Совершенствование технологии вскрышных и добычных работ в обводненных условиях Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© В.П. Лушпей, А.А. Г ригорьев, Ю.В. Костылев, 2007

УДК 622.271.322.23

В.П. Лушпей, А.А. Григорьев, Ю.В. Костылев

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ВСКРЫШНЫХ И ДОБЫЧНЫХ РАБОТ В ОБВОДНЕННЫХ УСЛОВИЯХ

Эффективность открытой разработки месторождений полезных ископаемых в значительной мере зависит от степени устойчивости откосов бортов карьеров, уступов, отвалов.

Из большого числа факторов, от которых зависит устойчивость, определяющими являются геологические (состав, строение и свойства горных пород), гидрогеологические (влияние подземных вод на глинистые породы, влияние гидростатических и гидродинамических сил на напряженное состояние массива, фильтрационные свойства пород и др.) и технологические (углы наклона бортов, направление развития горных работ, скорость подвигания фронта горных работ, параметры вскрывающих выработок, способы осушения и др.).

На угольных месторождениях прогнозирование устойчивости значительно затруднено по сравнению с рудными, в основном, по двум причинам. Во-первых, угольные месторождения имеют большее разнообразие геологических, инженерно-геологических и гидрогеологических условий, осложненных наличием слоистых структур и сильной тектонической нарушенности. Во-вторых, сочетания нарушений и аномального залегания слоев в зоне тектонических процессов трудно прогнозируемы на стадии проектирования параметров карьера, обеспечивающих достаточную надежность и исключающих проявление оползневых явлений.

Поэтому на стадии эксплуатации сильно обводненных угольных месторождений часто вынуждены корректировать спроектированные системы осушения и технологию ведения горных работ с целью повышения устойчивости бортов карьеров и откосов уступов и отвалов.

Для условий буроугольных месторождений Дальнего Востока наиболее характерными примерами технологических решений, направленных на повышение эффективности разработки обводненных месторождений, является опыт разработки Бикинского и Павловского месторождений в Приморском крае и Ерковецкого в Амурской области.

Краткая характеристика гидрогеологических условий отработки этих месторождений приведена в табл. 1. Все разрезы, за исключением разреза «Лучегорский-1», характеризуются наличием трех водоносных комплексов: надугольного (НВК), угольного (УВК) и по-дугольного (ПВК). Однако, как видно из табл. 2, наибольшей водо-обильностью характеризуется Ерковецкий разрез.

Отработка Ерковецкого буроугольного месторождения производится в особо сложных гидрогеологических условиях. Горногеологическими факторами, осложняющими отработку пласта, являются низкий рельеф, вследствие чего подавляющая часть вскрышных пород находится в водонасыщенном состоянии и гидрогеологические условия, обусловленные наличием слабонапорного горизонта сазанковской свиты и подугольного напорного водоносного комплекса кивдинской свиты. Породы вскрыши представлены глинами, песчано-галечниковыми отложениями, алевролитами и песчаниками.

Развивающиеся на разрезе гидрогеологические и инженерногеологические процессы - высачивание подземных вод из бортов разреза, вызывающее образование наледей; суффозия; оползни рабочего и нерабочего бортов разреза; инфильтрация откачиваемой воды из водоотводных каналов, стихийно образующихся водоемов на рабочем борту и прудов-отс-тойников - негативно повлияли на добычу угля на разрезе.

Разрез был введен в эксплуатацию в 1990 г. с проектной мощностью первого пускового комплекса 500 тыс. т угля в год. Последний шестой пусковой комплекс был сдан в эксплуатацию в 1999 г. с проектной мощностью 500 тыс. т/год. Таким образом, суммарная проектная мощность трех эксплуатационных участков составляла 3,0 млн. т/год при общей длине фронта горных работ порядка 7,3 км и среднем коэффициенте вскрыши 9,1 м3/т. Однако фактическая добыча на разрезе в среднем составляла не более 600800 тыс. т/год, достигнув максимального уровня (1774 тыс./год) в

1997 году, а затем снизившись до 700 тыс. т угля в 2001-2002 годах.

Таблица 1

Краткая гидрогеологическая характеристика месторождений Дальнего Востока

Месторождение, Водоносные Основные Коэффициент фильт- Коэффициент водо-

разрез горизонты водовмещающие рации, м/сутки проводимости,

породы м2/сутки

Бикинское, НВК Гравийно-галечниковые отложения 5,1 - 10,4 101 - 208

Лучегорский-1 Песчаники, алевролиты

УВК До 1,2 1 - 34

Бикинское, НВК Озерно-аллювиальные отложения, га- 1 - 20 1 - 243

Лучегорский-2 лечники

УВК Слабосцементированные аргиллиты, 0,1 - 0,7 43

углистые аргиллиты, уголь

Метаморфизованные кремнисто- 0,08 - 0,13 0,021 - 0,1

ПВК глинистые сланцы, песчаники

Павловское, НВК Песчано-гравийные и гравийно- 1,6 - 57,4 100 - 940

Павловский-2 галечниковые отложения

Песчаники, алевролиты, аргиллиты, 0,03 - 7,84 10 - 120

УВК бурый уголь

Гранитоиды, сланцы с прослоями из- 0,009 - 2,95 -

ПВК вестняков и песчаников

Ерковецкое НВК Пески крупно- и среднезернистые, 32- 266 450 - 650

галечники

УВК Слабопроницаемый крепкий, хрупкий 0,034 - 1,06 0,10 - 0,29

бурый уголь, углистые глины

Плотные и песчаные глины, реже алев- 4 - 22 22 - 472

ПВК ролиты

13134

Таблица 2

Сравнительная оценка обводненности буроугольных месторождений Дальнего Востока по состоянию на 2006 г.

Разрез, участок Длина фронта, м Годовой объем добычи, тыс. т Водоприток в разрез, тыс. м3/год Коэффициент водообиль-ности, м3/т

Лучегорский-1 Западный, 2650 2494,1 3359 1,35

Восточный 2150 660,9 8460 12,80

№ 2 2100 354,8 2288 6,45

По разрезу 6900 3509,8 14107 4,02

Лучегорский-2 Северо-Западный 2300 2014,9 4850 2,41

Павловский № 1 1000 1724 1,72

№ 2 2500 6111 2,44

По разрезу 3500 7895 2,26

Ерковецкий № 1 2300 340 12035 35,40

№ 2 3200 580 12471 21,50

№ 3 2900 830 18144 21,86

По разрезу 8400 1750 42650 24,37

Одним из технологических решений, обеспечивающих безаварийную и производительную работу добычного оборудования, является разработка технологических схем выемки добычной заход-ки, в которых работа выемочного и горно-транс-портного оборудования в обводненных условиях частично или полностью исключена. Для этого рекомендуется отрабатывать заходку экскаватором типа обратная лопата с установкой его на кровле пласта, либо прямой лопатой с удлиненным оборудованием (типа ЭКГ-5АУ или ЭКГ-4У) для обеспечения верхней погрузки с размещением экскаватора на почве пласта. В обоих случаях железнодорожный путь должен располагаться на уровне кровли пласта, что исключает возможность подтопления транспортных коммуникаций и последующее развитие деформационных явлений. При этом заходка по углю отрабатывается за два-три прохода экскаватора в зависимости от ширины заходки и вынимаемой мощности пласта. Сущность разработанной технологии заключается в том, что за первый проход добычного экскаватора ЭКГ-5АУ уголь грузится в средства железнодорожного транспорта, расположенного на кровле пласта второго прохода (рис. 1). Одновременно этим же экскаватором по мере подвигания угольного забоя первого прохода производится отсыпка земляной насыпи под железнодорожный путь из пород нижнего яруса внутреннего отвала. Высота породной насыпи должна быть на уровне кровли угольного пласта. На вновь отстроенное земляное полотно производится переукладка железнодорожного пути, на который грузится уголь при выемке угля экскаватором второго прохода. При использовании экскаватора типа обратная лопата (например, Катерпиллар-375Л) выемка добычной заходки большей ширины (до 50 м) может производиться за три прохода экскаватора (рис. 2).

Поскольку на разрезе условия отработки пластов на эксплуатационных участках разные (на участках №№ 1 и 2 в отработке находятся сближенные пласты I и 1а с мощностью внутренней вскрыши до 2 м, а на участке № 3 в отработку попадает только пласт I) нами разработаны для этих условий оптимальные параметры добычного комплекса (табл. 3).

Опыт применения указанных технологических схем добычных работ на 2-ом и 3-ем эксплуатационных участках показал, что производительность выемочного оборудования повышается

Рис. 1. Технологическая схема выемки угля экскаваторами типа прямая лопата в обводненных условиях

на 15-20 %, а непроизводительные простои добычных экскаваторов снижаются на 20-25 %.

Как правило, при отработке вскрышных уступов в обводненных условиях по мере выемки очередной заходки формируется полотно для сооружения железнодорожного пути и производится устройство водоотводных канав. Недостатком этого способа явля-

ется оседание насыпи и резкое снижение устойчивости пород основной площадки земполотна забойных

Рис. 2. Технологическая схема выемки угля за три прохода экскаватора

железнодорожных путей при обильном выпадении атмосферных осадков, значительные трудовые и материальные затраты на содержание железнодорожных путей в процессе эксплуатации.

Идея разработанного нами способа заключается в том, что полотно под железнодорожные пути формируется по нетронутым по-

родам (целику) рабочей площадки при прямом рабочем ходе экскаватора выше проектной отметки на высоту полотна

Таблица 3

Рекомендуемые параметры системы разработки на добычном комплексе

Условия разработки

Рекомендуемые параметры системы разработки

Вынимаемая мощность пласта, м Ширина заходки, м Количество проходов экскаватора Ширина прохода, м Высота породной насыпи, м

I II III

4,6 40 2 18 22 - 4,6

6,5 45 3 18 18 9 3,0

6,5 50 3 16 18 16 6,5

и одновременно устраиваются водоотводные канавы на поверхности откоса и рабочей площадки уступа, а при обратном ходе экскаватора вдоль уступа на его рабочей площадке со стороны выработанного пространства проходят траншеи, в которых отсыпают поперечные перемычки.

Технология отработки вскрышных уступов в обводненных условиях заключается в следующем. Отработку каждой заходки осуществляют в два прохода экскаватора. При прямом ходе экскаватора (например ЭКГ-8И) отработку вскрышного уступа 1 (рис. 3) производят выше проектной отметки на величину, равную высоте земляного полотна (до 1,5 м), сооружаемого известным способом. Погрузка породы осуществляется в железнодорожные транспортные сосуды 2. По мере подвигания забоя 3 при выемке целика породы по длине заходки на по-верхности вновь образованного откоса 4 вскрышного уступа 1 и рабочей площадки 5 с интервалом, равным (10 15) Ну, ковшом экскаватора готовят водоотводные

канавы 6 (рис. 3). На рабочей площадке 5 такие канавы устраивают на участке длиной не более половины ширины заходки. В местах пересечения водоотводных канав 6 с вновь сооружаемым железнодорожным путем 7 укладывают дренажные устройства 8 (металлические трубы, лотки и т.п.), которые переносятся вместе с перемещением железнодорожного пути 7 с предыдущей заходки. Железнодорожный путь укладывают на целиковую породную призму 9, а у нижней бровки 10 вскрышного уступа проводят водоотводную канавку 11. При необходимости целиковая породная призма 9 может быть защищена водозащитными покрытиями (связующими,

полиэтиленовой пленкой, пластиком и т.п.). Затем производят балластировку, подбивку шпал,

А-А.

при прямом ходе экскаватора

выправку пути, т.е. цикл вспомогательных операций, характерных после переноски (перемещения железнодорожных путей на новую заходку).

При обратном ходе экскаватор устанавливают на проектную отметку и производят выемку породы в траншее, при этом породу грузят в железнодорожные транспортные сосуды 2, расположенные

либо на старой трассе, либо на новой, перемещенной к вновь образованному откосу 4 уступа.

V, млн. м3

I 200 J С>э, тыг.м3 мес.

-

- / ^ / г* / / \ "Ч \ \

- / / ^ У ^^*4 / г / \ / / X \ / ✓ \ \ \ \ \ \

- / \ / / / *

- Ж' ^ / / / /■

ЯП У Период применения породных цетнковых ПрН’ЗМ

на передовых транспортных уступах

1976 1977 1978 1979 1980 1981 1982 1983 1984 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991

Годы

|—------— — | — годовой объем вскрыши на железнодорожный транспорт

— среднемесячная производительность вскрышного экскаватора на передовых транспортных уступах

Рис. 4. Характер влияния передовой технологии вскрышных работ при железнодорожном транспорте на производительность вскрышных экскаваторов

По мере подвигания экскаватора с интервалом, равным (10 15) Ну, экскаватор отсыпает поперечные породные перемычки, образуя при этом замкнутый контур траншеи. Каждая такая траншея соединяется с водоотводными канавками 6 в средней части. Вода, поступающая в замкнутые траншеи по водоотводным канавам, удаляется из замкнутых траншей с помощью насосов или перепуска ее на нижележащие горизонты.

Использование разработанного способа отработки вскрышных уступов в обводненных условиях участков «Восточный», «Западный» и № 2 разреза «Лучегорский-1» в течение почти десяти лет (рис. 4) в разных вариантах в летний период времени убедительно свидетельствует о том, что подобные технологические решения позволяют повысить надежность эксплуатации забойного железнодорожного пути за счет обеспечения устойчивости основания, на котором сооружается путь, сократить сходы локомотивосо-ставов и соответственно сократить трудовые и материальные затраты на аварийно-восстановительные работы, а также ускорить подготовку трассы на уступе и сооружение железнодорожного пути на новой заходке.

— Коротко об авторах -------------------------------------------------------

Лушпей В.П. - доктор технических наук, профессор,

Григорьев А.А. - кандидат технических наук, доцент,

Дальневосточный государственный технический университет (ДВПИ им. В.В. Куйбышева),

Костылев Ю.В. - ОАО «Амурский уголь».