CC BY
93
------------------------------------------ © А.Г. Шапарь, П.И. Копач,
Л. В. Якубенко, Б. С. Гулямов,
2006
УДК 622.271:504.06
А.Г. Шапарь, П.И. Копач, Л.В. Якубенко, Б.С. Гулямов
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ РАЗРАБОТКИ ТЕХНОГЕННЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ НА БАЗЕ ШЛАМОХРАНИЛИЩ
Семинар № 16
Гехнология отработки техногенных месторождений в первую очередь определяется структурой сформированных массивов и физикомеханическими свойствами слагающих эти массивы пород. В свою очередь и структура массива и свойства пород зависят от способа их формирования, а также периода времени, происшедшего от момента завершения его складирования и начала освоения техногенного месторождения.
Таким образом, любое техногенное месторождение является инженерным сооружением, которое неоднородно по внутреннему строению. Эта неоднородность обусловлена одновременно и конструкционно и технологически.
Конструкцию техногенного месторождения при его формировании обычно выбирали, руководствуясь
принципами обеспечения устойчивости и максимальной приемной способности (емкости). При этом учи-тывались инженерно-геологические особенности основания, свойства складируемых пород (хвостов) и способ их транспортирования и складирования. Техногенные месторождения обычно размещали на непригодных или неудобных для сельскохозяйственного использования землях: на поймах, на болотах, в балках, на обнаженных склонах и т.д. Как правило, на таких территориях требовались осо-
бые меры для подготовки основания. Техногенные месторождения могли размещаться в выработанном пространстве функционирующих или отработанных карьеров без каких-либо мер по подготовке основания.
Физическое состояние и консистенция складируемых горно-пород-ных масс и хвостов самые разнообразные. Эти материалы могут иметь вид крупных или мелких твердых обломков, сыпучей массы, мягких комьев, пластичной (тестообразной) массы и пульпы.
Инженерно-геологические характеристики пород и структура массивов техногенных месторождений полностью обусловлены технологией разработки, обогащения и последующего складирования технологических отходов горного производства.
Доставка пород в техногенные месторождения могла осуществляться сухим способом (в транспортных емкостях либо ленточными конвейерами) и гидравлическим способом (по трубам). Складирование этих материалов осуществляется также и сухим, и гидравлическим способами.
По способу формирования выделяются два основных типа техногенных месторождений: 1) формируемые сухим способом (в дальнейшем для краткости они условно называются «сухими»; 2) формируемые гидравлическим способом
(в дальнейшем именуются «мокрыми» или гидравлическими).
«Сухие» техногенные месторождения обычно сформированы с помощью имеющегося на карьере горнотранспортного оборудования.
Формирование хвостохранилищ при гидравлической укладке хвостов обогащения производится в искусственных и естественных ёмкостях, образованных в результате выемки горных пород, путём ограждения земной поверхности дамбой обвалования или перегораживания балок и др. По данному признаку ёмкости под хвостохранилища классифицируются на внутрикарьерные (без дамб обвалования), овражные с дамбами обвалования с одной стороны, косогорные, когда дамбы обвалования устраиваются с двух или трёх сторон, и равнинные с дамбой обвалования по всему периметру хвостохранилища. Данные признаки определяют форму в плане будущего техногенного месторождения.
Схемы намыва хвостов (от ограждающей дамбы к вершине хвостохрани-лища; от вершины хвостохранилища к дамбе; кольцевой намыв; комбинированный намыв) предопределяют разную структуру массива, и обуславливают зонирование площади техногенного месторождения по концентрации полезного компонента. По состоянию обводнённости шламохранилища могут быть осушенными по всей толще шламов, осушенными в поверхностном слое и обводнёнными.
Все эти особенности играют значительную роль в процессе выбора технологической схемы отработки техногенного месторождения.
Что касается осушенных и обводнённых шламохранилищ, то в этом случае практически невозможно найти различий в технологических процессах их отработки по сравнению с производством
работ при открытой разработке месторождений по традиционным схемам. Рассматривая частично осушенные шламохранилища, следует отметить, что здесь имеются серьёзные различия в технологических процессах и выборе технологического оборудования.
Таким образом, освоение техногенных месторождений представляет собой многоаспектную и комплексную проблему. Поэтому наиболее обоснованным подходом при её решении является применение метода классификации с целью установления приоритетных задач.
Классификация схем разработки техногенных месторождений приведена в таблице. Анализ классификации по последнему признаку показывает, что методическая база для расчётов основных параметров технологических схем при сухих способах разработки уступа с установкой основного забойного оборудования на нижней площадке уступа разработана в достаточной степени. А вот для этих же способов разработки, но с установкой основного забойного оборудования на верхней площадке уступа методическая база разработана недостаточно полно. Отсутствуют технологические схемы отработки шламохранилищ с повышенной влажностью пород техногенного массива при использовании в качестве основного технологического оборудования экскаваторов-драглайнов.
Гидравлические способы разработки с установкой основного забойного оборудования, как на нижней, так и на верхней площадках уступа методическими материалами обеспечены в достаточной степени. Исключение составляют технологические
Классификация технологических схем разработки техногенных месторождений
Класс Способ разработка техногенных месторождений по показателю обводнённости Подкласс Способы разработки уступа основным забойным оборудованием в зависимости от места его установки Группа Тип основного забойного оборудования Подгруппа Тип транспортных средств Горно-технические условия применения технологических схем Наличие методической базы для расчётов основных параметров технологических схем
1 2 3 4 5 6
А. Сухие А-1. Способы разработки уступа с установкой основного забойного оборудования на нижней площадке уступа А-І-1. Экскаватор прямая лопата А-І-1.а. Колёсный Техногенный массив по всей высоте в состоянии естественной влажности, обеспечивающей проходимость колёсных и гусеничных машин. Методическая база для расчётов основных параметров и методов
А-І-2. Роторный экскаватор А-І-2.а. Конвейерный А-І-2.б. Колёсный
А-І-3. Цепной экскаватор. А-І-3.а. Конвейерный А-І-3.б. Колёсный
А-І-4. Карьерный погрузчик. А-І-4.а. Колёсный
А-І-5. Обрушающе-погру-зочный комплекс А.І.5.а. Колёсный А.І.5.б. Конвейерный Горная порода (масса) способная хорошо рыхлиться при обрушении, невысокая связность Методическая база для расчётов основных параметров имеется
А-І-6. Специальные способы обрушения - экскавационно-погрузочное оборудование А.І.6.а. Колёсный А.І.б.б. Конвейерный А .1.6. в. Гидравлический
А-11. Способы разработки уступа с установкой основного забойного оборудования на верхней площадке уступа А-ІІ-1. Экскаватор обратная лопата А. ІІ.1 .а. Колёсный Верхняя часть техногенного массива в состоянии естественной влажности, а нижняя часть с повышенной влажностью, исключаю щей проходимость колёсных и гусеничных машин Методическая база для расчётов основных параметров имеется
А-ІІ-2. Драглайн - загрузочный бункер А. ІІ.2.а. Колёсный А.ІІ.2.б. Конвейерный
А-ІІ-3. Цепной экскаватор А.ІІ.З.а. Конвейерный А.ІІ.3.б. Колёсный
А-ІІ-4. Драглайн (навал) -экскаватор прямая мехлопата А.ІІ.4.а. Колёсный Отсутствуют технологические схемы производства
1 2 3 4 5 6
А-ІІ-5. Драглайн (навал) -карьерный погрузчик А.11.5.б. Колёсный горных работ при отработке шламо-хранилища
А-ІІ-6. Драглайн (навал) -роторный экскаватор Драглайн - гидромонитор АИ.б.а. Конвейерный АИ.б.б. Колёсный А .11.6. в. Гидравлический
А-ІІ-7. Скрепер (навал) - экскаватор прямая лопата А.11.7.а. Колёсный Недостаточно проработаны вопросы проходимости горнотранспортного оборудования при их работе в условиях техногенных месторождений
А-ІІ-8. Бульдозер (навал) - экскаватор прямая лопата А.11.8.а. Колёсный
А-ІІ-9. Бульдозер (навал) -карьерный погрузчик А-ІІ-10. Скрепер (навал) - карьерный погрузчик А.11.9.а. Колёсный А.11.10.а. Колёсный
Б. Гидравлические Б-1. Способы разработки уступа с установкой основного забойного оборудования на нижней площадке уступа Б-І-1. Гидромонитор - землесос Б-1-1.а.Трубопроводный гидротранспорт Техногенный массив не подтоплен, но в состоянии повышенной влажности Методическая база для расчётов основных параметров имеется
Б-І-2. Бульдозер (навал) -гидромонитор - землесос Б-1-2.а.Трубопроводный гидротранспорт
Б-І-3. Скрепер (навал) - гидромонитор - землесос Б-1-3.а.Трубопроводный гидротранспорт
Б-11. Способы разработки уступа с установкой основного забойного оборудования на верхней площадке уступа Б-ІІ-1. Земснаряд без рыхлителя Б-ІІ-2. Земснаряд с механическим рыхлителем Б-ІІ-3. Земснаряд с гидромонитором Б- ІІ-4. Драга Б-11-1.а.Т рубопроводный гидротранспорт Б-11-2.а.Т рубопроводный гидротранспорт Б-11-3.а.Т рубопроводный гидротранспорт Б-11-4.а.Т рубопроводный гидротранспорт Техногенный массив подтоплен Методическая база для расчётов основных параметров имеется
1 2 3 4 5 6
Б-ІІ-5. Земснаряд с обрушением массива Б-11-5.а.Трубопроводный гидротранспорт Техногенный массив подтоплен Отсутствуют технологические схемы производства горных работ
Б-ІІ-6. Гидромонитор с размывом вниз - земснаряд Б-11-б.а.Т рубопроводный гидротранспорт Техногенный массив не подтоплен, но в состоянии повышенной влажности
Б-ІІ-7. Гидромонитор с размывом вниз - землесос Б-11-7.а.Т рубопроводный гидротранспорт Техногенный массив повышенной влажности малой мощности
В. Комбинированные В-1. Способы разработки уступа с установкой основного забойного оборудования на верхней площадке уступа В-І-1. Драглайн (навал) -гидромонитор - землесос В-1-1.а.Трубопроводный гидротранспорт. В-1-1.б. Колёсный Техногенный массив в состоянии естественной влаж-ности и хорошо размывается, не подтоплен Методическая база для расчётов основных параметров имеется
В-І-2. Цепной экскаватор (навал) - гидромонитор -землесос В-1-2. а.Трубопроводный гидротранспорт
В-І-3. Драглайн - смесительный бункер В-1-3.а.Трубопроводный гидротранспорт
В-І-4. Цепной экскаватор -смесительный бункер В-1-4.а.Трубопроводный гидротранспорт
В-І-5. Земснаряд (грохот) -прямая лопата (погрузчик) В-1-5.а.Трубопроводный гидротранспорт. В-1-5.б. Колёсный Техногенный массив представлен крупнокусковой массой (гравийно-песчаная смесь), подтоплен Методическая база для расчётов основных параметров имеется
В-І-6. Земснаряд (грохот) -погрузчик В-1-6.а. Колёсный
В-І-7. Земснаряд (навал) -прямая лопата В-1-7. а. Колёсный
В-І-8. Земснаряд (навал) -погрузчик В-1-8.а. Колёсный
схемы работы земснаряда с обрушением техногенного массива, для которых отсутствуют методики расчета параметров отработки подводного, обводненного или частично обводненного массива.
Всё выше изложенное позволило выявить те пробелы в методическом обеспечении технологии разработки техногенных месторождений, которые стали предметом дальнейших исследований.
Как следует из классификации, разработка технологических схем ведения горных работ неразрывно связаны с целым комплексом факторов.
В основе разработки технологических схем, во-первых, должна лежать достоверная информация о свойствах пород, строении и состоянии массы; во-вторых - возможность и особенности применения в этих условиях конкретного экскавационного и транспортного оборудования; в-третьих - учет и использование накопленного на настоящее время передового производственного опыта и научно-тех-нического потенциала; в-четвертых - соблюдение экономичности разрабатываемых технологических систем [5].
Разработка технологических систем неразрывно связана с вопросами охраны окружающей среды. Несовершенство технологических схем освоения техногенных месторождений приводит к значительному ущербу природных компонентов окружающей среды.
В практике освоения техногенных месторождений наблюдается, в основном, применение традиционных приемов, оборудования и технологических
схем открытой разработки. В то же время условия разработки техногенных месторождений имеют свои существенные особенности, учет которых необходимо осуществлять.
Применение соответствующего серийного оборудования является решающим фактором, поскольку от этого многое зависит в процессах дальнейшего освоения техногенного месторождения.
«Сухой» способ разработки таких шламохранилищ возможен при условии, если обеспечивается достаточная несущая способность основания, на котором работает машина и обеспечивается её проходимость. При работе экскаваторов прямая лопата, погрузчиков с верхним черпанием, также скреперов основание для установки этих машин располагается на глубине равной высоте их черпания, если это позволяет несущая способность пород.
Что касается колёсных машин (автосамосвалов, скреперов, колёсных погрузчиков), то необходимо отметить, что их проходимость дополнительно зависит от атмосферных осадков, когда при дождях разжижается верхний слой основания, что приводит к буксованию машин и потери их работоспособности, хотя машины, оборудованные гусеничным или шагающим ходом, ещё способны работать.
В случае разработки «сухих» техногенных массивов с удовлетворительной проходимостью возможно применение классических технологических схем открытых горных работ, определение параметров которых основано на базе известных методик расчета.
Эксплуатация частично обводненного массива с применением экскаваторного способа разработки требует корректировки технологических схем и их параметров, в зависимости от приме-
няемого оборудования и с учетом состояния массива.
Наиболее перспективная технологическая схема разработки частично «сухого» шламохранилища, верхняя часть массива которого находится в состоянии естественной влажности, а нижняя - повышенной, с применением драглайна.
Эта схема (рис. 1) предусматривает расположение экскаватора на верхней площадке уступа и раздельную экскавацию шламов в зависимости от их обводненности. При отработке первого экскаваторного блока (начало эксплуатации техногенного месторождения) шламы верхнего слоя извлекаются экскаватором по всей ширине заходки и складируются на поверхности в штабель досушки. С целью удаления воды из шламов, расположенных в нижней части забоя, ширина заходки разделяется на две равные части, из первой (прибортовой) формируется подуступ (оставляется целик), а шламы второй половины экска-вируются и складируются на этот подуступ.
Для более эффективного дренажа экскаватором проходится дренажная канава, шламы из которой также укладывают на этот же подуступ.
Отличие цикла работ при отработке второго и последующего экскаваторных блоков заключается в экскавации фронтальным забоем шламов штабеля предварительного осушения и подус-тупа, сформированного при отработке первого блока. Шламы из этого забоя складируются в штабель досушки. По мере осушения эти шламы разрабатываются погрузочными машинами на автотранспорт.
На основе проведенных исследований для этой технологической схе-мы установлены взаимосвязи между ее основными конструктивными и технологическими параметрами, а также
разработана методика их расчета. Рассматриваемая технологическая схема предусматривает расположение драглайна на верхней площадке уступа. Экскаваторный блок длиной ЬЭ.Б., ориентирован вдоль продольной оси месторождения с целью увеличения продолжительности его отработки для более полного осушения подуступа и штабеля предварительного осушения посредством дренирования воды в выработанное пространство через плоскости «обнажения» массива:
-Э.Б. = 1-Т. М. = -Ф.Р.
где ЬЭ.К, ЬТМ., ЬФР - соответственно длина экскаваторного блока, техногенного месторождения и фронта горных работ.
Экскаваторный блок отрабатывается торцовым забоем. Ширина заходки экскаватора определяется по формуле:
А = 1,33Я. тах - 0,67(Ио(дх +1) - 0,33В, м
где Як тах - максимальный радиус черпания экскаватора, м; Н - высота уступа, м; а - угол откоса уступа, град; I - технологическое расстояние между отвалом и уступом, включающее ширину предохранительных берм, дороги и дренажной канавы, м; В - ширина штабеля досушки, м.
В зависимости от обводненности массива высота уступа Н разделяется на две части: верхнюю, находящуюся в состоянии естественной влажности с высотой, равной:
Нев =Н-Н1, м
где Н1 - нижняя часть уступа с повышенной влажностью, м.
Согласно этой технологической схемы шламы верхнего слоя, высотой Нев, извлекаются экскаватором по всей ширине заходки А и складируются на поверхности в штабель досушки, ширина которого равна:
Технологическая схема разработки шламохранилища с формированием внутреннего склада предварительного осушения
дуступ. Для более эффективного дренажа экскаватором проходится дренажная канна
ва, шламы из которой также укладывают на этот же подуступ. При этом высота штабеля предварительно осушения будет равна:
h1 =
(Ai • Hi + hд.к ctga) kp Ai
где Ьдж - глубина дренажной канавы, м.
Скорость подвигания экскаваторного забоя определится из выражения:
Р - А
м/год
дA • H • kp
B =___________________!L, м
где к0 - высота штабеля досушки, м; кр -коэффициент разрыхления шламов.
Высота штабеля досушки шламов Ь0 определяется по формуле:
ho =
A • H • kp ctgp
где в - угол откоса штабеля, град.
С целью удаления воды из шламов, расположенных в нижней части забоя, высотой Н1 ширина заходки разделяется на две равные части, из первой (прибор-товой) формируется подуступ (оставляется целик), высотой Н1 и шириной А1 =
0,5А, а шламы второй половины экска-вируются и складируются на этот по-
А • Н
где Р - нормативная производительность экскаватора, м /год; Д - снижение производительности экскаватора, связанное с экскавацией вязких, водонасыщенных пород, с производимыми работами по укладке пород на подуступ в штабель предварительного осушения, а также с увеличением рабочего цикла при работе во фронтальном забое, м3/год.
Скорость подвигания фронта горных работ составит:
ф.р.
Р - А Vp. • H
■, м/год.
Время отработки блока Т будет равно
^ф.р. • A • H
, лет.
экскаваторного
Т =
P-А
м
0
м
Следует отметить, что такие параметры элементов системы разработки как высота уступа Н и подуступа Н определяются исходя из технических характеристик применяемого экскаваторного оборудования, а необходимые физико-механические характеристики состояния массива необходимо уточнять опытным путем.
В заключение следует отметить важность учёта экологического фактора при освоении техногенных месторождений. При анализе природных и техногенных скоплений минерально-
сырьевых ресурсов и оценке первоочередности их освоения (кроме учёта общепринятых факторов и показателей) необходимо исходить из степени их экологической опасности. В этой связи, в существующей экономической и экологической ситуации, первоочередным должно быть освоение техногенных месторождений (как более экологически опасных) и только потом
1. Экономические проблемы использования промышленных отходов. Отв. ред. Т.Т. Клия-ненко. - Киев: Наукова думка, 1983. - 160 с.
2. Жаворонкова И.П. Экономические вопросы улучшения использования минеральносырьевых ресурсов СССР. - М.: Наука, 1973. -244 с.
3. Шульгин С.В. Экологический подход к классификации отходов горнопромышленного комплекса // Достижения и перспективы, 1986.
- природных месторождений. При этом безусловным является требование рекультивации территории техногенного месторождения и экологической реабилитации сопредельных территорий.
Таким образом, техногенные месторождения представляют собой новый, широко распространённый на настоящее время доступный источник минерального сырья, образованный в результате неоправданно масштабной горнодобывающей деятельности прошлых лет. Подобные месторождения требуют их детального изучения с привлечением современных аналитических методов, разработки научно обоснованных методов и технологий их освоения, создания механизмов экологического сопровождения их эксплуатации, рекультивации и экологической реабилитации сопредельных территорий.
-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Вып. 47. Природные ресурсы и окружающая среда. - №14. - С. 130-133.
4. Руманова Е.С., Цыбизов А.Н., Блоха Н.Т. и др. Техногенные ресурсы минерального сырья. М., Недра, 1991. - 208 с.
5. Шапарь А.Г., Гулямов Б.С. Перспективы вовлечения в эксплуатацию техногенных месторождений марганцево-рудного сырья. Ж. «Горный информационный аналитический бюллетень». Из-во Московского горного университета. - М.: 2003. - С. 215-217.
— Коротко об авторах ----------------------------------------------------------------
Шапарь Аркадий Григорьевич - чл.-корр. НАН Украины, директор Института проблем природопользования и экологии НАН Украины,
Копач Павел Иванович - кандидат технических наук, заведующий отделением,
Якубенко Леонид Викторович - старший научный сотрудник,
Гулямов Богдан Святославович - инженер,
Институт проблем природопользования и экологии НАН Украины.
