Повышение эффективности разработки открытым способом глубокозалегающих россыпей криолитозоны Северо-Востока Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© Г.Г. Михайленко, А.И. Зинченко, 2013

УДК 622.271.5

Г.Г. Михайленко, А.И. Зинченко

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАЗРАБОТКИ ОТКРЫТЫМ СПОСОБОМ ГЛУБОКОЗАЛЕГАЮЩИХ РОССЫПЕЙ КРИОЛИТОЗОНЫ СЕВЕРО-ВОСТОКА

Отражены состояние и перспективы повышения эффективности освоения глубокозалегаюших россыпей криолитозоны Северо-Востока на основе применения комбинированного способа подготовки пород к выемке. Ключевые слова: технология, горное оборудование, россыпные месторождения..

На современном этапе разработки россыпных месторождений золота одним из главных резервов укрепления минерально-сырьевой базы и прироста добычи золота Северо-Восточного региона России является освоение глубокозалегаюших россыпей с бедным содержанием, но значительными объемами горной массы и глубиной залегания золотоносного пласта.

К таким россыпям можно отнести россыпи рассеяния. Для россыпей рассеяния характерны: большие плошадные размеры (при ширине 500—800 м и более длина составляет несколько км); пластово-плашеобразная форма; относительно повышенные мошности торфов (до 20—30 м) и песков (в среднем 1,5— 2,0 м); ярко выраженный гнездовый характер распределения металла с его невысоким содержанием в целом (до 1,0— 2,0 г/м3); повышенная плошадная продуктивность, позволяю-шая вовлекать в эксплуатацию значительные плошади (сотни тысяч м2), особенно в долинах высоких порядков.

Концентрация запасов в больших по плошади золотоносных россыпях рассеяния способствует организации их эффективного освоения крупными карьерами на основе применения прогрессивных ресурсо- и природосберегаюших технологий, обеспечиваюших высокую производительность оборудования, интенсификацию горных работ и сокрашение потерь полезного ископаемого.

Всесоюзный научно-исследовательский институт золота и редких металлов ВНИИ-1 (г. Магадан) в восьмидесятые годы прошлого столетия связывал дальнейшее развитие минерально-сырьевой базы россыпной золотодобычи Северо-Востока России с освоением крупных глубокозалегающих месторождений с более сложными условиями локализации. В качестве основного направления совершенствования горного производства при освоении этих россыпей было определено целесообразное сочетание высокопроизводительного оборудования цикличного действия, объединенного во вскрышные комплексы, работающие по транспортной, бестранспортной и комбинированной схемам. В эти комплексы вошли: шагающие экскаваторы-драглайны ЭШ-5/45 и ЭШ — 10/70, карьерные экскаваторы ЭКГ-4,6 и ЭКГ-8И; большегрузные автосамосвалы; буровые станки 2СБШ-200 и СБШ-250 МН; бульдозерно-рыхлительные агрегаты на базе тракторов с двигателями мощностью 300, 385, 410 и 524 л.с.; скреперы с ковшами вместимостью 10 и 15 м3; грунтовые насосы 10ГрУТ-8 и 12ГрУТ-12; погрузчики Н-400С, ИС-570 и другое оборудование [1].

Данные механизированные комплексы делали, в экономической ситуации того времени, технически возможным разрабатывать россыпные месторождения с глубиной залегания продуктивного пласта более 15—20 м в сложных горногеологических условиях.

Из всех способов подготовки пород к выемке наибольшая условная интенсивность понижения горных работ, определенная по методике института ВНИИ-1, обеспечивалась при буровзрывном способе. Например, условная интенсивность понижения горных работ на галечно-щебенистых породах при буровзрывном способе по данным ВНИИ-1 составляла 45,1 м против 18,4 м — при механическом рыхлении [2]. Буровзрывной способ подготовки пород к выемке в те годы был основным и широко применялся при разработке глубокозалегающих россыпных месторождений.

Вместе с тем исследованиями института ВНИИ-1 и учеными других институтов было установлено, что при росте кусковато-сти взорванной горной массы с 0,1 до 0,5 м эксплуатационная производительность фронтального погрузчика ИС-570 снижается в 2,7 раза, бульдозера Д-375А-1 — в 1,75 раза [3, 4].

Производительность экскаватора ЭКГ-4,6 при росте кус-коватости взорванной горной массы с 0,1 до 0,4 м снижается в 2,5 раза [5].

По данным Иркутского политехнического института и научно-исследовательского института Иргиредмет при росте кус-коватости взорванной горной массы с 0,1 до 0,5 м техническая производительность шагающих экскаваторов ЭШ-10/70 и ЭШ 15/90 снижается соответственно в 3 и 2 раза [6].

Годовая выработка драглайна ЭШ-10/70 при росте диаметра среднего куска экскавируемой горной массы с 0,1 до 0,5 м снижается за год с 2315,8 до 483,1 тыс. м3, то есть в 4,8 раза (таблица). Из таблицы также видно, что выработка экскаватора ЭШ-10/70 за теплый период года (май—сентябрь) при среднем диаметре куска 0,1 м составляет 1209,4 тыс. м3, что в 4,8 и 2,7 раза больше, чем при среднем диаметре куска соответственно 0,5 и 0,4 м за тот же период года [6].

Наряду с размером среднего куска породы важным для работы выемочного оборудования является календарный период их эксплуатации в году. Обращает на себя особое внимание то, что выработка экскаватора ЭШ-10/70 только за теплый период года (май-сентябрь) при среднем диаметре куска 0,1 м в 2,5 и 1,4 раза больше, чем выработка этого экскаватора за весь год работы при среднем диаметре куска равном соответственно 0,5 и 0,4 м (таблица).

Для того, чтобы средний диаметр кусков взорванной породы не превышал 0,20 м необходимо затрачивать на дробление мерзлой породы до 5000 кДж/м3 энергии взрывчатых веществ, то есть необходимо увеличивать удельный расход ВВ и снижать выход горной массы с одного метра скважины. В итоге стоимость буровзрывных работ значительно возрастает. Известно, что стоимость 1 МДж химической энергии ВВ в 29— 30 раз выше стоимости 1 МДж тепловой энергии и в 10 раз — 1 МДж электрической энергии [5].

В современной экономической ситуации высокая стоимость буровзрывных работ, большая кусковатость разрушенных взрывом пород, возможность применения буровзрывного способа на разработке россыпей Северо-Востока только в холодный период года, низкая общая производительность механизированных комплексов, высокая себестоимость разработки 1 м3 горной массы сводят к нулю преимущества буровзрывного

оо Таблица 1

Эксплуатационная производительность экскаватора ЭШ-10/70 в зависимости от кусковатости взорванной горной массы при угле поворота 90°

Показатель Февраль Март Апрель Май— сентябрь Октябрь Ноябрь Декабрь Всего за гол

Продолжительность сезона, дни 18 31 30 153 31 30 21 314

Количество рабочих дней 17 26 26 129 26 23 18 265

Коэффициент снижения производительности в холодный период года, а 0,8 0,85 0.93 1,0 0,93 0,85 0,8

Суточная производительность (м3) с учетом а и Ки при среднем диаметре кусков, м:

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 7500 5937 4312 2804 1565 7969 6308 4582 2979 1662 8719 6902 5013 3260 1819 9375 7421 5391 3505 1956 8719 6902 5013 3260 1819 7969 6308 4582 2979 1662 7500 5937 4312 2804 1565 8730 6917 5024 3263 1823

Окончание табл.

Показатель Февраль Март Апрель Май— сентябрь Октябрь Ноябрь Декабрь Всего за гол

Производительность (тыс. м3) по периодам

года при среднем диа-

метре кусков, м:

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 127,5 207,2 226,7 1209,4 226,7 183,3 135,0 2315,8

100,9 164,0 179,5 957,4 179,5 145,0 106,8 1833,1

73,3 119,1 130,3 695,4 130,3 105,4 77,6 1331,4

47,7 77,5 84,7 452,2 84,7 68,5 50,5 865,8

26,6 43,2 47,3 252,3 47,3 38,2 28,2 483,1

* Коэффициент использования шагающего экскаватора ЭШ-10/70 во времени суток

способа подготовки пород к выемке по такому важному показателю, как интенсивность понижения горных работ.

Результаты исследований диктуют необходимость изыскания технологии подготовки пород к выемке, обеспечивающей интенсивное понижение открытых горных работ и высокую производительность механизированного выемочно-транспор-тирующего комплекса с низкими затратами при освоении глу-бокозалегающих россыпей в благоприятный для эксплуатации техники теплый период года.

В зависимости от мерзлотно-геологических условий, гранулометрического состава отложений, слагающих россыпные месторождения, а также от горнотехнических условий эксплуатации россыпных месторождений Северо-Востока России предусмотрены соответствующие способы подготовки мерзлых пород к выемке: с помощью буровзрывных работ, гидравлическим оттаиванием и механическим рыхлением.

Анализ существующих способов подготовки многолетне-мерзлых пород к выемке показывает, что для освоения глубо-козалегающих сложноструктурных россыпей по возможности эффективного применения на многолетнемерзлых породах всех, встречающихся на практике разработки россыпей, категориях по ЦБНТ, по технико-экономическим показателям, по периоду ведения горных работ в году, наиболее оптимальным способом подготовки пород к выемке является механическое рыхление с применением мощных современных бульдозерно-рыхлительных агрегатов тягового класса до 75 тс.

Механическое рыхление мерзлых пород технологически наиболее простой и универсальный способ подготовки пород к выемке. Благоприятный период применения механического рыхления как по температуре воздуха, так и по температуре мерзлых пород составляет 200—220 дней, с третьей декады марта по октябрь.

Отметим, что выводы института ВНИИ-1 по низкой условной годовой интенсивности понижения горных работ относительно механического рыхления справедливы только для бульдозерно-рыхлительного агрегата 9Б тягового класса 35 тс (мощность двигателя 301 кВт) при производительности рыхления пород VI категории по ЦБНТ 62—92 м3/час [2]. Дальнейшие исследования показали, что с увеличением массы и мощности двигателя бульдозерно-рыхлительных агрегатов

производительность механического рыхления мерзлых пород возрастает, а область их эффективного применения на породах с различными физико-механическими свойствами расширяется.

Экспериментальные исследования в производственных условиях бульдозерно-рыхлительного агрегата тягового класса 75 тс (Катерпиллер Д-10, мощность двигателя 515 кВт) при рыхлении мерзлых пород V—VI категории по ЦБНТ показали, что его производительность в холодный период года составляет 268 м /час, то есть возрастает по сравнению с рыхлителем 9Б в три раза [7]. При такой производительности условная интенсивность понижения горных работ, определяемая по методике института ВНИИ-1, сопоставима с буровзрывным способом подготовки пород к выемке. Маркшейдерскими замерами результатов работы бульдозерно-рыхлительного агрегата тягового класса 75 тс на рыхлении мерзлых галечно-щебенистых пород в весенний период года установлена техническая производительность на рыхлении 948, 9 м3/час. Отсюда следует, что условная интенсивность понижения горных работ, определяемая по методике института ВНИИ-1, с применением на рыхлении бульдозерно-рыхлительных агрегатов тягового класса 75 тс в теплый период года может быть значительно выше, чем при бурозрывном способе. В последние годы на горных предприятиях Северо-Востока все шире стали применять еще более мощные бульдозерно-рыхлительные агрегаты тягового класса 75 тс Комацу D-475, Катерпиллер D-11N.

Производительность рыхления мерзлых пород зависит от глубины рыхления, шага рыхления, скоростей рабочего и холостого хода агрегата, физико-механических свойств пород. С увеличением глубины и шага рыхления производительность бульдозерно-рыхлительных агрегатов класса тяги 75 тс возрастает на любых типах мерзлых пород. При этом возрастает и средний диаметр куска разрыхленной горной массы. Для галечно-щебенистых пород при глубине рыхления 1,0 м и шаге рыхления 1,2 м средний диаметр куска разрыхленной горной массы достигает 0,38—0,42 м в зависимости от температуры породы.

Для горнодобывающих предприятий Северо-Восточного региона с его жестким климатом и меньшей продолжительностью теплого периода года, благоприятного для работы горного оборудования, средний диаметр куска разрушенной породы

должен быть меньше по сравнению с районами с умеренным климатом и составлять, как видно из приведенных данных, не более 0,1 м.

На наш взгляд, одним из эффективных способов подготовки пород к выемке с получением куска породы со средним диаметром 0,1 м является комбинированный способ, основанный на механическом дроблении мерзлого массива и оттаивании дробленных пород орошением водой. При таком способе подготовки мерзлых пород к выемке может быть обеспечено сочетание высокой интенсивности понижения горных работ, присущей механическому рыхлению, с низкими затратами энергетических и материальных ресурсов, характерных для дождевального способа оттаивания.

По себестоимости дождевальный способ оттаивания относится к числу наиболее экономичных, он приблизительно в два раза дешевле гидроиглового. Около двух третей затрат падает на заработную плату и электроэнергию. Внимание практиков этот метод привлекал и привлекает простотой его реализации и высокими технико-экономическими показателями.

При дождевальном оттаивании породы движение фильтрационного потока обусловливается разностью уровней отдельных участков поверхности орошаемой площади. Рельеф поверхности может обеспечить фильтрационный поток без проведения специальных дренажных выработок. Дождевальный способ оттаивания позволяет производить работы на участках с неровным рельефом поверхности, на отвалах пород, глыбах и т.п. Кроме того, оттайку дождеванием рекомендуют начинать как можно раньше — практически при первом появлении воды [8].

Исходя из этих положений, для реализации идеи по комбинированной подготовке мерзлых пород к выемке, предлагается в теплый период года применять технологическую схему рыхления мерзлых пород тонкими наклонными слоями при уклоне плоскости забоя до 250 на всю мощность уступа. Такая технологическая схема позволяет обеспечить фильтрационный поток при дождевании без проведения специальных дренажных выработок. Кроме того, при работе под уклон тяговое усилие бульдозерно-рыхлительного агрегата увеличивается, что позволяет повысить производительность рыхления мерзлых пород. Например, с увеличением угла наклона плоскости забоя

уступа до 140 техническая производительность бульдозерно-рыхлительного агрегата на рыхлении возрастает на 26% [2].

После рыхления мерзлого массива наклонными слоями буль-дозерно-рыхлительным агрегатом раздробленную породу подвергают дождеванию с помощью гидромониторов, установленных на кровле уступа, подготавливаемого к разработке блока.

Физическая сущность процесса оттаивания пород в зонах рыхления соответствует 2-му типу конвективного теплообмена [8]. В результате механического рыхления резко возрастает удельная поверхность контакта воды с мерзлыми породами, благодаря чему удается достигнуть высокого коэффициента теплоотдачи (0,7—0,8) при норме полива 0,15 м/ч и сравнительно большой скорости оттаивания [8].

Продолжительность цикла дождевания механически разрыхленных мерзлых пород можно определить, воспользовавшись методикой расчета времени оттаивания дробленных горных пород, разработанной в институте ВНИИ-1 [9].

Большой объем испытаний, проведенных в лабораторных условиях института и на полигонах золотодобывающих предприятий Северо-Востока, а также теоретическая обработка полученных материалов, показали довольно сложную зависимость времени оттаивания раздробленной мерзлой породы от целого ряда факторов, изменяющихся в процессе оттаивания. Эта зависимость в безразмерном выражении имеет вид: ^ = {[Не, Рг, В, Ми, (1)

где: Го = ам 2 Т — критерий Фурье, выражающий безразмерное Н

время оттаивания (2)

мерзлого куска породы радиуса Н;

=--- — критерий Стантона, характеризующий теп-

св 'Ув ' ^ср

лоотдачу потока воды; (3)

Н

Ыи = а— — критерий теплоотдачи Нуссельта; (4)

X в

■ н

Не = —--критерий Рейнольдса, характеризующий фильт-

V в

рационные свойства оттаивающей породы; (5)

Рг = — — критерий Прандтля, характеризующий теплопро-ав

водность среды. (6)

Критерий Стантона может быть выражен через критерий Нуссельта, критерий Рейнольдса и критерий Прандтля в виде следующей зависимости:

Б( = (7)

Не- Рг

Соответствие между температурными полями потока воды и оттаивающего мерзлого куска породы устанавливается критерием Био (В1), характеризующим интенсивность процесса теплообмена:

В1 = а— (8)

Хм

В результате обработки многочисленных лабораторных экспериментов и натурных наблюдений была получена зависимость между указанными критериями:

г" В = 0,260, (9)

* • ^

У м

здесь: К • --безразмерный комплекс, характеризующий аг-

Х м

регатное состояние вещества;

г

К=--критерий Кутателадзе, являющийся мерой

См - (То - Тп)

отношения (10)

тепла, идущего на изменение агрегатного состояния (г), к теплоте перегрева или переохлаждения начальной фазы относительно температуры на границе раздела сред (Тп ).

Индекс «в» во всех формулах определяет принадлежность к воде, а индекс «м» — принадлежность к мерзлой породе.

Воспользовавшись указанными зависимостями и задавая исходные параметры:

X В = 0,49 ккал/м-ч-°С — теплопроводность воды;

X м = 1,8 ккал/м-ч-0С — •

:-ч- С — теплопроводность мерзлой породы; См = 0,27 ккал/кг-°С — теплоемкость мерзлой породы; у м = 2200 кг/м3 — плотность породы в мерзлом состоянии; ,э

С = 300 кг/м — льдистость породы;

То = 5,5 0С — усредненное значение температуры воды;

Тп = 0 0С — температура на границе раздела сред;

а = 82,57 ккал/м2- ч- 0С — коэффициент теплоотдачи;

— = 0,2 м — размер куска мерзлой породы (принимаем кусок породы условно в форме шара с радиусом —);

ам = 0,0029 м2/час — коэффициент температуропроводности мерзлой породы;

г = 79,94 ккал/кг — тепло фазового перехода,

ф Ро •К 2

по формуле т =- находим время оттаивания мерзлого

а м

куска породы (11)

диаметром 400 мм при дождевальном оттаивании, т = 6,04 часа.

Учитывая, что россыпи рассеяния с мощностью торфов до 20—30 м имеют большие площадные размеры, концепция их эффективного освоения предопределяет применение технологии разработки на всю глубину и по всему поперечному сечению с размещением пустых пород в выработанном пространстве. Такая технология, с длиной фронта по всему поперечному сечению, хорошо сочетается с предлагаемым комбинированным способом подготовки пород к выемке наклонными слоями на всю мощность уступа (вскрыши), поскольку допускает производить разупрочнение пород с большим опережением по длине фронта работ, что исключает простои выемочного оборудования.

Высокая интенсивность подготовки пород к выемке в теплый период года с получением куска породы со средним диаметром 0,1 м позволяет эффективно применять при освоении глубокозалегающих россыпей высокопроизводительные комплексы горного оборудования, например, многоковшовые экскаваторы непрерывного действия с конвейерным транспортом по циклично-поточной и поточной технологиям с использованием в полной мере возможности размещения отвалов в выработанном пространстве.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Толпегин Ю.Г. Технико-экономическая оценка расширения открытого способа разработки россыпей в связи с новыми технологическими решениями / Ю.Г. Толпегин, А.Н. Федоров // Совершенствование технологии разработки россыпных месторождений: сб. науч. тр. ВНИИ-1. — Магадан, 1981. С. 16—19.

2. Техника и технология подготовки многолетнемерзлых пород к выемке / В.И. Емельянов [и др.]. — М.: Недра, 1978. — 280 с.

3. Исследование технологических параметров и определение эффективной области применения фронтальных погрузчиков на разработке вечно-мерзлых россыпей: отчет / ВНИИ-1; рук. Мамаев Ю.А. — Магадан, 1978. — 37 с. — Инв. № 1379.

4. Трубецкой К.Н. Производительность карьерных погрузчиков и пути ее повышения / К.Н. Трубецкой // Повышение эффективности разработки твердых полезных ископаемых. — М.: ИПКОН АН СССР, 1980. — С. 86—95.

5. Тангаев И.А. Энергоемкость процессов добычи и переработки полезных ископаемых / И.А. Тангаев. — М.: Недра, 1986. — 231 с.

6. Производительность шагающих драглайнов при разработке сильнова-лунистых россыпей / В.Г. Авлов [и др.] // Колыма. — 1984. — № 2. — С. 12—14.

7. Исследовательские испытания бульдозерно-рыхлительного агрегата Д-10 фирмы «Катерпиллар» (США) в условиях открытых горных работ Северо-Восточного региона СССР: отчет о НИР / ВНИИ-1; исполн. Коротчен-ко А.К. — Магадан, 1982. — 78 с. — шифр темы КП-6 Г. 12 Дог. 770. — Инв. № СП-309.

8. Перльштейн Г.З. Водно-тепловая мелиорация пород на Северо-Востоке СССР / Г.З. Перльштейн. — Новосибирск: Наука, 1979. — 304 с.

9. Зинченко А.И. Экспериментальное исследование и расчет теплообмена при оттаивании дробленных горных пород водой / А.И. Зинченко, И.М. Папернов. // Колыма. — 1978. — № 5. — С. 10—15.

10. Гухман А.А. Применение теории подобия к исследованию процессов тепло-массообмена / А.А. Гухман. — М.: Высшая школа, 1973.

11. Гухман А.А. Введение в теорию подобия / А.А. Гухман. — М.: Высшая школа, 1973. н'.мз

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Михайленко Григорий Григорьевич — кандидат технических наук, доцент, зав. кафедрой горного дела, член — корреспондент МАНЭБ, Зинченко Алексей Иванович — кандидат технических наук, доцент, зав. кафедрой физики и общеинженерных дисциплин,

Северо-Восточный государственный университет, severgrigm@rambler.ru.