открытым способом имеет ряд особенностей, которые влияют на работу карьеров. Эти особенности состоят в специфике потребления, качественных характеристиках продукции, расположения предприятия и применяемой технологии. Высокий спрос на продукцию, которую используют в основном в качестве строительных материалов и в металлургическом производстве, ведет к большому количеству предприятий по разработке месторождений карбонатных пород.
Предприятия по разработке месторождений карбонатных пород имеют большие отличия по производственной мощности, уровню механизации и технологическим показателям. В одних случаях, для обеспечения специализированных предприятий создают крупные карьеры, в других, для небольших потребностей, — мелкие, с небольшим сроком службы. Малая транспортабельность продукции ограничивает
экономически целесообразную зону потребления продукции одного предприятия. Это ведет к тому, что наиболее крупные карьеры по добыче карбонатных пород расположены вблизи больших селитебных территорий.
Различные требования к качеству продукции, быстро изменяющиеся в зависимости от конъюнктуры рынка, накладывают дополнительные условия на выбор технологии разработки и применяемых типов оборудования. Широкое распространение месторождений карбонатных пород дает возможность выбора наиболее благоприятных по горнотехническим условиям разработки участков.
Коэффициент вскрыши редко превышает единицу, в среднем составляет 0,3 м3/т. Это оказывает влияние на выбор технологии рекультивации. В данном случае засыпка выработанного пространства вскрышными и некондиционными породами невозможна. Следовательно, карьерные выемки, образующиеся после разработки месторождения, целесообразно использовать в дальнейшем для иных целей.
Но вместе с тем, вышеизложенные особенности условий разработки указанных месторождений осложняют обоснование технологии их разработки, учитывающей эффективность эксплуатации месторождений и последующее использование выработанных пространств. Поэтому необходимы интегральные показатели, позволяющие в первом приближении оценивать эффективность разработки месторождений и сопоставлять их между собой.
Обычно, оценку месторождений полезных ископаемых осуществляют на основе сравнения качественных показателей, размеров, высотного положения, рельефа поверхности, строения и прочностных свойств пород, климатических условий, освоен-
ности района, удаленности полезного ископаемого от мест потребления, транспортных и энергетических коммуникаций и т.п. В настоящей работе в качестве интегрального показателя предложено использовать относительный показатель трудности разработки, введенный академиком В.В. Ржевским и получившим дальнейшее развитие, применительно к месторождениям облицовочного камня, в работах проф. А.И. Косолапо-ва. При этом в качестве абсолютной величины трудности разработки принята величина трудоемкости (энергоемкости) вскрышных, добычных и горно-капитальных работ.
Для 25-категорийной шкалы пятиуровневой классификации, в которой разница энергоемкости разработки соседних классов составляет 100 %, искомая зависимость имеет вид
Тр = а -1,1487Пт , (1)
где Тр — энергоемкость работ, связанных с разработкой месторождения, в натуральном измерении, кВтч/т; а — коэффициент перехода от энергоемкости к относительному показателю трудности разработки; Пт — относительный показатель трудности разработки месторождения.
Решая уравнение (1) относительно Пт, получаем
Пт = 7,231- \п(Тр / а) (2)
Расчеты, выполненные по предложенной методике [1] для оборудования, принятого в качестве эталонного, позволили установить, что энергоемкость разработки наиболее тесно связана со следующими параметрами месторождения: запасами (3, млн т); пределом прочности пород на одноосное сжатие (осж, МПа); превышением месторождения над преобладающими отметками местности (ёИ, м);
Рис. 1. Зависимость относительного показателя трудности от энергоемкости разработки месторождения карбонатных пород
Рис. 2. Влияние относительного показателя трудности разработки карбонатного месторождения на индекс доходности его эксплуатации
горизонтальной мощностью полезного ископаемого (Дк, м); углом склона рельефа (а); горизонтальной мощностью вскрышных пород (Дв, м).
Расчет энергоемкости разработки месторождения (в пересчете на единицу добычи известняка) по изложенной методике осуществляли на ЭВМ по специальной программе, позво-
ляющей выполнять соответствующие вычисления во всем диапазоне перечисленных параметров месторождений карбонатных пород. В результате установлено, что энергоемкость разработки для карбонатных месторождений варьирует от 0,98 до 25,2 кВт-ч/т.
Таким образом, Тр < 0,98 соответствует условиям наименее трудно-разрабатываемого месторождения Д <1), а Тр > 25,2 — наиболее трудноразрабаты-ваемого (Дт > 25).
Уравнение для расчета энергоемкости разработки в зависимости от исследуемых показателей получено с использованием методов оптимального планирования экспериментов и имеет вид:
Тр=3,66+0,005-о сж+0,04-^ Я+0,19-Яв+0,05-а-0,27-3 -0,009-Дк. (3)
В графическом виде зависимость Дт = / (Тр) представлена на рис. 1, а характер влияния относительного показателя трудности разработки на эффективность эксплуатации карбонатных месторождений — на рис. 2. Численные исследования, выполненные с использованием полученных формул показали, что с увеличением относительного показателя трудности разработки пропорционально растут капитальные и эксплуатационные затраты на разработку карбонатного месторождения. Это позволяет предложенный показатель использовать для решения задачи по
обоснованию рациональных условий применения технологии, обеспечивающей наибольшую эффективность разработки карбонатного месторождения, а в последующем использования выработанного пространства.
Эффективность использования выработанных пространств карбонатных карьеров во многом предопределена качеством поверхностей откосов и нерабочих площадок. В данном случае под качеством следует понимать неровность соответствующих поверхностей. Общеизвестен факт, что чем больше неровность поверхности откоса, тем выше интенсивность выветривания, а, следовательно, заваливания нерабочих и транспортных площадок. В результате нерабочий борт выполаживается, а количество извлекаемых запасов уменьшается. Опыт применения камнерезных машин на карьерах облицовочного камня доказал их высокую эффективность при формировании откосов и площадок уступов. Особенности свойств карбонатных месторождений позволяют во всем диапазоне их прочностных свойств достаточно эффективно применять баровые камнерезные машины. В соответствии с этим было предложено при разработке карбонатных месторождений использовать технологические схемы формирования нерабочих уступов камнерезными машинами в комбинации с буровзрывными работами или стреловыми комбайнами [2]. В результате анализа конструктивных и технологических особенностей камнерезных машин в увязке с требованиями, предъявляемыми к разработке карбонатных месторождений, разработаны нижеописанные варианты технологических схем.
Первый — комбинированный: (уступ по высоте делят на выемочные слои, высота которых равна рациональ-
ной глубине резания баровой машины) баровыми машинами по периметру подготавливаемого объема пород в пределах одного слоя выполняют вертикальные реза; затем в них на уровень подошвы вводят режущий канат аламазно-канатной пилы и отделяют объем в горизонтальной плоскости; далее в отделенном от массива объеме бурят скважины с недобуром до подошвы и выполняют взрывание; выемку взорванных пород осуществляют экскаватором или колесным погрузчиком (рис. 3).
Второй — безвзрывной: стреловой комбайн в пределах выемочного слоя выбирает породу до проектного контура с небольшим недобором; затем баровой машиной отделяют недобор в вертикальной плоскости, а снизу его откалывают клиньями или сверху убирают специальными захватами, установленными на колесных погрузчиках; в последнем слое комбайн оставляет недобор над нерабочей площадкой откоса, который в одну или несколько заходок подрезают баровыми машинами (рис. 4).
Высота слоя в первом и втором варианте зависит от типо-размера ба-ровой машины и ограничена прочностью пород. На основе анализа литературных данных по опыту разработки мраморных месторождений в Италии установлен характер данной зависимости (рис. 5).
При использовании только буровзрывных работ возможны два варианта: с контурным взрыванием (третий вариант) и без него (четвертый вариант).
Условия рационального применения технологических схем разработки месторождений карбонатных пород [3], установлены по максимуму индекса доходности при их использовании за период оценки пять лет (рис. 6).
Рис. 3. Комбинированная технологическая схема разработки карбонатных месторождений при формировании нерабочих уступов:
1 — баровая машина; 2 — вертикальный пропил баровой машины; 3 — камнерезная машина; 4 — скважины рыхления
Рис. 4. Технологическая схема разработки карбонатных месторождений без использования взрывных работ при формировании нерабочих уступов:
1 — стреловой комбайн; 2 — баровая машина
При выборе варианта технологии дополнительно необходимо учитывать характер и близость расположенной селитебной территории. Например, вблизи больших населенных пунктов наиболее предпочтительна схема без использования взрывных работ. В этом случае,
воздействие горных работ на окружающую среду минимально, а созданное выработанное пространство наиболее быстро и эффективно можно вовлечь в последующее промышленное использование. Анализ рис. 6 позволяет сделать вывод о том, что безвзрывные варианты
30
60
90
120
150
180
Предел прочности породы на одноосное сжатие, МПа
Рис. 5. Влияние предела прочности на одноосное сжатие на рациональную глубину резания баровой машины
технологии разработки карбонатных месторождений, основанные на применении различных модификаций камнерезных машин, несомненно перспективны. Причем, в условиях близости селитебных территорий область их применения значительно расширяется.
Кроме этого, сравнивая схемы между собой, необходимо оценивать характер их влияния на углы откосов нерабочих бортов карьеров.
200
180
160
140
120
100
80
60
40 1
Исследования, выполненные к.т.н. Вокиным В.Н. [4], свидетельствуют о том, что при увеличении срока службы нерабочих уступов при использовании буровзрывных работ происходит их выполажи-вание и засыпка предохранительных берм. Причем, интенсивность данного процесса возрастает с уменьшением прочности карбонатных пород и увеличением срока службы уступов. Данное обстоятельство предложено учитывать при определении параметров нерабочих бортов при их формировании различными способами.
При обобщении данных Вокина В.Н. в ходе исследований [5] доказано что, угол откоса нерабочего борта при его формировании без контурного взрывания или баровых машин следует устанавливать по формуле
р = я -Д^
(4)
5 9 13 17 21
Относительный показатель трудности разработки
25
Рис. 6. Диаграмма для определения условий рационального применения вариантов технологических схем разработки карбонатных месторождений:
1 — безвзрывной; 2 — комбинированный; 3, 4 — буровзрывной (3 — с контурным взрыванием; 4 — без контурного взрывания)
где фу — угол откоса нерабочего борта карьера по условиям устойчивости, град.; Дфд — поправка на уменьшение угла нерабочего борта карьера сформированного буровзрывным способом с течением времени, град.
Для определения угла откоса нерабочего борта карьера с учетом его выполажи-вания с течением времени за счет нарушения монолитности камня при буровзрывных работах получена зависимость, график которой представлен на рис. 7.
5
4
3
2
0
Рис. 7. Зависимость угла откоса нерабочего борта карьера от времени его службы и предела прочности карбонатной породы на одноосное сжатие
Рис. 8. Последовательность строительства здания в борту карьера: 1, 2 — выветренные и монолитные породы; 3 — штольня; 4 — междукамерный целик; 5 — потолочина
Для нормальной работы горного предприятия помимо горных выработок необходимы вспомогательные здания и сооружения для технического обслуживания оборудования и обеспечения требуемых санитарно-бытовых условий персоналу.
Затраты на создание и последующую эксплуатацию этих объектов достигают значительных величин. Поэтому необходимы поиски альтернативных решений. В связи с этим предложено здания и сооружения при открытой разработке месторождений карьеров карбонатных пород размещать в подземных выработках, пройденных в бортах карьеров [6].
Для их сооружения предложена следующая технология: в первую очередь удаляют выветренные породы на площади, необходимой для размещения строительного объекта; затем, с помощью баровых машин и самоходных стреловых комбайнов — разрабатывают монолитные породы до отметки первого слоя проходки подземной выработки (в монолитных породах оставляют предохранительную площадку); далее комбайном и самоходной баровой машиной проходят штольни, из которых, нарезают подземные выработки на высоту слоя.
Рис. 9. План здания в борту карбонатного карьера:
1 — барьерный целик; 2 — междукамерный целик; 3 — штольня; 4 — площадка
3000
1 ю
^ г£ 2500 £ж &
8 2 2000
о о.
п ГО
* 1500
0 Р
1 ° 1000
о
I § 500
о 24 0 О 0
40
60
80
1 00 1 20
140 160
Предел прочности породы на одноосное сжатие, МПа
Рис. 10. Себестоимость сооружения здания в борту карьера (1) и на поверхности (2)
По этой же технологии разрабатывают остальные слои на требуемую высоту строительного объекта. В конечном счете, на уровне почвы подземных выработок образуется площадка, а в борту карьера — выработки необходимых размеров (рис. 10).
При подобном размещении зданий и сооружений важную роль играет правильность определения параметров междуэтажных, между-
С выр = (
С К
камерных и барьерных целиков, необходимых для безопасного использования сооружений, расположенных в подземных выработках (рис. 8 и рис. 9).
Поскольку указанные работы должны выполнять специализированные организации, то оценку целесообразности строительства объектов вспомогательного назначения в подземных выработках можно выполнить, используя в качестве критерия себестоимость сооружения одного квадратного или кубического метра здания или сооружения. При этом размещение следует считать обоснованным, если себестоимость строительства здания в борту карьера в 1,5—2 раза меньше, чем на поверхности.
В ходе настоящих исследований себестоимость сооружения объектов вспомогательного назначения рассчитывали по формуле
■У,ыР + С БМ ' ^ рез
■) - К .
, руб/м3
(5)
где Ск — себестоимость выемки пород стреловым комбайном, руб./м3; Сбм — себестоимость резания породы баровой машиной, руб./м2; 1/выр
— объем строительного объекта в борту карьера, м3; 5рез — площадь боковой поверхности резания, м2; Кв
— коэффициент, учитывающий за-
траты на крепление и вспомогательные работы.
Зависимость себестоимости сооружения объектов вспомогательного назначения в борту карьера от прочности породы представлена на рис. 10. Анализ данных, представленных на рис. 10, свидетельствует о том, что размещение вспомогательных зданий и сооружений в подземных выработках, пройденных в бортах карьеров экономически целесообразно, даже в том случае если потребуются дополнительные затраты, связанные с укреплением
1. Назарова Е.Ю. Относительная оценка месторождений карбонатных пород по трудности разработки. // Сборник материалов Международной научно-практической конференции, посвященной 80-летию заслуженного деятеля науки и техники РФ, профессора Н.Х. Загирова — Красноярск: ГУЦМиЗ, 2005. — С. 225—227.
2. Назарова Е.Ю. Влияние технологии заоткоски на параметры нерабочих бортов карбонатных карьеров. // Совершенствование методов поиска и разведки, технологии, добычи и переработки полезных ископаемых: сборник материалов научно-практической конференции. — Красноярск: ГУЦМиЗ, 2006. — С. 61—64.
3. Назарова Е.Ю. Обоснование технологии разработки месторождений карбонатных пород вблизи селитебных территорий. Вестник КузГТУ. — Кемерово, 2007. № 1. — С. 17—19.
пород, осушением или изоляцией массива.
Выполненные исследования позволяют утверждать о большом будущем безвзрывных технологий разработки карбонатных месторождений, особенно вблизи селитебных территорий. Их применение позволит уменьшить экологическую нагрузку на селитебные территории, улучшить полноту использование недр, минимизировать затраты на подготовку выработанных пространств к размещению промышленных предприятий и объектов социального назначения.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
4. Вокин В.Н. Обоснование технологических параметров временно нерабочих бортов карьеров: Автореф. дисс... канд. техн. наук. — Красноярск, 2001.
— 22 с.
5. Косолапов А.И., Назарова Е.Ю. Оценка влияния времени отработки карбонатных месторождений на безопасные параметры нерабочих бортов карьеров. // Экология и безопасность жизнедеятельности: IV Международная научно-прак-тическая конференция — Пенза, 2004. — С. 67—68.
6. Назарова Е.Ю. Размещение производственных зданий и сооружений, созданных в бортах карбонатных карьеров. // Совершенствование методов поиска и разведки, технологии, добычи и переработки полезных ископаемых: Сборник материалов научно-практической конференции. — Красноярск: ГУЦМиЗ, 2006.
— С. 59—61. ЕЕЕ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Косолапов Александр Иннокентьевич — доктор технических наук, профессор, е-шаИ: [email protected],
Назарова Евгения Юрьевна — кандидат технических наук, доцент, е-шаЛ: [email protected], Сибирский федеральный университет., Институт горного дела, геологии и геотехнологий.
