CC BY
59
УДК 622.271 Е.А. Бессонов
СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ В КРИОЛИТОЗОНЕ ЗАПОЛЯРЬЯ
Семинар № 16
Строительный материал наи-
больший по объему продукт, извлекаемый из недр Земли. Потребность в строительных материалов растет из года в год, прежде всего, в развивающихся регионах РФ, в том числе в регионах освоения новых нефтегазовых месторождений.
Наибольшую потребность в строительных материалах ощущают нефтегазовые месторождения заполярных регионов России, для полного освоения которых может понадобиться до 1,0-1,2
3
млрд м песчаных грунтов.
По данным различных оценок и прогнозов регионы Заполярья содержат достаточно запасов местных строительных материалов, которые могут обеспечить указанную потребность. Причем, из-за высокой обводненности региона, большая часть из них (примерно 65-85 %) может находиться под акваториями озер в талом состоянии. Эти прогнозы в последние время стали подтверждаться инженерногеологическими изысканиями литологии заполярных озер. Другая часть месторождений строительных материалов в криолитозоне заполярья довольно хорошо изучена, она представлена многолетнемерзлыми песчаными породами, залегающими в континентальной части тундры.
В геологическом плане песчаные месторождения Заполярья часто перекры-
ваются породами вскрыши. Вскрыша подозерных месторождений в основном представлена супесями, мощностью 0,2— 3 м и более метров, а континентальных торфом 0,5-2,5 и более метров. Песчаные породы в литологическом отношении весьма однообразны, представлены песками пылеватыми, реже мелкозернистыми. Содержание мелкого гравия в песках отмечается в единичных случаях. Мощность песка под озерами колеблется в пределах 3-20 и более м, а континентальной тундры от 2 м до 8,0 м. Подстилают полезную толщу обычно супеси, суглинки, реже глины.
Для того, чтобы обеспечить потребность нефтегазовых месторождений местными строительными материалами в сложных природно-клима-тических,
гидрологических и криолитологических условиях Заполярья, необходимо применение как гидромеханизированных, так и «сухоройных» технологий открытой разработки.
Традиционно, для разработки мерзлых пород «сухоройных» карьеров континентальной тундры используют бульдо-зерно-экскаваторые комплексы.
При этом, на этапе вскрышных работ производят разрыхление и срезку мерзлого торфа бульдозерами-рых-лителями тяжелого класса (ДЗ-118, ДЗ-59, Б-355, и пр. тяговых классов свыше 200-250 кН). На разработке полезного ископаемого, находящегося в твердомерзлом
состоянии, применяют те же механизмы, что и на вскрышных работах. Причем параметры бульдозерных забоев при разработке полезного ископаемого отличаются от параметров вскрышных забоев. Так длину полосы рыхления на вскрышных забоях на практике обычно принимают 70-80 м, что в 2-2,5 раза больше чем на добычных забоях, а толщину снимаемой стружки (0,1 - 0,15 м) соответственно в 1,4-1,6 раза меньше. Расстояния между смежными проходками при рыхлении обычно принимают от 0,4 до 0,9 м, при средней величине заглубления зуба 0,20-0,25 м. Далее разрыхленные песчаные породы с помощью бульдозера собирают в отдельные бурты, экскаваторами отделяют из них негабаритные куски мерзлых пород, а затем автосамосвалами доставляют к потребителю.
В ЗАО «Глобалстрой-Инжиниринг» на основании опытных данных автором настоящей статьи была разработана экспресс-методика расчета потребности горно-транспортного оборудования в «сухоройных» карьерах строительных материалов, территориально расположенных в криолитозоне Заполярья. Данная методика позволяет еще на предпро-ектной стадии спрогнозировать основополагающие статьи затрат, потребных для разработки карьеров данного типа. Используя методы математической статистики, после обработки многочисленных опытных данных, автором были получены следующие приближенные зависимости потребности горно-
транспортного оборудования в карьерах строительных материалов:
N р.в и Т 6 5/т ; N р.п.и и 0,73 V;
N э и 0,83 V; N а.с и Ь °’75 V, где N р.в - потребное кол-во бульдозеров-рыхлителей тяжелого класса на вскрышных работах, за планируемый период подготовительных работ Т, су-
ток (на объем годовой добычи 400 тыс. м3, при среднем коэффициенте вскрыши 0,2-0,25); N р.п.и - потребное кол-во бульдозеров-рыхлителей тяжелого класса на добычных работах; V - суточная норма выдачи объемов полезного ископаемого, тыс. м3; N э - потребное кол-во экскаваторов в карьере (при геометрической емкости ковша 1,25-1,5 м3); N а.с
- потребное кол-во автосамосвалов (при геометрической емкости кузова 10 м3); Ь
- дальность возки полезного ископаемого из карьера, км.
Объемы разведанных запасов строительных материалов в карьерах континентальной тундры варьируются в широких пределах: от 0,2 до 10 млн м3 и более. Годовая добыча из одного карьера может составлять от нескольких сотен м3 до 1,0—2,0 млн м3.
Главными недостатками «сухоройных» способов разработки месторождений строительных материалов в криоли-тозоне Заполярья являются: уничтожение почвенно-растительного слоя на больших площадях; удаленность от мест потребления добываемых материалов и большие удельные энергозатраты на разработку мерзлых пород.
Высокая обводненность и наличие талых залежей песка в регионах Заполярья определяют в качестве одного из основных способов разработки месторождений строительных материалов - гидромеханизированный способ.
Традиционно для гидромеханизированной разработки подозерных месторождений строительных материалов в криолитозоне применяют плавучие землесосные снаряды различной производительности. Главными недостатками гидромеханизированной разработки карьеров данного типа в Заполярье являются высокий удельный расход водных ресурсов, задействованных в процессах разработки, гидротранспортиро-
вания и намыве пород и отчуждение значительных площадей тундры (зачастую пастбищных земель) для размещений карт намыва. Существенно снизить удельный расход водных ресурсов в гидромеханизированных процессах позволяет использование разработанных автором новых высокоэффективных технических и технологических решений: пульпорыхления пород подводных забоев и применение специальных распластанных всасывающих наконечников земснарядов. Исключить же отчуждение пастбищных земель в Заполярье позволяет технологический перенос карт намыва с континентальной «сухой» тундры на акваториальную озерную тундру. Благодаря использованию перечисленных ресурсосберегающих технических и технологических решений гидромеханизированная разработка в крио-литозоне Заполярья со временем может стать основным способом разработки месторождений строительных материалов.
Некоторой альтернативой
гидромеханизированной разработки может являться предложенный автором способ разработки подозерных таликов песчаных пород скользящей площадкой с использованием экскаваторных машин. Причем, технико-экономический анализ показал, что разработка экскаваторами подозерных таликов скользящей площадкой экономичнее гидромеханизированного способа
только при добыче небольших, до 100150 тыс. м3/год, объемов полезного искСпаезобгсразработки получил название: скользящая площадка из-за того, что при периодическом перемещении по фронту добычных работ рабочая площадка как бы скользит по поверхности озера не изменяя своих первоначальных размеров: длины и ширины.
Указанный способ может быть применен в летний период при разработке дренирующих песчаных пород из небольших притрассовых карьеров частично или полностью обводненных, когда невозможно выполнить обезвоживание залежи для сухоройной разработки или когда неэффективны иные способы, например, гидромеханизированные, из-за недостаточной мощности залежи песка, нехватки воды, незначительных объемов потребления песка и пр.
В способе предполагается использование традиционной землеройнотранспортной техники: экскаваторов,
бульдозеров, погрузчиков и автосамосвалов. В зависимости от глубины озера, плотности песков и мощности залежи в качестве добычного экскаватора применяют драглайн или обратную лопату экскаватора (экскаватор - обратную лопату ввиду их относительно небольших радиуса и глубины черпания целесообразно применять на обводненных карьерах с глубиной воды не более 0,3-0,5 м и мощности разрабатываемой залежи до 2,5-3,0 м).
Отечественный опыт применения экскаваторов на обводненных песчаных и песчано-гравийных карьерах показал, что их производительность снижается (примерно в 2 раза) из-за вымывания водой породы из ковша. Коэффициент наполнения ковша при этом составляет в среднем 0,52. Поэтому, для повышения производительности ковш экскаватора (в основном драглайна) перфорируют отверстиями по специальной методике. Перфорирование позволяет практически увеличить коэффициент наполнения ковша до 0,8 и соответственно повысить производительность экскаватора при черпании из-под воды.
Разработку карьера способом скользящей площадки необходимо производить в следующей последовательности.
Из дренирующих песчаных пород (привозных, либо заранее заготовленных в ререзвах в зимний период) вначале производят отсыпку пионерной тропы 1 вглубь разведанного обводненного карьера (отдельного блока) за границу распространения сезонной мерзлоты
(ориентировочно I = 10 -50 м от берега) и далее на проектную длину Ь (рис. а).
Пионерная тропа служит для экскаватора 5 рабочей площадкой 4, с которой он производит первоначальное вскрытие залежи песка. При этом пионерный котлован 2 разрабатывают не на всю длину ранее отсыпанной тропы, а на длину её рабочего участка. А вынутый экскаватором песок переваливают на противоположный откос тропы 3. Где его разравнивают (планируют)
бульдозером 6. Расширенная таким образом тропа служит далее в качестве площадки для складирования и первичного обезвоживания добываемого песка, а также размещения на ней погрузчика 7 и маневровой площадки для автосамосвалов 8 (рис. б).
После завершения первой проходки, при которой был разработан пионерный котлован 2, экскаватор 5 возвращают на исходную позицию и приступают к промышленной добыче песка. Для этого в работу дополнительно подключают погрузчик 7 или второй экскаватор и автосамосвалы 8 (рис. в).
Промышленная добыча песка способом скользящей площадки, состоит из непрерывных процессов: выемки со дна озера; вместе с выемкой перевалки песка из насыпи прежней рабочей площадки на новую; формирования (бульдозером) из части вынутого песка новой рабочей площадки; отгрузки и вывоза большей части добытого песка автосамосвала-
Qп для Э 1252 Б, м3/смену 363 336 291 256 218
Qп для ЭО 4121 А, м3/смену 375 346 300 - -
Ьн / т 0,2 0,3 0,5 0,7 1,0
ми. Причем отгрузку осуществляют не сразу, а после первичного обезвоживания песка в буртах. Поэтому, чтобы не нарушать непрерывный процесс добычи и вывоза песка и обеспечить его первичное обезвоживание, песок отгружают из буртов с отставанием по времени (ориентировочное отставание одна смена) от добычных работ (рис. г).
Дальнейшая добыча песка экскаватором будет происходить за счет перемещения (скольжения) площадки по ранее отведенной ширине карьера, где, для прохода техники и атосамосвалов, оставляют неразобранной Г-образную часть скользящей площадки (рис. д). На стадии завершения добычных работ производят техническую рекультивацию подозерного карьера: выполажи-вание рабочего откоса уступа, разборку тропы экскаватором и вывоз песка за пределы карьера к месту потребления (рис. е).
Полезную сменную производительность экскаватора Оп (по объемам добычи полезного ископаемого, предна-
значенного для вывоза из карьера) можно рассчитать по формуле:
Оп = О К2 {1/[(Ьн/ш) + 1]}/К1, где К1 - коэфициент наполнения ковша экскаватора при черпании “сухих” пород; О - сменная производительность экскаватора при черпании “сухих” пород, м3/смену; К2 - коэфициент наполнения ковша экскаватора при черпании песчаных пород из под воды; Ьн - высота насыпи площадки и тропы, м; ш -мощность разрабатываемой залежи песка, м.
В таблице приведен расчет сменной производительности экскаваторов драглайна Э 1252 Б (600 м3/см) и обратной лопаты ЭО 4121 А (620 м3/см), в зависимости от соотношения (Ьн/ш), т.е. отношения мощности песка в отсыпанной площадке (тропе), подлежащего простой перевалки, к мощности песка - полезного ископаемого, подлежащего выемки из озера и вывоза, для пород 3-й группы составит (см. таблицу).
— Коротко об авторах ------------------------
Бессонов Е.А. - ЗАО «Глобалстрой-Инжиниринг».
