CC BY
32
--© C.B. Лукичёв, A.B. Архипов,
E.B. Земцовская, 2015
УДК 622.271.45
С.В. Лукичёв, А.В. Архипов, Е.В. Земцовская
СНИЖЕНИЕ ЗАТРАТ НА ФОРМИРОВАНИЕ ВЫСОКИХ ОТВАЛОВ
С помощью компьютерного моделирования и на основе укрупнённой технико-экономической оценки обоснована целесообразность формирования высоких породных отвалов с ярусами малой высоты (до 30 м). Показано, что переход на конструкцию отвалов с ярусами малой высоты обеспечивает снижение затрат на автотранспорт, повышает безопасность работ и создаёт благоприятные условия для рекультивации. С помощью моделирования показано, что форма отвала оказывает незначительное влияние на подотвальные площади (в среднем 5-8 %), в тоже время переход на конструкцию отвалов с малой высотой яруса обеспечивает снижение условной работы автотранспорта до 1,8 раза.
Ключевые слова: конструкция отвалов, многоярусные отвалы, работа автотранспорта, подотвальная площадь, эквивалент вертикального перемещения.
Днализ применяемых конструкций и высотных параметров породных отвалов в современной практике открытых горных работ, в частности на карьерах Мурманской области, показал, что чаше всего используются высокие отвалы, которые формируются с предельными высотами ярусов по критериям устойчивости складируемых пород вскрыши (100-120 м для скальных пород). В качестве основных аргументов для обоснования практики применения высоких ярусов выдвигаются необходимость минимизации подотвальных плошадей и высокая ёмкость таких отвалов. Однако только одно перечисление недостатков высоких отвалов и сложностей их формирования говорит о неоднозначности преимушества такого типа отвалов [1].
Так высокие отвалы и особенно высокие ярусы требуют постоянного поддержания их устойчивости, что в свою очередь требует более тшательной разработки и соблюдения регламентов технологии отсыпки, более частого маркшейдерского контроля за состоянием отвалов, частых переносов плошадок разгрузки. При больших объёмах вынимаемой вскрыши необходима ярусная конструкция отвала с предельной высотой яруса. Транспортирование автотранспортом вскрыши с подъёмом на предельную высоту яруса повышает расход горючего, требует увеличения времени на рейсы, а, следовательно и
автопарка, приводит к ухудшению безопасности на дорогах и износа техники. Это далеко не полный перечень недостатков высоких отвалов и особенно высоких ярусов таких отвалов [1].
В Горном институте КНЦ РАН были проведены исследования по выявлению отрицательных факторов высоких отвалов и ярусов и возможности снижения действия этих факторов. Исследования проводились с помощью моделирования конструкций и мест размещения отвалов. Модели отвалов были созданы в среде горногеологической информационной системы М1НЕРНДМЕ [2].
В качестве основных критериев оценки конструкции отвалов были использованы площади под отвалом с санитарно-защитной зоной и объём условной работы автотранспорта при формировании отвалов. Исследования проводились в три этапа. На первом рассматривалась наиболее предпочтительная схема размещения пород вскрыши вдоль всего периметра карьера на минимально возможном расстоянии от границ карьера на дневной поверхности. На втором этапе сравнивались отдельно стоящие отвалы различной формы. На третьем этапе рассматривалась возможность и целесообразность изменения конструкции и технологии формирования действующего отвала при увеличении его ёмкости до проектных значений при реконструкции карьера и увеличении его глубины.
На первом этапе были рассчитаны площади занимаемых под отвалами земель и проанализирована динамика их изменения при следующих условиях: объём вскрыши для всех вариантов моделей
о
отвалов одинаков и составляет 418 млн. м , отвалы одноярусные и многоярусные, высота отвалов изменяется с шагом в 30 м, то есть рассмотрены отвалы высотой 30, 60, 90, 120 м, расстояние от борта карьера до начала откоса отвала равно высоте отвала.
Поперечные сечения рассмотренных моделей и динамика изменения их площадей представлены на рисунках 1 и 2.
Данные расчётов показывают, что наиболее резкое изменение подотвальных площадей происходит до высоты отвала 60 м, а при высотах от 60 до 120 м снижение величины аналогичной площади происходит не так резко [3]. Это говорит о том, что ориентироваться при большом объёме вскрыши на отвалы высотой менее 60 м вряд ли целесообразно. Высота яруса принята равной 30 м, как оптимальная из диапазона 20 - 30 м [4, 5].
Объём условной работы автотранспорта определялся как произведение веса горной массы яруса отвала на среднюю длину транспортирования, которая определялась с учетом высоты подъ-
ема и горизонтальных эквивалентов вертикального перемещения по известной формуле [6]:
^пр = + ИпЭп + НсЭс, (1)
где Ьг - суммарная протяженность горизонтальных участков, м; Нп и Нс - высота подъема (глубина спуска), м; Эп, Эс - горизонтальные эквиваленты соответственно вертикального подъема и спуска, м/м, Эп принят равным 20 и 30 м/м [6].
Расчёты условной работы показали, если принять её значение для варианта I за единицу, то для варианта II объём такой работы снизится в 2,03 раза, для варианта III - снизится в 2,1 раза, для варианта IV - в 1,9 раза, а для варианта V, при высоте отвала в 120 м, как и в первом варианте, но при отсыпке в 4 яруса по 30 м высотой, объём необходимой условной работы снизится в 1,74 раза.
Рис. 1. Варианты конструкции отвалов (профили) и размещения вскрыши 370
„16,00 х 14,00
т 12,00
а
| 10,00 | 8,00
| 6,00
0
А 4,00
1
1 2,00 0,00
Зависимость площади основания отвала от его высоты
Д14,62 ■ Одноярус ные отвалы
—0—Многояр; сные отвалы
. 6,65
60
Высота отвала, м
Рис. 2. Динамика изменения площади под отвалами при изменении высоты отвал.
На втором этапе исследовалось формирование отдельно стоя-ших отвалов с одинаковой высотой равной 120 м и с наиболее распространенными вариантами конструкций (одноярусные (рис. 3) с основанием: 1 - круглой, 2 - квадратной и 3 - прямоугольной формы; многоярусные (рисунок 4) с основанием: 4 - круглой, 5 - квадратной и 6 - прямоугольной формы). Параметры отвалов взяты для условий, близких к одному из действующих отвалов АО «Ковдорский ГОК» (объём отвала - 160 млн м3; у многоярусных отвалов по 4 яруса с высотой ярусов по 30 м; углы откосов скальных пород были приняты равными 35°; радиусы санитарно-защитных зон приняты равными 500 м).
Рис. 3. Одноярусные отвалы (варианты 1-3)
Рис. 4. Многоярусные отвалы (варианты 4-6)
Рис. 5. Динамика изменения площади под отвалами в зависимости от формы и ярусности
На рис. 3 и 4 представлены совмещённые планы одноярусных и четырёхъярусных отвалов одинакового объёма, а на рис. 5 и 6 показана динамика изменения по-дотвальной площади и условной работы автотранспорта.
Динамика изменения подотвальных площадей показывает, что при ярусной конструкции отвалов с малой высотой яруса (30 м) площадь под отвалом одинаковой формы в плане увеличивается незначительно, на 5-8 % по сравнению с одноярусным отвалом. Изменение подотвальных площадей в зависимости от формы отвала не превышает 6-9 %, что говорит о том, что выбор формы следует производить в зависимости от конкретной топографии местности и границ карьера, по возможности вдоль его периметра.
Как видно из рис. 6 при различных формах отвалов условная работа автотранспорта по перевозке вскрыши изменяется не значительно. При одной и той же форме отвала и одинаковом значении эквивалента Эп для формирования многоярусного отвала с высотой ярусов равной 30 м затрачивается меньше автотранспортной работы в 1,6-1,8 раза.
На третьем этапе по аналогичной методике проводились исследования по возможности формирования (реконструкции) действующего отвала № 2 карьера «Железный» АО «Ковдорский ГОК». Отвал планируется расширять и увеличивать в высоту при начавшейся реконструкции карьера. Проектом предусмотрено формирование отвала в два яруса с высотой нижнего до 140 м (частично сформирован) и верхнего 70 м, а также перенос вскрыши из ранее сформированного отвала № 1 в отвал № 2 (вторичная вскрыша).
^202
187
О-Тт*"^
Одноярусные отвалы
Многоярусные отваль
Круглый Квадратный Прямоугольный
Рис. 6. Зависимость условной работы автотранспорта от формы и ярусности отвалов
Исходные данные для отвала № 2 представлены в табл. 1. Следует отметить сложность условий формирования: гористый сильно расчленённый рельеф местности, необходимость размещения вторичной вскрыши, наличие уже имеющихся на отвале № 2 объёмов вскрыши, отсыпанных одним ярусом, высотой свыше 100 м до отметки +411 м, на котором по проекту будет размещена моренная вскрыша (рис. 7 (см. Приложение, с. 454)).
На рис. 8 (см. Приложение, с. 454) представлен один из вариантов размещения скальной вскрыши ярусами высотой 30 м; на рис. 9 - объемная модель этого варианта, выполненная в среде горно-геологической информационной системы М1НБРНЛМБ.
Вскрыша размещается на 6 ярусах, причём из-за уже сформированного высокого яруса часть скальной вскрыши нижних малых ярусов будет перевозиться с уклоном вниз, а не на подъём. На верхней площадке существующего высокого яруса (+411 м) по проекту будет размещаться моренная вскрыша нового апатит-штаффелитового карьера двумя ярусами до отметки +440 м. Для корректности сравнения в этом варианте сохранена схема размещения моренной вскрыши, как предусмотрено существующим проектом. Но следует заметить, что такое размещение морены резко увеличивает длину и стоимость транспортирования скальной вскрыши из основного карьера.
Таблица 1
Исходные данные для отвала № 2
Параметры и показатели Значение
Проектный объем, млн м3 136,8
Объем вторичной вскрыши, млн м3 21,1
Объем вскрыши из карьера, млн м3 115,7
Максимальная абсолютная отметка отвала, м +470
Принимаемая рациональная высота яруса (Ья), м 30
Угол откоса яруса, град. 35
Ширина предохранительных берм при Ья=30, м 15
Уклон съездов, %о 60
Плотность скальной породы, т/м3 2,98
Коэффициент разрыхления породы остаточный (Кр) 1,2
Коэффициент разрыхления породы текущий 1,35
Горизонтальный эквивалент вертикального перемещения породы на подъем (Эп), м/м 20
Горизонтальный эквивалент вертикального перемещения породы на спуск (Эс), м/м 7
В табл. 2 даны результаты расчётов площадей оснований исследуемых вариантов отвала № 2 и условной работы автотранспорта.
Площадь основания отвала от перехода на конструкцию с низкими ярусами может увеличиться всего на 3,4 %, условная транспортная работа в представленном варианте снизится в 1,15 раза. Такое небольшое снижение транспортной работы объясняется вышеприведенными сложными условиями формирования отвала № 2, необоснованным, по нашему мнению, размещением моренной вскрыши по действующему проекту, что в совокупности не позволило разработать наиболее рациональную транспортную схему для варианта отвала с низкими ярусами.
Однако при себестоимости автотранспортной работы, равной 8,37 руб/т-км (по данным ГОКа на 2013 г.), затраты на перевозку вскрышной породы в отвал №2 по варианту 1 составят 6,67 млрд руб.; по варианту 2-5,82 млрд руб. Таким образом, экономический эффект при переходе на предлагаемую технологию отвало-образования может составить около 850 млн руб.
На основании результатов трёх этапов исследований можно сделать следующие выводы.
1. Высокие отвалы с предельной высотой ярусов по устойчивости отвальных пород (для скальных пород 100-120 м) являются по энергетическим затратам на транспортирование менее предпочтительными, чем отвалы с малой высотой ярусов.
2. По конструкции технически и экономически рациональнее использовать многоярусные отвалы с высотой яруса до 30 м, у которых энергетические затраты на транспортирование автосамосвалами в полтора - два раза ниже, чем у одноярусных отвалов с высотой отвала либо яруса равной предельной по критерию устойчивости.
3. Земельные площади под отвалами с малой высотой ярусов и одноярусными одинаковой ёмкости и высоты отличаются друг от друга в пределах нескольких процентов.
4. При разгрузке автосамосвалов через породный предохранительный вал на 30-ти метровом ярусе величина разовой уходки фронта разгрузки в три раза превышает аналогичные параметры
Рис. 9. Модель 6-ти ярусного отвала № 2
Таблица 2
Результаты расчётов
Вариант кон- Объём Зани- Коли- Высо- Вес пере- Условная
струкции отвала с учётом Кр=1,2, млн. м маемая площадь, га чество ярусов ты ярусов, м возимои вскрыши, млн т транспортная работа, млн Т*км
1 - по проекту ОАО «Гипроруда» 136,8 165,9 2 от 60 до 140 339,7 797,3
2 - по ГоИ КНЦ РАН вторичная вскрыша 21,1 4 30 52,4 95,7
вскрыша - 6 30 287,3 599,5
карьера 115,7
Итого 136,8 171,5 - - 339,7 695,2
на ярусах высотой 100 м [7], что позволяет сокращать объёмы бульдозерных работ, время стабилизации разгрузки и повышать безопасность работ.
5. При различных формах отвалов в плане условная работа автотранспорта по перевозке вскрыши значительно не изменяется, поэтому выбор формы следует производить в зависимости от конкретной топографии местности, а размещать отвал по возможности вдоль периметра карьера.
6. На отвалах с низкими ярусами технически легко осуществить рекультивационные работы и начинать их в более ранние сроки.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Архипов A.B. Формирование и размещение породных отвалов глубоких карьеров в качестве потенциальных техногенных месторождений минерального сырья // Сборник докладов Всероссийской научно-техническая конференции с международным участием «Глубокие карьеры» 18-22 июня 2012 г. - Апатиты, Санкт-Петербург: Реноме, 2012. — С. 282-287.
2. Мельников H.H., Лукичёв C.B., Наговицын O.B. Компьютерная технология инженерного обеспечения горных работ на основе системы MINEFRAME // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2013, № 5. - С. 223-234.
3. Архипов A.B., Земцовская E.B. Выбор рациональной конструкции и высоты породных отвалов // Экологическая стратегия развития горнодобы-
вающей отрасли - формирование нового мировоззрения в освоении природных ресурсов: сб. докл. Всеросс. науч. — техн. конф. с участием иностранных специалистов, 13-15 октября 2014 г., Апатиты; СПб.: «Реноме», 2014. - Т 1. - С. 171-177.
4. Плотников Н. А., Минькин В.А. Обоснование оптимальной высоты яруса отвала // Горный журнал, 1989. - № 5. - С. 23-25.
5. Медведев М.П., Зуев А.Е. Анализ и оценка способов размещения породы во внешних отвалах при открытой разработке рудных крутопадающих месторождений // ГИАБ, 2013. - №5 - С. 77-83.
6. Галкин В.А., Караулов Г.А., Сидоренко В.И. Горизонтальный эквивалент вертикальных перемещений пород карьерными автосамосвалами // Изв. Вузов. Горный журнал, 1983, № 7. - С.14-18.
7. Инструкция № 148 по безопасной эксплуатации отвалов Восточного рудника производственного объединения «Апатит» имени С.М. Кирова. -Апатиты, изд. Кольского научного центра АН СССР, 1988, 26 с. ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Пукичёв Сергей Вячеславович - доктор технических наук, врио директора института, lu24@goi.kolasc.net.ru,
Архипов Альфред Вячеславович - старший научный сотрудник, fred@goi.kolasc.net.ru,
Земцовская Елена Вадимовна - младший научный сотрудник,
elenazemtsovskaya@gmail.com,
Горный институт Кольского научного центра РАН,
UDC 622.271.45
DECREASE IN COSTS FOR CONSTRUCTING HIGH DUMPS
Lukichev S.V., Dr.Sci. (Eng.), Interim Director, Mining Institute of the Kola Science Centre of the Russian Academy of Sciences, lu24@goi.kolasc.net.ru, Russia,
Arkhipov A.V., senior researcher, Mining Institute of the Kola Science Centre of the Russian Academy of Sciences, fred@goi.kolasc.net.ru, Russia,
Zemtzovskaya E.V., junior researcher, Mining Institute of the Kola Science Centre of the Russian Academy of Sciences, elenazemtsovskaya@gmail.com, Russia.
Reasonability in constructing high rock dumps having small lift heights (below 30 m) has been verified by using computer modeling and based on coarse feasibility study. It has been shown that transfer to dumps with small height lifts provides decrease in costs for transport, increases operations safety and creates favorable rehabilitation conditions. Modeling was used to show the dump's shape to impact
slightly on under-dump areas (average of 5-8 %), transfer to dumps with small height lifts providing decrease in relative use of transport up to 1.8 times.
Key words: rock dump construction, multi-level dumps, transport work, under-dump area, equivalent of vertical movement.
REFERENCES
1. Arkhipov A.V. Formirovanie i razmeshhenie porodnyh otvalov glubokih kar'erov v kachestve potencial'nyh tehnogennyh mestorozhdenij mineral'nogo syr'ja (Formation and placement of waste dumps deep quarries as potential technogenic deposits of mineral raw materials) // Sbornik dokladov Vserossijskoj nauchno-tehnicheskaja konferencii s mezhdunarodnym uchastiem «Glubokie kar'ery» 18-22 ijunja 2012. Apatity, Sankt-Peterburg: Renome, 2012. pp. 282-287.
2. Mel'nikov N.N. Komp'juternaja tehnologija inzhenernogo obespechenija gornyh rabot na osnove sistemy MINEFRAME (Computer technology of engineering support of mining operations on the basis of the system MINEFRAME). / Mel'nikov N.N., Lukichjov S.V., Nagovicyn O.V. // Gornyj informacionno-analiticheskij bjulleten'. 2013, No 5. pp. 223-234.
3. Arkhipov A.V. Vybor racional'noj konstrukcii i vysoty porodnyh otvalov (Choice of rational design and height of spoil dumps) / Arhipov A.V., Zemcovskaja E.V. // Jekologicheskaja strategija razvitija gornodobyvajushhej otrasli - formirovanie novogo mirovozzrenija v osvoenii prirodnyh resursov: sb. dokl. Vseross. nauch.-tehn. konf. s uchastiem inostrannyh specialistov, 13-15 oktjabrja 2014, Apatity; SPb.: «Renome», 2014. V1. pp. 171-177.
4. Plotnikov N. A., Min'kin V. A. Obosnovanie optimal'noj vysoty jarusa otvala (Substantiation of the optimum height level of the blade) // Gornyj zhurnal, 1989. No 5. pp. 23-25.
5. Medvedev M. L., Zuev A. E. Analiz i ocenka sposobov razmeshhenija porody vo vneshnih otvalah pri otkrytoj razrabotke rudnyh krutopadajushhih mestorozhdenij (Analysis and evaluation of ways of placing rocks in the external dumps in opencast mining of steeply dipping ore deposits) // GIAB, 2013. No 5, pp. 77-83.
6. Galkin V. A., Karaulov G. A., Sidorenko V. I. Gorizontal'nyj jekvivalent vertikal'nyh peremeshhenij porod kar'ernymi avtosamosvalami (Horizontal equivalent of the vertical displacements of rock quarry dump trucks)// Izv. Vuzov. Gornyj zhurnal, 1983, No 7. pp. 14-18.
7. Instrukcija № 148 po bezopasnoj jekspluatacii otvalov Vostochnogo rudnika proizvodstvennogo ob'edinenija «Apatit» imeni S.M. Kirova (Instruction No. 148 for the safe operation of tailings East of the mine of the production Association "Apatite" named after S. M. Kirov). Apatity, izd. Kol'skogo nauchnogo centra AN SSSR, 1988, 26 p.
