Природоохранная технология открытой разработки месторождений в условиях многолетней мерзлоты Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ 8 і £ 0ч £ 1

МОСКВА ^МГГУ.я31яянваря*г -я4яфевраляя2000я-одая

.Б.Н. Заровняев, 2000

ЯГ...................

УЛК 622.271:581.5:551.34

Б.Н. Заровняев

ПРИРОДООХРАННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ОТКРЫТОЙ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ В УСЛОВИЯХ МНОГОЛЕТНЕЙ МЕРЗЛОТЫ

Развитие экономики страны обусловливает необходимость поддержания и наращивания объемов добычи полезных ископаемых. Это происходит на фоне увеличения мощности вскрыши, снижения технико-экономи-ческих показателей и накопления нарушенных земель. В основном все угольные и россыпные месторождения зоны многолетней мерзлоты имеют благоприятные горногеологические условия залегания для внутреннего отвалообразования драглайнами. Как показывает опыт разработки многолетнемерзлых пород, драглайны используются только при переработке разрыхленной горной массы. В связи с этим увеличение объемов вскрыши за последние годы привело к росту объемов буровзрывных работ на 36,1 %, в 1,5 раза увеличились объемы зимней вскрыши с буровзрывным рыхлением, что в свою очередь привело к повышению себестоимости добычи полезных ископаемых. В структуре себестоимости значительная доля затрат приходится и на экскавацию вскрыши во внутренний отвал, объем которых растет с увеличением мощности вскрыши. Таким образом, дальнейшее повышение эффективности открытых горных работ возможно в результате сокращения объемов буровзрывных работ и экскавации.

При достигнутых масштабах открытых горных работ площадь нарушаемых земель составляет 200-250 га на 1 млн м3 полезных ископаемых. За 60 лет разработки россыпных месторождений Якутии нарушено земли свыше 150 тыс. га при ежегодном приросте 3-4 тыс. га, а восстановлено менее 1,5-2 %. При существующей технологии ведения вскрышных работ рекультивация нарушенных земель производится раздельно и тре-

бует дополнительных затрат на ее проведение, что привело к тенденции накопления нарушенных земель. Это обстоятельство требует разработки технологии ведения горных работ, предусматривающую

увеличение вместимости и одновременную рекультивацию нарушенных земель.

Изложенное является проявлением технического противоречия между существующей технологией ведения открытых горных работ с внутренним отвалообразованием и комплексным решением проблем снижения себестоимости и сокращения площади нарушаемых земель, что в свою очередь выдвинуло новую актуальную научную проблему снижения объемов переработки горной массы при нарастающей мощности вскрыши и сокращения площади нарушаемых земель.

Одним из направлений решения этой проблемы является нетрадиционная технология перемещения крупных объемов вскрышных пород монолитными блоками [1].

Вскрышные породы россыпных и угольных месторождений Северо-Восто-ка представлены в основном чередующимися пластами песчаников, алевролитов и глин с включением песчаноглинистых пород сложного строения, на россыпных месторождениях преобладают супеси и суглинки. Коренное изменение физического состояния разрабатываемых пород за счет образования льда-цемента при низких температурах способствует одновременному проявлению совокупности упругих, пластичных и вязких свойств под действием статических нагрузок. Для раскрытия природы этих свойств и характера деформаций в процессе нагружения, проводились комплексные испытания образцов многолетнемерзлых осадочных пород, которые подтверждают вывод о том, что несмотря на небольшие значения предела прочности на одноосное сжатие (ссж = =8,036-14,4 МПа), мерзлые породы имеют высокую сопротивляемость в условиях динамической нагрузки.

Таким образом, рыхлые осадочные отложения благодаря цементации их частиц льдом можно рассматривать как монолитный массив, свойства

которого зависят от его температуры. На глубине свыше 1,5-2 м температура пород постоянная и составляет ниже -5-6 °С. Другим фактором, влияющим на работоспособность технологии является коэффициент вскрыши. В силу технологических особенностей объектом применения способа являются месторождения с коэффициентом вскрыши 2 и более.

Технология защищена патентом РФ [1] и предусматривает создание динамичной формы крупногабаритного блока оконтуривающими скважинами в тыльной и торцевой частях блока, извлечение нижней треугольной призмы для облегчения выведения блока из состояния равновесия путем приближения точки опоры к вертикальной проекции центра тяжести. Таким образом, искусственно создается новая точка опоры, приближенная к проекции центра тяжести в состоянии покоя блока. Для выведения блока из состояния равновесия достаточно наклонить его, чтобы проекция центра тяжести оказалась за точкой опоры (условие 1 фазы перемещения).

Во второй фазе блок вращается относительно верхней кромки подсечной выработки. Условием динамичности начала II фазы является величина угла подсечки, которая должна составлять более 25°. При меньших значениях кинетическая энергия блока превращается в 0 и блок прекращает движение в начале II фазы. Вторым условием динамичности блока во II фазе является ширина блока, которая должна составлять меньше 2/3 его высоты.

В третьей фазе блок вращается относительно верхней кромки добычного уступа. Условием динамичности в III фазе является ширина площадки добычного уступа, которая не должна превышать 1/2 высоты блока.

В четвертой фазе блок вращается относительно своей верхней кромки и условием динамичности является соотношение высоты добычного уступа к высоте блока равное 0,43 и более. В противном случае блок прекращает движение опершись на верхнюю кромку. Для обеспечения безопасного угла откоса внутреннего отвала при формировании крупногабаритных блоков заблаговременно снимается верхняя треугольная призма. При этом главным условием работоспособности технологии является условие, при котором сумма высоты добычного уступа и ширины его площадки равна высоте блока, что обеспечивает вращение блока в III стадии.

Это позволяет обеспечить динамичность крупногабаритного блока его геометрической формой, которая определяется формированием треугольной подсечной выработки со стороны откоса с углом наклона более 20°, извлечением верхней треугольной призмы, обеспечивающей безопасный угол откоса внутреннего отвала, при этом высота блока определяется как сумма высоты добычного уступа и ширины его площадки [2]. Дальнейшее перемещение происходит благодаря запасу кинетической энергии, накопленной в процессе перемещения и набранной скорости.

Происходящие в процессе перемещения перераспределение напряжений внутри крупногабаритных блоков исследовались моделированием на оптически чувствительных материалах [3]. Интерференционные картины при этом получались без внешней нагрузки, под действием собственного веса материала. В конце 1 фазы перемещения максимальные напряжения концентрируются в точке защемления. В конце II фазы перемещения, когда блок образует консоль в горизонтальном положении максимальные напряжения развиваются по середине образовавшейся консоли. Введение породной подушки позволяет сгладить пиковое напряжение и равномерно распределить его по блоку. В конце III фазы перемещения максимальные напряжения сконцентрированы на точках касания блока с почвой и опоры на бровку добычного уступа. Таким образом, исследованиями на моделях из оптически чувствительных материалов установлены зоны максимальных напряжений, на точках контакта блока с опорной поверхностью.

Одной из проблем работоспособности техно -логии является формирование и отделение блока, которую на данном этапе развития технологии можно достичь буровзрывным способом.

Экспериментами на образование камуфлетной полости установлено, что в ближней зоне на разогрев и пластические деформации поглощается 85-95 % потенциальной энергии заряда. При этом радиус взрывной полости составляет от 3 до 6,5 *Язар, а радиус зоны уплотнения и пластической деформации - 17Язар. Это позволило установить прогнозное расстояние между зарядами, обеспечивающими направленное трещинообразование от 3-6,5^ до 17ё3.

Результаты экспериментальных работ позволили разработать методику расчета необходимой удельной энергии, затрачиваемой на раз-

рушение 1 м2 поверхности раскола на основании энергетического показателя разрушения осадочных многолетнемерзлых горных пород, полученного с учетом пределов их прочности и диаграмм напряжение-деформация. В результате получен удельный расход ВВ на образование 1 м2 раскола в осадочных многолетнемерзлых породах, равный 0,595 кГ/м2. Оценка эффективности взрывного раскола произведена с помощью удельного расхода ВВ на площадь раскола gp = Овв^р, кГ/м2 и Кр = ^ЦД, где £ЬТр -суммарная длина вновь образовавшихся трещин; 1р - база раскалываемого участка. При этом, направленный раскол достигается при Кр>1. В результате исследований установлены верхние и нижние пределы расстояния между зарядами, обеспечивающие направленное тре-щинообразование от 8-10^ до 15-16^.

Таким образом, эксперименты показали возможность оконтуривания и отделения крупногабаритных блоков буровзрывным способом.

На основании выполненных исследований разработана технология ведения вскрышных работ с внутренним отвалообразованием, предусматривающая проведение капитальной и разрезной траншей, создание пионерного пространства для размещения блоков. Предлагаются три технологические схемы расстановки вскрышного и добычного комплексов по фронту работ при однобортовой и двухбортовой схемах развития:

• развитие фронта работ с одного фланга;

• фронт вскрышных и добычных работ развивается с двух флангов;

• центральное вскрытие и расположение опережающего забоя капитальной траншеи по центру.

Технология предусматривает разработку продуктивного пласта узким забоем, тупиковыми за-ходками с применением мобильных погрузчиков в комплексе с автосамосвалами. Технологические схемы предусматривают снятие верхней треугольной призмы вместе с плодородным слоем и их размещение на отвал из крупногабаритных блоков, осуществляя тем самым совмещение рекультивации внутреннего отвала с горными ра-

ботами. В процессе отработки месторождения нарушенной остается только рабочая зона карьера.

Таким образом, основным принципом техно -логических схем ведения горных работ является системное использование выработанного пространства для размещения крупногабаритных блоков, пород остаточной вскрыши, верхней и нижней треугольной призм.

В результате образуется комбинированный отвал из крупногабаритных блоков и пород остаточной вскрыши. Объем пород отвала при этом определяется из объемов крупногабаритных блоков и объемов остаточной вскрыши, пород подсечной выработки и верхней треугольной призмы с учетом коэффициента разрыхления.

Благодаря укладке вскрыши во внутренний отвал крупногабаритными блоками без разрыхления, технология позволяет увеличить емкость отвала на 21-24 % при Кв= 2.

Технология предназначена для разработки горизонтальных и пологих россыпных и угольных месторождений с мощностью вскрыши от 6 до 10-12 м. Основным фактором, определяющим производительность технологии и скорость под-вигания фронта горных работ, является производительность бурения скважин оконтуривающего ряда, подсечной выработки и верхней призмы. Интенсивность технологии может быть повышена применением буровых станков ДГА-550, КГА-660, Коммандо-660.

Предлагаемая технология может обеспечить при однобортовой схеме, одностороннем развитии фронта горных работ и односменной работе годовой объем вскрыши от 26230 до 105460 м3 в год, при двухсменной - от 52460 до 210450 м3 в год, а при двухбортовой схеме - 104910 до 420900 м3 в год, что обеспечивает гибкую производительность по вскрыше. Таким образом, технология ведения вскрышных работ крупногабаритными блоками обеспечивает производительность предприятий, разрабатывающих мелкие россыпные и угольные месторождения в условиях многолетней мерзлоты.

1. Патент РФ 1677317. Спо-

соб внутреннего отвалообразо-вания. Авторы Заровняев Б.Н.,

Добровольский Г.Н., Павловцев

С.Н. и др., заявлено 24.04.89. Опубл. 15.09.91, бюлл. № 34, 133 с.

2. Заровняев Б.Н., Киприянов

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Г. О., Изаксон В.Ю. Расчет параметров технологии ведения горных работ крупногабаритными блоками: Методическое пособие

/ Якутский госуниверситет. -

Якутск, 1996. - 20 с.

3. Трумбачев В.Ф., Кусов А.Е., Заровняев Б.Н. Исследование методом фотомеханики распределения напряжений внутри крупногабаритных блоков в процессе их перемещения во внут-

ренний отвал // ФТПРПИ. -1992. - С. 32-36.

4. Zarovnyayev В., Kiprianov G., Sorokin V., Larionov A.. Large size blocks mining technology//Exhibition of invention, research and innovation, Varna, East-West Euro intellect'95, 1995.

5. Zarovnyayev B.N. Surface mining technology's schemes by large size blocks. - Proceedings of the Fourth International symposium on mining in the Arctic/SINTEF. - Trondheim. - 1996.

Файл:

Каталог:

Шаблон:

1т

Заголовок:

Содержание:

Автор:

Ключевые слова: Заметки:

Дата создания:

ЗАРОВН~1

0:\С диска по работе в универе\01ЛВ_20\01ЛВ12_0\МАСЕТ С:\и8ег8\Таня\АррБа1а\Коатт§\М1сго80й\Шаблоны\Когта1.ёо

лл/. л/л^./лл

Гитис Л.Х.

15.11.2000 11:22:00

Число сохранений: 6 Дата сохранения: 10.12.2008 23:28:00

Сохранил: Таня

Полное время правки: 6 мин.

Дата печати: 11.12.2008 0:05:00

При последней печати страниц: 4

слов: 1 880 (прибл.)

знаков: 10 718 (прибл.)