CC BY
17
© Е.Л. Алькова, С.В. Панишев, С.П. Альков, 2012
Е.Л. Алькова, С.В. Панишев, С.П. Альков
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОТРАБОТКИ ГЛУБОКИХ ГОРИЗОНТОВ КИМБЕРЛИТОВЫХ КАРЬЕРОВ В УСЛОВИЯХ ПОВЫШЕННЫХ ВОДОПРИТОКОВ В ВЫРАБОТАННОЕ ПРОСТРАНСТВО
Предложен методический подход к выбору рациональной схемы водоотлива в условиях глубоких кимберлитовых карьеров АК «Алроса». Рассмотрены три схемы карьерного водоотлива. Предложены критерии, позволяющие выбрать рациональную схему водоотлива, обеспечивающую ресурсосбережение и повышение эффективности горных работ. Ключевые слова: кимберлитовые карьеры, карьерный водоотлив.
Особенностью отработки кимберлитовых карьеров Якутии является наличие водоносных горизонтов, содержащих токсичные рассолы с большими водо-притоками, достигающими 1200 м3/час и минерализацией до 400 г/л. В летний период к основным водопритокам добавляется естественный сток. Поэтому на всех кимберлитовых карьерах Якутии существует внутрикарьерный водоотлив.
Разработка штокообразных глубоких залежей полезных ископаемых, какими являются кимберлитовые трубки, с малыми размерами и округлой формой в плане, отличается от других тем, что вскрытие рабочих горизонтов производится в течение всего периода эксплуатации месторождения. При этом по мере развития горных работ в глубину транспортные и инженерные коммуникации постоянно переносятся до момента подхода уступов к конечному контуру карьера для обеспечения определенной последовательности отработки слоев.
С глубиной отработки уменьшаются длина фронта работ, длина экскаваторного блока, а это приводит к более частым перемещениям экскаватора, трудностям подготовки забоя, что
в конечном результате приводит к снижению производительности экскаватора. С ростом глубины карьеров уменьшаются объемы единичных массовых взрывов, что ведет к значительному увеличению частоты их взрывания, и обуславливает необходимость регулярного отключения насосных станций, демонтажа, переноса на безопасное расстояние водоотливных сооружений и после взрыва монтажа КВС для дальнейшей работы.
В таких сложных условиях обустройство карьерного водоотлива также влияет на уровень стесненности рабочей зоны. Все это предопределяет высокую степень взаимосвязи всех производственных процессов в карьере, что приводит к необходимости рассмотрения выбора рациональной схемы водоотлива с точки зрения единой системы «водоотлив-карьер».
На основе анализа практики ведения горных работ на карьерах АК «АЛРОСА» выделены три основных схемы обустройства водоотливных сооружений (рис. 1).
Рис. 1. Схемы водоотлива: 1 — с расположением зумпфа на горизонте отработки (одноступенчатая схема); 2 — с подготовкой зумпфа путем перебура рабочего горизонта (двухступенчатая схема); 3 — с расположением
зумпфа на нижележащем горизонте отработки, подготовленном опережающим вскрытием (двухступенчатая схема), где hз.o.1, hз.o.2 hз.o.з. — зоны обслуживания одной стоянки водоотлива
Одноступенчатая схема карьерного водоотлива (схема 1, рис. 1) характеризуется зумпфом больших размеров, расположенным на самой низкой отметке дна карьера. Емкость зумпфа рассчитана по максимальному суточному притоку карьерных вод.
Отличительной чертой двухступенчатых схем (схема 2, 3, рис. 1) является наличие металлических зумпфов-накопителей, расположенных выше горизонта отработки (схема 2), либо на горизонте отработки (схема 3). При схеме 2 забойный зумпф подготавливается путем перебура рабочего горизонта. При схеме 3 забойный зумпф готовится опережающим вскрытием и располагается на нижележащем горизонте. Достоинством двухступенчатых схем водоотлива, особенно в стесненных условиях отработки глубоких горизонтов карьера, являются минимальные размеры забойного зумпфа за счет возможности перекачки воды в металлические зумпфы-накопители.
Практика эксплуатации глубоких кимберлитовых карьеров показывает, что с понижением горных работ неуклонно уменьшаются размеры рабочей зоны карьера. Это, в конечном счете, приводит к трудностям размещения комплекса водоотливных сооружений, особенно с большими размерами зумпфа, и является одной из причин снижения производительности добычной техники. В связи с этим, уровень занятости карьерного пространства под КВС рекомендуется оценивать коэффициентом, характеризующимся отношением площади, занимаемой водоотливными установками, к площади дна карьера: с
К3п= с0^, (1)
с
°дна. к
где вком — площадь под КВС, м2; 5дна — площадь дна карьера, м2.
В результате горно-геометрического анализа установлено, что в соответствии с формой рудного тела и глубиной разработки, коэффициент занятости на карьерах АК «Алро-
са» («Удачный», «Зарница», «Нюр-бинский») имеет значения от 0,1210-3 до 33 10-3.
Показано, что с увеличением глубины отработки данный показатель увеличивается в 4-16 раз при одноступенчатой схеме водоотлива. Применение двухступенчатой схемы позволяет снизить уровень занятости в 3 — 9 раз. Так для карьера трубки «Нюрбинская» (рис. 2) наиболее интенсивно влияние глубины отработки на изменение занятости карьерного пространства под КВС проявляется с отметок ниже 200 м. Из рис. 2 следует, что до глубины 300 м применение двухступенчатой схемы обеспечивает уровень занятости в 1,8 раза меньше, чем при одноступенчатой схеме.
Для оценки влияния уровня занятости карьерного пространства под КВС на производительность горных машин используется показатель стесненности рабочей зоны (Ксз.) (Андросов А.Д., 1994 г.), характеризующий негативное влияние уровня стесненности рабочей зоны на производительность экскаватора на 1 м3 емкости ковша (П^): Ксз. = Д/Н, (2)
где Д — диаметр карьера по дневной поверхности, м; Н — глубина карьера, м.
Производительность экскаватора на 1 м3 емкости ковша, в зависимости от Ксз., рассчитывается по формуле:
^к = -1,82 + 55,48 Ксз. (3)
Проведенный анализ показывает, что коэффициент стесненности на глубоких горизонтах карьеров АК «АЛРОСА» изменяется от 2,0 до 3,6, причем наибольшая производитель-
Рас. 2. Изменение занятости карьерного пространства под водоотливными сооружениями с глубиной отработки карьера трубки «Нюрбинская»: 1 — одноступенчатая схема; 2 — двухступенчатая схема
ность экскаваторов соответствует показателю стесненности, равному 3,6.
Используя зависимость производительности экскаватора от стесненности рабочей зоны (3), установлена взаимосвязь производительности экскаватора на 1 м3 емкости ковша (П^) с занятостью карьерного пространства под КВС (рис. 3), которая описывается эмпирическим выражением:
Пчк = 23,127-Кз.п.-0'5, м3/год. (4)
Из представленной зависимости (4) и рисунка 3 следует, что с увеличением уровня занятости в 4 раза, с 0,005 до 0,02, производительность экскаватора на 1 м3 емкости ковша снижается на 30 %.
Исследованиями влияния типов схем водоотлива на уровень занятости рабочей зоны карьера под КВС установлено, что применение одноступенчатой схемы с большими размерами зумпфа, расположенном на горизонте установки, ведет к увеличению показателя занятости карьерного пространства под КВС и, как следствие, к существенному снижению производительности экскаватора на 1 м3 емкости ковша.
Применение двухступенчатой схемы водоотлива позволяет увеличить производительность экскаватора в 1,1 — 1,4 раза в зависимости от параметров карьера и глубины его отработки, за счет меньшей площади, занимаемой под КВС (рис. 4).
Для различных карьеров существенное влияние комплекса водоотливных сооружений на производительность экскаватора начинается с разных глубин ведения горных работ вследствие различия геометрических параметров кимберли-товых трубок.
0 0,01 0,02 0,03 0,04 Коэффициент занятости К з.п.
Рис. 3. Взаимосвязь производительности экскаватора на 1 м3 емкости ковша с занятостью карьерного пространства под КВС
Из горно-геометрического анализа условий отработки ряда кимберлитовых карьеров Якутии с использованием зависимости (4) следует, что при одноступенчатой схеме водоотлива для карьера «Нюрбинский» эта глубина составляет 255 м (рис. 4). С этой глубины требуемый уровень производственной мощности карьера уже не обеспечивается, и, на конец отработки карьера производительность экскаватора на 1 м3 емкости ковша, по сравнению с проектной, упадет в 1,5 раза. Для карьера «Удачный» это глубина 500 м. На конец отработки, до глубины 610 м, падение производительности произойдет в 1,4 раза. Для карьера а б
ч иоо
® 950 800 650 500 350 200 50
♦ Щк1 ■ 1к|к'2 А проектная Пак
150 250 350 450 550 650
Глубина отработки, м.
в
Рис. 4. Взаимосвязь производительности экскаватора на 1 м3 емкости ковша с глубиной отработки карьеров: а — «Нюрбинский»; б — «Удачный»; в — «Зарница». 1 — одноступенчатая схема; 2 — двухступенчатая схема
«Зарница» снижение производительности экскаватора на 1 м3 емкости ковша по причине занятости карьерного пространства под КВС начнется с глубины 360 м и до конца отработки составит 1,3 раза.
При двухступенчатой схеме водоотлива (схема 2, 3, рис. 4) на карьерах «Удачный» и «Зарница» снижение производительности не произойдет по причине больших размеров дна этих карьеров, а на карьере «Нюрбинский» снижение произ-
водительности добычных машин до проектной глубины отработки незначительное и составит всего 8 %.
Из рис. 1 следует, что та или иная схема водоотлива характеризует соответствующие объемы добытой рудной массы с одной стоянки КВС, находящиеся в зоне обслуживания водоотливных сооружений. При схеме с расположением зумпфа на горизонте отработки и при схеме с подготовкой зумпфа путем перебура рабочего горизонта высота зоны обслуживания равна высоте уступа ^з.о1, 2 = 1пуст.); при схеме с расположением зумпфа на нижележащем горизонте отработки, подготовленном опережающим вскрытием, высота зоны обслуживания равна высоте двух уступов ^зо3 = 2^ст. ).
Применение схемы водоотлива с расположением зумпфа на нижележащем горизонте, подготовленном опережающим вскрытием, позволяет существенно увеличить объем добываемой руды с одной стоянки КВС. В качестве примера на рис. 5 приведен один из графиков изменения объемов добычи рудной массы с глубиной отработки для условий эксплуатации карьера «Нюрбинский», откуда следует, что использование схемы 3 по отношению к схемам 1 и 2, позволяет увеличить объем добываемой руды с одной стоянки КВС до двух раз.
Объем добычи рудной массы с одной стоянки КВС определяет количество их перестановок и время простоев водоотлива по этой причине за весь срок отработки карьера. Больше всего простоев водоотлива в период монтажа-демонтажа комплекса водоотливных сооружений приходится на схемы с расположением зумпфа на горизонте отработки и
3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0
схема 3 -1-1-
2,4 2,0 1,6 1,2 0,8 0,4
0
50 100 150 200 250 Глубина отработки, м
300
Рис. 5. Изменение объемов добычи рудной массы в период между перестановками и времени их отработки с глубиной ведения горных работ карьера «Нюрбинский»
с подготовкой зумпфа перебуром рабочего горизонта (схемы 1 и 2, рис. 6).
При схеме водоотлива с расположением зумпфа на нижележащем горизонте, подготовленном опережающим вскрытием (схема 3, рис. 6), простои на монтаж-демонтаж водоотлива сокращаются до двух раз за счет увеличения подготовленных объемов руды в период между перестановками.
Таким образом, показано, что применение той или иной схемы водоотлива предопределяет объемы добытой рудной массы с одной стоянки КВС, число перестановок водоотливных установок и простои водоотлива в период монтажа-демонтажа во время эксплуатации карьера, а также уровень занятости карьерного пространства под водоотливными сооружениями. Все эти показатели изменяются по мере увели-
Снижение производительности экскаватора, связанное с занятостью карьерного пространства под КВС на глубоких горизонтах, ведет к увеличению срока отработки карьера и снижению его производственной мощности, простоям дорогостоящего горнотранспортного оборудования.
Для рассматриваемых карьеров определены потери производительности и увеличение срока отработки карьера по фактору уровня занятости карьерного пространства под КВС: — для карьера «Удачный», за 7 лет отработки с глубины 505 до 610 м, при одноступенчатой схеме уменьшение производительности на 1 экскаватор составит 8,3 млн т. При средней производительности карьера по руде 6,5 млн т/год снижение производственной мощности повлечет за собой
чения глубины отработки карьера.
20
15
ю
♦ схема 1,2 А схема 3
0 50 100 150 200 250 300 Глубина отработки, м.
Рис. 6. Изменение количества перестановок комплекса водоотливных сооружений и простоев водоотлива с глубиной отработки и типом применяемой схемы на карьере «Нюрбинский»
увеличение срока отработки карьера на 1,3 года. Применение двухступенчатой схемы влияния на производительность добычных машин не окажет;
— для карьера «Зарница», с глубины 350 до 400 м, при одноступенчатой схеме суммарные потери производительности на 1 экскаватор составят 3,8 млн т. При средней производительности карьера по руде 5 млн т./год снижение производственной мощности повлечет за собой увеличение срока отработки карьера на 0,8 года. Схемы с расположением зумпфа на нижележащем горизонте, подготовленном опережающим вскрытием и путем перебура рабочего пространства, не окажут существенного влияния на производственную мощность карьера для данных условий отработки;
— для карьера «Нюрбинский», при одноступенчатой схеме с глубины 255 м до конца отработки, снижение производительности
Таблица 1
Срок отработки карьера
Увеличение срока отработки карьера, лет
Карьер По фактору занятости ка- По фактору простоев Итого, лет (%)
рьерного пространства, водоотлива, лет
лет
О! со О! со О! со
го ги ги го го го го го го
г г г г г г г г г
си си си си си си си си си
о о о о о о о о о
Удачный 1,3 0,4 0,4 0,2 1,7 (4,3) 0,4 (1,0) 0,2 (0,5)
Зарница 0,8 0,2 0,2 0,1 1,0 (4,0) 0,2 (0,8) 0,1 (0,4)
Нюрбинский 2,8 0,3 0,3 0,2 0,2 0,1 3,0 (20,0) 0,5 (3,3) 0,4 (2,7)
с\
—I
на экскаватор составит — 3,3 млн т, при двухступенчатой схеме — 0,4 млн т, что сопровождается увеличением срока отработки, соответственно, на 2,8 и 0,3 года при средней производительности карьера по руде 1,2 млн т/год.
Таким образом, применение двухступенчатой схемы водоотлива, с меньшими размерами зумпфа, на карьерах «Удачный» и «Зарница» не окажет влияния на срок отработки карьера, а на карьере «Нюрбинский» позволит сократить срок отработки — на 2,5 года.
На увеличение срока отработки карьера также влияют простои водоотлива на монтаж-демонтаж комплекса водоотливных сооружений.
Расчетным путем установлено, что наибольшее увеличение срока отработки карьера по фактору простоев водоотлива присуще схемам с расположением зумпфа на горизонте отработки и с подготовкой зумпфа путем перебура рабочего горизонта, а наименьшее — схеме с расположением зумпфа на нижележащем горизонте, подготовленном опережающим вскрытием. Последняя схема обеспечивает минимальные простои карьера, связанные с перемещением КВС и наименьшую занятость карьерного пространства под водоотливными сооружениями (табл. 1).
На основе исследований разработана методика выбора рациональной схемы водоотлива, основанная на комплексном подходе, учитывающая закономерности совокупного влияния технологических и организационных факторов системы «водоотлив-карьер» на производственную мощность карьера с глубиной отработки. Методика позволяет на стадии проектирования и эксплуатации обосновать и выбрать рациональную схему водоотлива глубоких обводненных кимбер-литовых карьеров, еш
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Алькова Елена Леонидовна — кандидат технических наук, научный сотрудник,
Панишев Сергей Викторович — кандидат технических наук, старший научный сотрудник, s.v.panishev@igds.ysn.ru,
Институт горного дела Севера им Н.В. Черского Сибирского отделения РАН,
Альков Сергей Прокофьевич — старший преподаватель, serg-mine@yandex.ru,
Северо-Восточный федеральный университет им. М.К. Аммосова.
