Проектирование параметров блокового способа открытой угледобычи с применением автотранспортной технологии Текст научной статьи по специальности «Техника и технологии»

ISSN 1999-4125 (Print) ISSN 2949-0642 (Online)

Научная статья УДК 622.271

DOI: 10.26730/1999-4125-2024-2-68-78

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ БЛОКОВОГО СПОСОБА ОТКРЫТОЙ УГЛЕДОБЫЧИ С ПРИМЕНЕНИЕМ АВТОТРАНСПОРТНОЙ ТЕХНОЛОГИИ

Селюков Алексей Владимирович, Герасимов Андрей Викторович

Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева,

*для корреспонденции: [email protected]

Аннотация.

В последнее время в проектную и производственную практики все больше внедряются технологические решения, направленные на снижение негативных последствий ведения открытых горных работ. К числу таких решений относится блоковый способ отработки карьерного поля. Основными целями и задачами блокового способа отработки месторождения являются снижение уровня отчуждения земель под внешнее отвалообразование и максимальное использование выработанного пространства под внутренний отвал. Укрупненным недостатком внедрения блокового способа в проектную документацию угольных разрезов является отсутствие единого методического подхода в части определения главных параметров первоначального и последующих блоков, которыми являются длина, ширина, глубина и вместимость внутреннего отвала. В связи с этим предлагается методика к определению параметров блоков, взаимоувязанных с вместимостью внутреннего отвала, уровнем добычи, объемом вскрыши и дальностью транспортирования. При этом параметры первоначального блока устанавливаются шириной и глубиной свиты пластов, а также экономически эффективной дальностью транспортирования. Параметры второго и последующих блоков по ширине и глубине аналогичны первоначальному и зависят от конфигурации свиты пластов, длина блока устанавливается возможной вместимостью внутреннего отвала, сформированного в выработанном пространстве первоначального блока, ограниченной экономически эффективной дальностью транспортирования. При исследовании указанных параметров выявлены закономерности и разработаны методические подходы к расчету параметров блоков, обеспечивающих максимальную вместимость внутреннего отвала. При этом выявленные закономерности позволили предложить эмпирические расчетные формулы главных параметров блоков. Предлагаемая методика расчета параметров блоков оценена на примере угольного разреза, результат ее применения позволил разместить в выработанном пространстве на 17,5% вскрышной породы больше, чем предложено в проекте..

Для цитирования: Селюков А.В., Герасимов А.В. Проектирование параметров блокового способа открытой угледобычи с применением автотранспортной технологии // Вестник Кузбасского государственного технического университета. 202 4. № 2 (162). С. 68-78. DOI: 10.26730/1999-41252024-2-68-78, EDN: DDPMZE

Ведущая роль в Кузбассе принадлежит внешним и внутренним потребителям. Согласно промышленному комплексу по добыче и официальным данным, большинство угольных переработке угля, а также реализации продукции залежей в Кузнецком угольном бассейне

Информация о статье

Поступила:

14 февраля 2024 г.

Одобрена после рецензирования:

15 мая 2024 г.

Принята к публикации: 29 мая 2024 г.

Опубликована: 13 июня 2024 г.

Ключевые слова:

карьерные поля, параметры блокового способа, объем вскрыши, вместимость внутреннего отвала, свита угольных пластов, дальность транспортирования

относится к сложноструктурным (свита пластов), к их числу относятся месторождения Кемеровского, Ленинского, Беловского, Бачатского, Прокопьевско-Киселевского,

Бунгуро-Чумышского, Ерунаковского,

Байдаевского, Осиновского, Мрасского, Кондомского и Томь-Усинского геолого-экономических районов, на сегодняшний день на территории Кузбасса числится около сотни угольных разрезов. Такие месторождения в основном принято разрабатывать по транспортной технологии с перемещением вскрышных пород как на внешние, так и на внутренние отвалы. В связи с постоянным развитием фронта горных работ как в плане, так и по глубине происходит увеличение дальности транспортирования в большей степени при транспортировке вскрышных пород на внешние отвалы, в меньшей - на внутренние. Необходимость размещения пород вскрыши на внешних отвалах влечет за собой увеличение прогрессирующих темпов изъятия земельных угодий и рост количества транспортных средств и вспомогательного оборудования. Все это повышает затраты на добычу угля открытым способом и снижает его конкурентоспособность на рынке. Следовательно, применяемые технологические решения не всегда отвечают условиям разработки, и необходимо изыскивать более совершенные решения [1-11]. К их числу относится блоковый порядок отработки карьерного поля [12]. Сущность заключается в делении карьерного пространства на блоки, из которых первоначальный отрабатывается до проектной глубины с размещения вскрышных пород на внешнем отвале, а затем по мере образования выработанного пространства последующие блоки отрабатываются с размещением вскрыши в образовавшемся пространстве предыдущего.

Далее предлагается методический подход к определению геометрических параметров блока, взаимоувязанных с вместимостью внутреннего отвала, уровнем добычи и объемом вскрыши и основывающийся на техническом результате изобретения [13], в котором приводятся аналитические расчетные формулы,

составляющие настоящий методический подход.

Отвалообразование является неотъемлемой частью процесса добычи полезного ископаемого. При этом уровень проектной мощности по полезному ископаемому будет определять объем вскрышных пород и, как следствие, объемы вскрышных пород, складируемых в отвал.

Указанные задачи блокового способа являются звеньями одного балансового уравнения:

ттвнешн. I ттвнешн. — 1/ /1\

^отвала + ^отвала ^отвалообраз , (1)

- объем внешнего отвалообразования, - объем внутреннего

отвалообразования, м3; ^твалообраз - объем всей вскрыши, размещенной в отвалах, м3.

Взят за основу годовой уровень добычи, увеличение которого предполагает увеличение образования вскрышных пород и при сохраняющейся тенденции увеличение изъятия площадей под внешнее отвалообразование. В этой связи проблему отчуждения земель необходимо рассматривать совокупно с задачами блокового способа.

Согласно балансу, указанному в формуле (1), для уменьшения площадей и объемов вскрыши для размещения на внешних отвалах следует увеличивать долю использования внутреннего отвалообразования.

В свою очередь, возможная вместимость внутреннего отвала (Е) в первоначальном блоке ограничивается геометрическими параметрами самого блока. Следует учитывать тот факт, что формирование отвала без проведения добычных работ обуславливает критерий, обеспечивающий годовую вместительность отвала, т.е. подготовленная емкость в отработанном блоке минимум должна обеспечивать годовое размещение вскрышной породы. В связи с этим параметры внутреннего отвала при блоковом способе определятся следующим образом: геометрическими параметрами блока (Ьвл, Вбл, Нбл); производственными показателями (Агод, К,, V).

Таким образом, все вышесказанное дает право утверждать, что вместимость внутреннего отвала удовлетворяет следующему условию: /(Агод, Ке, V,) < Е </(Ьл Вбл, Нбл). (2)

Анализируя выражение (2), целесообразно рассмотреть каждую часть условия обособленно от второй. Левая часть выражения характеризуется в основном годовой производственной мощностью предприятия по добыче, коэффициентом вскрыши и годовым объемом вскрыши, являющимся следствием производственной мощности. Данный показатель также обуславливается основной целью любого производства - добычей полезного ископаемого и получения прибыли.

В условиях рыночной экономики производственная мощность предприятия по добыче устанавливается по следующим факторам: по количеству запасов в контуре участка; по техническому заданию проектной документации, фактической мощности предприятия; по производительности

экскаваторного парка; по расчетному сроку службы предприятия и т.д.

При этом минимальный уровень производственной мощности, обеспечивающий заданный уровень объемов вскрыши, определится по следующему выражению:

где ^о

м3

внешн. отвала 3 внешн.

^отвала

игсокдр = х 100,

вСКР Кухру

(3)

где Ку - коэффициент угленосности участка.

0J tO Ю о

5 S

о со о ч о

1-4

160 000 000,00 140 000 000,00 120 000 000,00 ^ 100 000 000,00 80 000 000,00 60 000 000,00 40 000 000,00 20 000 000,00 0,00

о &

о

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Коэффициент угленосности

Агод= Агод= Агод= Агод= Агод= Агод= Агод= Агод= Агод= Агод=

1 млн.т

2 млн.т :3 млн.т :4 млн.т

5 млн.т

6 млн.т ■7 млн.т

8 млн.т

9 млн.т

10 млн.

Рис. 1. Динамика изменения ^Вскр при различных значениях Агод и Ку Fig. 1. The dynamics of the change of at different values of Ayear and Ку

о 60 000,00 « m

g S 50 000,00 J % 40 000,00 30 000,00

о &

ю ¡_ о

« fi

48 100,05

43 290,04 480,04

g g 20 000,00 § 10 000,00 U 0,00

6 071,612 143

19 240 14 430,01

28 860,03 24 050,02

\ \ \ A

^ Jp

4

£b

^ 4'

\ \ \ \

</' y У y y *////

Уровень производственной мощности, млн. т

Рис. 2. Изменение VBCKp при различных значениях Аг

at different values of Ay

год

Fig. 2. The change of V0

year overburd

При значениях производственной мощности от 1 до 10 млн т. изменения годовой производственной мощности по вскрыши снижаются с увеличением коэффициента угленосности, как показано на графике, представленном на Рис. 1.

К примеру, имеется участок открытых горных работ, имеющий коэффициент угленосности порядка 15,4 ед. Определим уровень годовой производительности предприятия по вскрыше при различной производственной мощности по добыче. Сводный график представлен на Рис. 2.

Геометрические параметры внутреннего отвала ограничены геометрическими

параметрами выработанного пространства, в котором он расположен, с учетом горногеологических условий отработки участка, принятого парка оборудования и, как следствие, устойчивых параметров блока и откоса внутреннего отвала.

Определение главных параметров блоков является основой применения блокового способа, так как рационально обоснованные параметры блоков в полной мере позволяют применять блоковый способ со всеми его положительными сторонами, главной из которых является максимальное использование выработанного пространства для размещения внутреннего отвалообразования.

Основными параметрами блоков являются: глубина блока; ширина блока; длина блока; объем вскрышных пород в контуре блока; объем полезного ископаемого в контуре блока.

При этом все указанные параметры регулируются в той или иной степени горногеологическими условиями эксплуатации участка или месторождения, в частности, такими, как угол залегания свиты, мощность угольных пластов и породных прослоев, глубина залегания свиты. Вышеуказанные признаки систематизированы относительно использования

блокового способа на перспективных участках угольных месторождений и отражены в научных публикациях [14,15].

В настоящее время одним из основных факторов определения рационального контура и глубины карьерной выемки является граничный коэффициент вскрыши (Кгр), экономически учитывающий затраты на добычу, транспортировку, обогащение и реализацию продукции. При этом необходимо учитывать возможность максимального извлечения полезного ископаемого, результатам которой соответствует выемка всего полезного ископаемого в свите (Нсв). В связи с этим глубина отработки месторождения и, как следствие, глубина блока удовлетворяют следующее условие:

/(Кгр) <Нбл</(Нсв). (3)

Принципиальные различия в определении дальнейших параметров блоков, зависимые от глубины карьера (Н), отсутствуют, соответственно, с учетом критерия максимального извлечения полезного ископаемого для дальнейшего расчета параметров глубина блока принята равной глубине залегания свиты.

Ширина блока по дну (ВДНЛ) ориентирована аналогично глубине свиты на максимальное извлечение полезного ископаемого, т.е. ширине свиты пластов (Всв). Однако на практике ширина карьерной выемки ограничивается

лицензионными границами участка (Влиц). По этой причине ширина блока определится согласно следующему условию:

/(Влиц) <вднбл</(Всв) . (4)

Аналогично глубине блока условие максимального извлечения полезного ископаемого является приоритетным, в связи с этим для дальнейшего расчета параметров ширина блока по дну принята равной ширине свиты пластов.

Так как добыча полезного ископаемого должна быть эффективной и безопасной, то ширину первоначального блока по верху определяют суммарно как ширину первоначального блока по дну (ВДНЛ) и разноски с учетом устойчивых параметров борта (у). В целом ширина первоначального блока по верху определяют по формуле:

ВвГ=ВГбл+У=ВГбл+ +

(5)

массив/ ,

где авыраб, амассив - устойчивый угол борта при залегании слоев соответственно в выработку и в массив, град.

Длины карьеров, которые потенциально могут быть разработаны блоковым способом, достигают значительных размеров, в отдельных случаях до 10 км и более. В связи с этим длина карьерного поля напрямую отражает размеры производства. При этом протяженность блоков

не зависит от параметров залегания свиты, а ограничена лишь размерами карьерного поля и экономическим критерием, которым является рациональное расстояние транспортирования.

На примере предприятий, разрабатывающих угольные месторождения Кузбасса, произведен анализ изменения дальности транспортирования вскрышных пород и полезного ископаемого от забоя до мест их складирования. Результат анализа проектной документации показал, что в среднем дальность транспортирования с момента строительства до момента затухания и доработки участка составляет от 2,8 км до 5,0 км по вскрышным породам и от 4,3 км до 6,6 км по углю. Средняя дальность транспортирования по вскрышным породам и полезному ископаемому составит 3,9 км и 5,5 км соответственно. Из представленного видно, что среднее значение дальности транспортирования по углю превышает среднее значение дальности по вскрышной породе в 1,5 раза. Следовательно, дальность транспортирования вскрышной породы в отвал будет являться ограничивающим фактором с экономической точки зрения. Данный вывод обуславливается тем, что вскрышная порода сама по себе не несет экономической выгоды в отличие от угля.

Однако следует иметь в виду более мелкие составляющие части плеча транспортирования. Разделим дальность транспортирования по вскрышным породам на следующие составляющие части: расстояние по дну карьерной выемки от забоя до начала скользящего съезда (Ьдно); расстояние по борту карьерной выемки (Ьборт); расстояние по поверхности от верхней границы карьерной выемки до места разгрузки на отвале. (Ьдо отвала).

Соответственно, располагая значением экономически эффективного максимального расстояния транспортирования для

месторождения (Ьрасстэконом), расстоянием транспортирования по борту карьерной выемки (Ьборт), расстоянием до места размещения внешнего отвала (Ьдо отвала), возможно установить максимально возможную дальность

транспортирования по дну блока, которая будет соответствовать максимально возможной длине первоначального блока по дну ( ¿Днбл) и определится следующим образом:

¿Дн = Т эконом т т

1 бл Ьрасст Ьборт Ьдо отвала. (6)

Максимальная длина первоначального блока по верху (¿^РХ) является функцией от длины блока по дну и определяется суммарно как длина первоначального блока по дну (¿Днбл) и разноски торцевых частей блока с учетом устойчивых параметров торцов (Х).

В целом длина блока по верху определяется следующим образом:

СРл =^1Нбл+Х=£Гбл +2^(Нк/1&(атор,)) . (7) где аторц - устойчивый угол в торце выемки, град

Расстояние

транспортирования по дну блока, м

Длина блока по верху, м

Глубина отработки, м

Рис. 3. Изменения длины блока и вместимости внутреннего отвала при различной глубине отработки Fig. 3. Changes in the length of the block and the capacity of the internal blade at different working depths

Таблица 1. Расчет максимальных параметров первоначального блока Table 1. Calculation of the maximum parameters of the initial block

Показатели Первоначальный блок

Глубина отработки, м 250

Ширина по дну, м 75

Ширина по верху, м 865

Рациональная длина транспортирования вскрыши, м 5500

Расстояние до места размещения внешнего отвала, м 1000

Протяженность трассы по борту при 100%о, м 2917

Длина блока по дну, м 1583

Длина блока по верху, м 3035,1

Объем блока, тыс. м3 271313,4

Длина внутреннего отвала по дну, м 1533

Длина внутреннего отвала по верху, м 1292

Объем внутреннего отвала в блоке, тыс. м3 165 968,8

Соотношение объема блока к объему внутреннего отвала 1,6

При этом объем первоначального блока с учетом геометрических параметров определяют на основании производимых расчетов в специализированном программном обеспечении, например AutoCad, или с учетом получаемой фигуры произведением площади поперечного сечения блока и средней длины блока.

С учетом фигуры поперечного сечения -трапеции (при результирующих углах) объем блока определится следующим образом:

Vi бл = (8)

Г0,5*гвднбл+вВебрлх;*Як*гг^?нбл+1\ер1У2)У1000

Далее производят оценку выработанного пространства первоначального блока для возможности размещения в нем внутреннего отвала, формируемого из вскрышных пород следующего блока. Длину основания внутреннего отвала определяют исходя из длины первоначального блока по дну (¿днбл) за вычетом минимального зазора между нижней бровкой фронта отвальных работ и нижней бровкой следующего блока (М). Длину отвала по верху определяют исходя из параметров основания отвала с учетом устойчивых параметров. При этом геометрический объем внутреннего отвала определяют следующим образом:

а к о л б а н и л ЕТГ

6000 4000 2000 0

200000 150000 100000 50000 0

0000000000

л

т с о м и т с е м

да

т дн=jдн _м (о)

Lвнутр.отвала ^ i бл (9)

т верх= т дн_ (10)

т внутр.отвала L внутр.отвала (10)

отвал а) +НК^(аторц) .

где М - безопасный зазор, определяющийся с учетом высоты откоса внутреннего отвала и возможного отката падающих кусков породы с него и размещения оборудования, м.

М=0,19*Нотк+Вобор (11)

где Нотк - высота откоса отвала, м; Вобор -площадка для размещения оборудования, м.

Вместимость внутреннего отвала определяют аналогично определению объема

первоначального блока в ПО с использованием электронных таблиц Excel путем нахождения произведения площади поперечного сечения блока и средней длины внутреннего отвала по формуле:

V внутр. отвала= (0,5* (В^В^ (12)

^^внутр.отвала р +-^внутр.отвала'2

щ)/2))/1000. К примеру, рассмотрим случай расчета параметров первоначального блока при рациональном расстоянии транспортирования в 5,5 км., с шириной по дну 75,0 м, расстояние до отвала принято 1,0 км. Результаты выполненных расчетов представлены на Рис. 3.

300 000,0 м

о 200 000,0 л

т

а 100 000,0

м е

ig 0,0 о

114 68 38 716,3

250,0

.232 185,9261 560,9271213,4 15,0 §

10,0

68 , ,

500,0 750,0 1 000,0 1 250,0 1 500,0 1 583,0 Длина блока по дну, м

5,0 0,0

е

to

б о е и н е

а

о н т о о

о

Объем блока, тыс. м3

Объем внутреннего отвала в блоке, тыс. м3

■ Соотношение объема блока к объему внутреннего отвала

Рис. 4. Изменение объемов первоначального блока и вместимости внутреннего отвала первоначального блока при различных длинах блока по дну Fig. 4. Changing the volumes of the initial block and the capacity of the internal dump of the initial block at

different block lengths along the bottom

я 80,0

ени 60,0 н

о ^ 40,0

H ^

« ё 20,0

5 ю 0,0

ц

о £

y = 28,299ln(x) + 8,0926 R2 = 0,997

61,2

250,0 500,0 750,0 1 1 1 1 000,0 250,0 500,0 583,0

Длина блока по дну, м

Процент заполнения блока внутренним отвалом

Логарифмическая (Процент заполнения блока внутренним отвалом)

Рис. 5. График зависимости заполнения выработки первоначального блока внутренним отвалом от

длины блока.

Fig. 5. The graph of the dependence of the filling of the output of the initial block with an internal blade on

the length of the block.

Как видно из представленного выше графика на Рис. 3 при указанных исходных данных при глубине отработки 400 и более метров отработка блоками не рациональна, т.к. сумма составляющих дальности транспортирования превышает рациональную, при этом более 50% расстояния транспортирования представлено протяженностью по борту выемки.

Согласно представленному способу произведен расчет максимальных параметров первоначального блока (Таблица 1).

С учетом всего вышесказанного исследовано изменение производных составляющих параметров первоначального блока в рамках установленной максимальной длины блока по дну (¿днбл) с диапазоном шага 250 метров. Полученные данные позволили составить график изменения объемов первоначального блока и вместимости внутреннего отвала

первоначального блока при различных длинах блока по дну (Рис. 4). При этом соотношение

объема блока к объему внутреннего отвала снижается по мере приближения значения длины блока к максимальной (Таблица 1), это позволяет сделать вывод, что максимальное заполнение выработанного пространства соответствует максимальной длине блока (¿днбл).

Располагая данными по объемам первоначального блока, внутреннего отвала в выработке первоначального блока, выявлена закономерность заполнения выработанного пространства блока, описываемая

логарифмической функцией (Рис. 5). При этом показатель R2 наиболее близок к единице, что говорит о том, что ошибка аппроксимации равняется нулю и результат является наиболее достоверным.

Применительно к угольному разрезу, находящемуся на территории Краснобродского каменноугольного месторождения, произведена оценка параметров первоначального блока и внутреннего отвала. Данное месторождение

Таблица 2. Параметры отработки участка по проектной документации Table 2. Parameters of the site development according to the project documentation

Наименование параметра Ед. изм. Значения

Объем всей выемки тыс. м3 1 799 903,00

Площадь всей выемки Га 1333,2502

Объем блока 1 тыс. м3 1 025 944,71

Площадь блока 1 (Северный) Га 757,87

Объем блока 2 тыс. м3 773 958,29

Площадь блока 2 (Южный) Га 575,38

Объем внутреннего отвала тыс. м3 1 038 000,00

Площадь внутреннего отвала Га 621,66

Объем внешних отвалов тыс. м3 530 000,00

Площадь внешних отвалов Га 1304,60

122 124 125 Расчет по максимальным параметрам - -

Порядковый номер блока 1

Глубина залегания свиты, м 304

Мощность наносов, м 20

126 Уклон трассы, %о SO

127 12В 129 Высота предельного уступа, м 32

Горизонтальная площадка, м 50

Рациональная длина транспортирования для месторождения, м 7500

130 Расстояние до места размещения внешнего отвала, м 1000

131 132 133 Результирующий угол по борту 1, грэд 23

Результирующий угол по борту 2, град 24

Ширина по дну (горизонтальная ширина свиты), м 200

134 Результирующий угол в нерабочем торце блока, град 13

135 136 Результирующий угол в рабочем торце блока, град 26

Угол залегания свиты, град 60

137 13В Результирующий устойчивый угол откоса внутреннего отвала, град 8

Высота откоса внутреннего отвала, м 320

139 Протяженность трассы по борту при 80%о, м 4 275,0

140 Глубина отработки, м 324,0

141 Ширина по верху, м 1 691,0

142 143 144 Длина блока по дну с учетом отвала, м 2 225,0

Длина блока по дну с учетом рационального расстояния транспортирования, м

Принятая длина блока, м Проверка Длина карьера по проекту

145 Длина блока по верху, м 4 292,7 7 255,0 7255

146 147 Геометрический объем блока (Вскрыша + уголь) 998 322,6

Объем вкрыши в блоке, тыс. мэ 872 009,6

14В Длина внутреннего отвала по дну, м 2 175,0

149 150 Длина внутреннего отвала по верху, м 1 186,0

Объем внутреннего отвала в блоке, тыс. м3 508 452,1

151 Суммарное расстояние транспортирования между блоками по одноименным горизонтам. 6 192,7

152 Суммарная расстояние транспортирования с учетом плеча по блоку, по борту и по отвалу. 8 520,5

1531

Рис. 6. Фрагмент программы и результатов расчета параметров первоначального блока и возможного внутреннего отвалообразования в блоке Fig. 6. A fragment of the program and the results of calculating the parameters of the initial block and

possible internal dumping in the block

характеризуется крутым залеганием угольных пластов различной мощности, и согласно проектной документации для определения рационального, экономически эффективного положения горных работ участок отрабатывается по блоковому способу с внешним и внутренним отвалообразованием. Горнотехнические

параметры отработки участка по проектной документации представлены в Таблице 2.

Согласно данным Таблицы 2 горные работы разделены на два блока: Северный и Южный. Согласно техническим решениям,

представленным в проекте, порядок отработки участка следующий: изначально отрабатывается Северный блок до конечной глубины и далее предусматривается отработка Южного блока с

размещением вскрышных пород в выработанном пространстве Северного блока. В связи тем, что проектный контур горных работ имеет сложную форму, линия сечения продольного профиля проведена таким образом, чтобы задействовать наиболее характерные (глубокие) участки горных работ. Объем внутреннего отвала составляет 1 038 000 тыс. м3, для сопоставления правильности расчетов произведена проверка объемов внутреннего отвала из проекта по формуле 15. Исходные данные для расчета были сняты по сечению продольного профиля (Рис. 9 в, г): глубина отработки - 304,0, м; ширина по дну - 200,0, м; ширина по верху - 1 599,0, м; длина внутреннего отвала по дну - 3 367,0, м; результирующий устойчивый угол откоса

Таблица 3. Параметры первоначального блока Table 3. Parameters of the initial block

Параметры Значения по параметрам блоков

Принятая длина блока, м 2 225,0 2 000,0 1 750,0 1 500,0 1 1 000,0

Длина блока по верху, м 4 292,7 4 067,7 3 817,7 3 567,7 3 3 067,7

Геометрический объем блока 998 322,6 929 395,7 852 810,2 776 699 623

Объем вскрыши в блоке, тыс. м3 872 009,6 811 803,7 744 908,2 628 611 544

Длина внутреннего отвала по дну, 2 175,0 1 950,0 1 700,0 1 450,0 1 951,0

Длина внутреннего отвала по 1 273,0 1 048,0 798,0 548,0 298,0 48,0

Объем внутреннего отвала в 521 613,4 453 537,4 377 897,4 302 226 150

Соотношение объема блока к 1,9 2 2,3 2,6 3,1 4,1

внутреннего отвала - 8,0 град; длина внутреннего отвала по верху - 2 086,0, м; высота внутреннего отвала - 460,0, м; объем внутреннего отвала в блоке - 1 128 143,90 тыс.

м3.

Для практической реализации изложенного метода расчета параметров первоначального блока и внутреннего отвала разработана программа для ПК в среде MS Excel, основанная на установленных зависимостях технико-экономических параметров транспортирования вскрыши с учетом глубины отработки. Фрагмент программы и результатов расчета параметров первоначального блока и возможного внутреннего отвалообразования представлен на Рис. 6.

Полученное значение объема внутреннего отвала 1 128 143,90 тыс. м3, что отличается от принятого в проекте значения - 1 038 000,0 тыс. м3 - на 8,7%, но остается в рамках допускаемой погрешности. Как видно из представленного на Рис. 6 фрагмента программы, максимальное значение длины первоначального блока по дну составляет 2 225,0 м, по верху - 4 292,7 м, что составляет более половины протяженности всей карьерной выемки. Обращая внимание на тот факт, что предприятие действующее и горные работы велись по всей площади лицензионного участка, а также учитывая сечение по продольному профилю, можно заметить, что в Южном блоке отрабатываемый объем пород значительно меньше, чем в Северном. В связи с этим рассмотрены варианты с изменением размеров первоначального блока в рамках установленной максимальной длины блока (Таблица 3).

Учитывая, что максимальная длина блока составляет 2 225,0 метров, а соотношение объема блока к объему внутреннего отвала 1,9 минимальное, можно сделать вывод, что при данных параметрах первоначального блока во внутренний отвал можно разместить максимальное количество пустой породы. При этом значение соотношения - 2 при длине первоначального 2 000,0 м незначительно отличается от установленного расхождения и

составляет 5,3%, что находится в рамках допустимой погрешности расчетов. При снижении геометрического объема блока происходит аналогичное снижение и геометрической вместимости возможного внутреннего отвала, при этом соотношение объема блока к его вместимости возрастает, что говорит о неполном использовании параметров первоначального блока.

Выводы

По результатам проведенных исследований выявлены закономерности, обуславливающие главные параметры первоначального, второго и последующих блоков. При этом разработаны методические подходы к расчету рациональных параметров блоков, обеспечивающие максимальную вместимость внутреннего отвала, так как по мере продвижения отработки участка возможно изменение параметров блоков в зависимости от рельефа поверхности - чем меньше значение глубины отработки в блоке, тем больше значение длины блока и наоборот. Предлагаемая методика расчета параметров блоков показывает свою эффективность на примере угольного разреза, результат ее применения позволил разместить в выработанном пространстве вскрышное породы на 17,5% больше, чем предложено в проекте. При этом выявленные закономерности позволили предложить эмпирические расчетные формулы главных параметров блоков, таких как глубину, длину, ширину блоков по верху и низу, вместимость внутреннего отвала в каждом из блоков.

Список литературы

1. Корякин А. И., Цепилов И. И. Пути создания малоземлеемкой технологии открытой угледобычи в Кузбассе // Вестник КузГТУ. 1991. №1. С. 60-62.

2. Томаков П. И., Коваленко В. С. Природоохранные технологии открытой разработки крутых и наклонных угольных месторождений Кузбасса. М. : Уголь, 1992. №1.

3. Ермолаев В. А., Селюков А. В., Литвин Я. О. Об эффективности перехода с блочной продольной на поперечную однобортовую спиральную систему

разработки на примере действующего разреза // Вестник КузГТУ. 2015. № 1. С. 57-60.

4. Еременко Е. В., Косолапов А. И. К вопросу управления техногенным ресурсом карьера // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2015. №114. С. 249-259.

5. Зайцева А. А., Зайцев Г. Д. Определение реального выработанного пространства карьеров для внутреннего отвалообразования при разработке наклонных угольных месторождений // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2011. №2. С. 129-133.

6. Коваленко В. С. Формирование ресурсосберегающих технологий открытой разработки свит крутых и наклонных угольных пластов: автореф. ... докт. техн. наук. -М. : МГГУ, 1997. 42с.

7. Мартьянов В. Л., Колесников В. Ф. Обоснование рационального порядка разработки сложноструктурных угольных месторождений // Вестник КузГТУ. 2016. № 6 (117). С. 73-82.

8. Таланин В. В. Обоснование параметров и технологии строительства карьера первой очереди при углубочно-сплошных поперечных системах разработки: автореф. ... канд. техн. наук. М. : МГГУ, 2006.

9. Саканцев Г. Г. Исследование факторов, определяющих условия формировании карьерного пространства при разработке глубокозалегающих месторождений ограниченной длины с внутренним отвалообразованием // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2000. № 11. С. 127-133.

10. Селюков А. В. Гистограммный способ определения местоположения емкости для внутреннего отвала при открытой угледобыче в Кемеровской области // Вестник МГТУ, серия «Науки о Земле». 2016. Том 19. № 1/1. С. 40-46.

11. Dey S., Mandai S. K., Bhar C. Overall equipment effectiveness of shovel-dumper operation in opencast mining - A review // Journal of Mines, Metals and Fuels. 2020. Vol. 68. No. 1. P. 19-24.

12. Рутковский Б. Т. Блоковый способ отработки месторождений открытым способом. Межвуз. сб. науч. тр. Кузбас. политехн. ин-т. Кемерово, 1972. с. 81-87.

13. Герасимов А. В., Селюков А. В. Патент 2800752 РФ, МПК E21C 41/26 (2006.01) E21C 1/28 (2006.01) СПК E21C 41/26 (2023.01) E21C 41/28 (2023.02) Способ открытой разработки месторождений полезных ископаемых.

14. Герасимов А. В., Кухмарь Е. Н. К систематизации горно-геометрического анализа перспективных угольных залежей: рельеф и свита пластов // Россия молодая: материалы XIII Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых с международным участием. Кемерово : КузГТУ, 2021. С. 1-6.

15. Герасимов А. В. Анализ приповерхностной зоны при отработке перспективных залежей по блоковой системе // Сборник научных статей международной научно-практической конференции «Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов». Новокузнецк. 2023. С. 90-96.

© 2024 Авторы. Эта статья доступна по лицензии CreativeCommons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная (https://creativecommons. org/licenses/by/4.0/)

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Об авторах:

Селюков Алексей Владимирович, докт. техн. наук, профессор, Кузбасский государственный технический университет имени Т. Ф. Горбачева, кафедра открытых горных работ (650000, Россия, г. Кемерово, ул. Весенняя, 28) , e-mail: [email protected]

Герасимов Андрей Викторович, аспирант, Кузбасский государственный технический университет имени Т. Ф. Горбачева, кафедра открытых горных работ (650000, Россия, г. Кемерово, ул. Весенняя, 28) , e-mail: [email protected]

Заявленный вклад авторов:

Селюков Алексей Владимирович - постановка исследовательской задачи, научный менеджмент, концептуализация исследования.

Герасимов Андрей Викторович - сбор и анализ данных, обзор соответствующей литературы, написание текста, выводы.

Все авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи.

Original article

DESIGNING THE PARAMETERS OF THE BLOCK METHOD OF OPEN-PIT COAL MINING WITH THE USE OF AUTO TRANSPORT TECHNOLOGY

Alexey V. Selyukov, Andrey V. Gerasimov

Recently, technological solutions aimed at reducing the negative consequences of open-pit mining have been increasingly introduced into design and production practices. Such solutions include a block method of working off the career field. The main goals and objectives of the block mining method are: reducing the level of alienation of land for external dumping and maximizing the use of the developed space for internal dumping. The enlarged disadvantages of introducing the block method into the design documentation of coal mines is the lack of a unified methodological approach in determining the main parameters of the initial and subsequent blocks, which are: length, width, depth and capacity of the internal dump. In this regard, a methodology is proposed for determining the parameters of blocks interconnected with the capacity of the internal dump and the production level. the volume of stripping and the range of transportation. In this case, the parameters of the initial block are set by the width and depth of the formation formation, as well as the cost-effective transportation range. The parameters of the second and subsequent blocks are similar in width and depth to the initial one and depend on the configuration of the formation formation, the length of the block is set by the possible capacity of the internal dump formed in the developed space of the initial block, limited by the cost-effective transportation range. By examining these parameters, patterns have been identified and methodological approaches have been developed to calculate the parameters of the blocks, ensuring the maximum capacity of the internal dump. At the same time, the revealed patterns allowed us to propose empirical calculation formulas for the main parameters of the blocks. The proposed method for calculating block parameters was evaluated using the example of a coal mine, the result of which allowed 17.5% more overburden to be placed in the worked-out space than was proposed in the project.

For citation: Selyukov A.V., Gerasimov A.V. Designing the parameters of the block method of open-pit coal mining with the use of auto transport technology. Vestnik Kuzbasskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta=Bulletin of the Kuzbass State Technical University. 2024; 2(162):68-78. (In Russ., abstract in Eng.). DOI: 10.26730/1999-4125-2024-2-68-78, EDN: DDPMZE

T.F. Gorbachev Kuzbass State Technical University *for correspondence: [email protected]

Abstract.

Article info

Received:

14 February 2024

Accepted for publication:

15 May 2024

Accepted: 29 May 2024

Published: 13 June 2024

Keywords: quarry fields, block method parameters, overburden volume, internal dump capacity; coal seam formation; transportation range

REFERENCES

1. Koryakin A.I., Tsepilov I.I. Ways of creating low-earth-intensive technology of open-pit coal mining in Kuzbass. Bulletin of KuzSTU. 1991; 1:60-62.

2. Tomakov P.I., Kovalenko V.S. Environmental protection technologies of open-pit mining of steep and inclined coal deposits of Kuzbass. M.: Ugol; 1992.

3. Ermolaev V.A., Selyukov A.V., Litvin Ya.O. On the efficiency of the transition from a block longitudinal to a transverse single-sided spiral development system on the example of an existing section. Bulletin of KuzSTU. 2015; 1:57-60.

4. Eremenko E.V., Kosolapov A.I. On the issue of managing the technogenic resource of a quarry. Mining information and analytical Bulletin. 2015; 114:249-259.

5. Zaitseva A.A., Zaitsev G.D. Determination of the real worked-out space of quarries for internal dumping during the development of inclined coal deposits. Mining information and analytical bulletin. 2011; 2:129133.

6. Kovalenko B.C. Formation of resource-saving technologies for open-pit mining of formations of steep and inclined coal seams: abstract. ... doct. Technical Sciences. M.: Moscow State University; 1997. 42 s.

7. Martianov V.L. Kolesnikov V.F. Justification of the rational procedure for the development of complex-structured coal deposits. Bulletin of KuzSTU. 2016; 6 (117):73-82.

8. Talanin V.V. Justification of the parameters and technology of construction of the first stage quarry with deep-continuous transverse development systems: abstract. ... Candidate of Technical Sciences. M.: MSU, 2006.

9. Sakantsev G.G. Investigation of factors determining the conditions for the formation of a quarry space during the development of deep-lying deposits of limited length with internal dumping. Mining information and Analytical bulletin. 2000; 11:127-133.

10. Selyukov A.V. A histogram method for determining the location of a container for an internal dump during open-pit coal mining in the Kemerovo region. Vestnik MSTU, series "Earth Sciences". 2016; 19(1/1):40-46.

11. Dey S., Mandal S. K., Bhar C. Overall equipment effectiveness of shovel-dumper operation in

opencast mining - A review. Journal of Mines, Metals and Fuels. 2020; 68(1):19-24.

12. Rutkovsky B.T. Block mining method deposits in an open way. Mezhvuz. sb. nauch. tr. Kuzbas. polytech. in-T. Kemerovo, 1972. Pp. 81-87.

13. Gerrasimov A.V., Selyukov A.V. Patent 2800752 RF, IPC E21C 41/26 (2006.01) E21C 1/28 (2006.01) SEC E21C 41/26 (2023.01) E21C 41/28 (2023.02) Method of open mining of mineral deposits.

14. Gerasimov A.V., Kukhmar E.N. On the systematization of mining and geometric analysis of promising coal deposits: relief and formation of layers. Young Russia: materials of the XIII All-Russian Scientific and Practical Conference of Young Scientists with international participation. Kemerovo: KuzSTU; 2021. Pp.1-6.

15. Gerasimov A.V. Analysis of the near-surface zone during the development of promising deposits using a block system. Collection of scientific articles of the international scientific and practical conference "High-tech technologies for the development and use of mineral resources". Novokuznetsk. 2023. Pp. 90-96.

© 2024 The Authors. This is an open access article under the CC BY license (http://creativecommons. org/licenses/by/4.0/).

The authors declare no conflict of interest.

About the authors:

Alexey V. Selyukov, Dr. Sc. in Engineering, Professor, T.F. Gorbachev Kuzbass State Technical University, (650000, Russia, Kemerovo, Vesennya st., 28), e-mail: [email protected]

Andrey V. Gerasimov, postgraduate student, T.F. Gorbachev Kuzbass State Technical University, (650000, Russia, Kemerovo, Vesennya st., 28), e-mail: [email protected]

Contribution of the authors:

Alexey V. Selyukov - formulation of a research task, scientific management, conceptualization of research. Andrey V. Gerasimov - data collection and analysis, review of relevant literature, writing of the text, conclusions.

All authors have read and approved the final manuscript.