CC BY
8
УДК.622.271
ТЕХНОЛОГИЯ РАЗРАБОТКИ КИМБЕРЛИТОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ
СКРЕПЕРА, ОСНАЩЕННОГО КОМБИНИРОВАННЫМ
ОБОРУДОВАНИЕМ
А.Г. Секисов, А.Ю. Чебан
Предварительное разупрочнение массива природным рассолом ведет к снижению прочности кимберлитов на 30...40 %, что позволяет не только повысить производительность рыхления, но и обеспечить демпфирующее действие на минеральный комплекс кимберлитов для повышения сохранности кристаллов ювелирных классов. В статье предлагается технология с применением скрепера с комбинированным оборудованием. Подготовка массива кимберлитов к выемке осуществляется при движении скрепера холостым ходом посредством рыхления верхнего слоя с одновременной подачей через зубья рыхлителя природного рассола в нижележащий слой для его последующего разупрочнения. После разворота скрепера ведется черпание разрыхленной горной массы удлиненным ковшом и ее транспортировка к перегрузочному пункту.
Ключевые слова: кимберлиты; сохранность кристаллов; разупрочнение массива; природный рассол; скрепер; длина ковша; технико-экономические показатели.
Введение. В настоящее время важным направлением развития горной науки и производства является создание технологий основанных на обеспечении принципов малоотходности и ресурсосбережения с максимальным сохранением природного качества сырья в процессе его добычи [1-6]. Наибольшую значимость данные технологии имеют для разработки коренных месторождений кимберлитов и другого кристаллосырья, где необходимо обеспечить максимальное сохранение форм, размеров и структуры содержащихся в руде кристаллов. В России месторождения кимберлитов разрабатываются преимущественно открытым способом, при этом наибольшее распространение получили технологические схемы с применением буровзрывных работ [7]. Необходимо отметить, что кристаллы алмазов очень чувствительны к динамическим нагрузкам, сопровождающим взрывные работы. Взрывное рыхление массива кимберлитов негативно сказывается на сохранности качества алмазов, поскольку при таком способе подготовки кимберлитовой руды к выемке, прохождение через нее упругих взрывных волн оказывает разрушающее воздействие на алмазы, в особенности это касается крупных кристаллов [8]. При этом стоимость как ювелирных, так и технических алмазов многократно снижается при уменьшении их массы, например согласно [9] ювелирные алмазы массой 1,80... 10,79 карат оценивались в 388 долл./кар, а массой 0,45... 0,89 карат -46...73 долл./кар. Таким образом сохранение в процессе добычи природного качества и размеров кристаллов в особенности ювелирного назначения может существенно повысить эффективность горного производства.
Постановка проблемы и состояние вопроса. В настоящее время в связи с развитием технических средств для механической выемки основная часть массива кимберлитовых руд может быть отработана без использования взрывного рыхления [10 - 16]. Переход на механический способ выемки руды с применением горных комбайнов различных конструкций обеспечивает увеличение стоимости получаемой продукции на 10... 14 % за счет роста выхода крупных кристаллов алмазов [7 - 8]. При этом наибольший эффект от механической выемки достигается при разработке руд высокой ценности. Также известны технологии разработки кимберлитов с применением роторных экскаваторов и бульдозерно-рыхлительных агрегатов [14]. В работе [15] предлагается технология разработки кимберлитов, заключающаяся в рыхлении массива фрезерными машинами с последующей выемкой полученной рудной массы скреперами. Отсутствие нагрузок от действия взрыва положительно сказывается на сохранности кристаллов. Однако очевидно, что при взаимодействии зубьев или резцов рабочих органов выемочных машин с сцементированным массивом кимберлитов из-за наличия жестких связей кристаллов алмазов с минеральной массой цементной фазы, также неизбежны динамические нагрузки на них, а соответственно и повреждение кристаллов.
Уменьшить сопротивление рыхлению кимберлитов, а следовательно, снизить напряжения в массиве и нагрузки на кристаллы, позволяют технологии с применением предварительного разупрочнения кимберлитов природными рассолами или растворами поверхностно-активных веществ (ПАВ). Так в работе [17] приводятся результаты исследований по разупрочнению кимберлитов посредством воздействия на них растворов ПАВ, которые обеспечили снижение прочности кимберлитов на одноосное сжатие до 50 %. В способе селективной выемки кимберлитов [14] предлагается вести дезинтеграцию руд высокой ценности прочностью до 40 МПа бульдозерно-рыхлительным агрегатом с последующим размачиванием разрыхленной руды высокоминерализованным рассолом в специальном котловане для обеспечения сохранности крупных кристаллов алмазов при последующей переработке руды.
В известных технологических схемах разупрочнение массива перед выемкой предусматривает подачу раствора ПАВ или природного рассола из емкости в специально пробуренные скважины, пропитку массива в течении определенного времени с последующей извлечением кимберлитовой руды одноковшовыми экскаваторами [15, 17]. Недостатками данных схем являются многооперационность, необходимость использования различного оборудования, относительно высокая стоимость работ, что ограничивает возможность их применения для массовой выемки кимберлитов. В работе [17] предлагается технология подземной отработки кимберлитов проходческим комбайном с исполнительным органом избирательного действия и применением раствора ПАВ для орошения поверхности забоя, недостат-
ком данной технологии является незначительное время воздействия раствора ПАВ на массив для развития в нем дополнительных хемогенных трещин.
Целью исследования является разработка технико-технологического решения, обеспечивающего повышение сохранности кристаллов при ведении массового разупрочнения и рыхления, выемки и транспортировки кимберлитовых руд с применением скрепера с комбинированным оборудованием.
Результаты исследований. В институте горного дела ДВО РАН разработана конструкция скрепера с комбинированным оборудованием для выемки кимберлитовых руд невысокой прочности (с прочностью на одноосное сжатие до 10.20 МПа) и технология его применения. В качестве прототипа был принята конструктивная схема скрепера с удлиненным ковшом, оборудованным интенсификатором загрузки в виде промежуточной подгребающей стенки (ППС), обеспечивающей эффективное заполнение ковша при черпании горной массы, полученной при рыхлении массива посредством фрезерной машины или карьерного комбайна [18]. Для обеспечения повышения сохранности кристаллов при выемке кимберлитовых руд, снижения энергоёмкости данного процесса, повышения производительности горного оборудования, а также уменьшения его количества и номенклатуры, авторами предлагается дополнительно оснастить скрепер-прототип рыхлительным оборудованием с системой подачи природного рассола к массиву.
Природные хлоридно-кальциевые рассолы водоносных горизонтов вмещающих пород с содержанием хлоридов кальция и магния от 150 г/л действуют на кимберлитовую руду как выщелачивающие агенты, вызывая их разупрочнение. На основании исследований, проведенных авторами совместно с сотрудниками МГРИ-РГГРУ, установлено, что обработка образцов кернового материала, отобранного на ряде кимберлитовых месторождений Якутии, природными рассолами обеспечило снижение прочности на одноосное сжатие на 30.40 % за 20 - 30 часов пропитки. Также с участием авторов были проведены исследования фракционного состава материала, полученного при разрушении с использованием пресса образцов кимберлитов как в естественном состоянии, так и после разупрочнения природными рассолами (рис. 1). Исследования показали существенное повышение выхода мелких фракций за счет развития микротрещин при смачивании поверхностей первичных (естественных) трещин, уменьшение связности обломочных включений и кристаллов алмазов с «цементирующей» составляющей кимберлитов. Таким образом, результаты исследований подтверждают демпфирующее действие природных рассолов на минеральный комплекс кимберлитов, обеспечивающее повышение сохранности кристаллов крупных алмазов.
Рис. 1. Диаграмма распределения разрушенного материала образца кимберлита в естественном состоянии (1) и после разупрочнения
природными рассолами (2)
Скрепер с комбинированным оборудованием предлагаемой конструкции включает тягач 1, тяговую раму 2, удлиненный ковш 3 с ППС 4, привод которой осуществляется гидроцилиндрами 5 через рычаги 6 и тяги 7 (рис. 2). Рыхлительное оборудование 8 включает балку 9 с набором зубьев 10, равномерно расставленных один от другого для рыхления полосы равной ширине удлиненного ковша 3, балка 9 шарнирно прикреплена к днищу удлиненного ковша 3 и может поворачиваться из транспортного положения в рабочее посредством гидроцилиндров 11. В наконечники 12 зубьев 10 встроены форсунки 13 для подачи под давлением природного рассола из емкости 14.
Скрепер с комбинированным оборудованием осуществляет подготовку массива кимберлитов к выемке посредством рыхления поверхностного слоя 15 при движении холостым ходом к месту начала загрузки ковша, одновременно с рыхлением производится подача через наконечники 12 зубьев 10 природного рассола, который обеспечивает разупрочнение нижележащего слоя 16 кимберлитов и снижает трение между наконечниками 12 зубьев 10 и массивом, что позволяет уменьшить сопротивление рыхлению (рис. 2, а). После проведения рыхления скрепер разворачивается и осуществляет черпание подготовленных к выемке кимберлитов 17 (рис. 2, б), наполнение удлиненного ковша 3 скрепера осуществляется за счет силы тяги, а также применения ППС 4, перемещающей рудную массу из передней части удлиненного ковша 3 в заднюю.
В связи с ростом глубины карьеров и увеличением дальности транспортировки рудной массы целесообразно при разработке месторождений кимберлитов использовать циклично-поточные схемы перемещения грузов [19].
1 2 3 12 8 11 14 17
6 5 7 4 2 1 17
Рис. 2. Схема послойной разработки массива кимберлитов скрепером с комбинированным оборудованием: а - подготовка пород к выемке
с рыхлением разупрочненного верхнего слоя и одновременной пропиткой природным рассолом нижележащего слоя; б - выемка
разрыхленных пород
При этом скреперами будет вестись транспортировка рудной массы от забоев к перегрузочному пункту на сравнительно небольшое расстояние, далее транспортирование осуществляется посредством магистрального конвейера.
В разные годы на заводах России и Белоруссии выпускались самоходные (полноприводные) скреперы ДЗ-115 с вместимостью ковша 15 м3 и ДЗ-107-1 - 25м3. Большой размер ковшей и высокие тяговые усилия данных машин позволяют успешно вести массовую выемку мягких и сыпучих горных пород, а также более прочных горных пород, предварительно разрыхленных карьерными комбайнами, фрезерными машинами или тракторными рыхлителями. Скрепер ДЗ-115 имеет грузоподъемность 29 т, мощность двигателей 2х265 кВт и массу 44,3 т [20]. Авторами были получены зависимости для расчетов изменения массы скрепера ДЗ-115 (дополнительно оснащенного ППС и рыхлительным оборудованием с системой подачи природного рассола), вместимости его ковша удельной металлоемкости скрепера М^У^, его эксплуатационной производительности По и себестоимости работ С в зависимости от коэффициента удлинения ковша равного отношению расчетной длины ковша к эталонной длине Ьэ считая от режущей кромки ножа до задней стенки (рис. 2а). Решение численными методами с использованием полученных зависимостей с шагом приращения коэффициента удлинения ковша равным 0,01 в интервале от 1,00 до 2,50 дало возможность выявить оптимальную длину ковша скрепера 1юпт, при которой себестоимость работ достигает минимального значения. Результаты расчетов технико-экономических показателей представлены в графическом виде на рис. 3.
Рис. 3. Графики зависимости технико-экономических показателей скрепера ДЗ-115 с комбинированным оборудованием при дальности транспортировки рудной массы 500 м
При технологической схеме с предварительным разупрочнением, рыхлением, выемкой и транспортировкой кимберлитов к перегрузочному пункту на расстояние 500м выявлено, что максимальная производительность скрепера ДЗ-115 с комбинированным оборудованием будет получена при удлинении ковша в 2,19 раза, однако с учетом того, что минимальная
удельная металлоемкость машины соответствует li=2,07, а также с учетом возрастающих капитальных и эксплуатационных затрат, минимальная себестоимость работ будет достигнута при 1ьпт=1,71, при таком удлинении вместимость ковша будет равна 21,4 м3.
Выводы. Предлагаемое в статье технико-технологическое решение направлено на повышение сохранности природного качества алмазов при массовой механической выемке кимберлитовых руд невысокой прочности. Предварительное разупрочнение массива природным рассолом ведет к снижению прочности кимберлитов на 30...40 %, что позволяет не только повысить производительность последующего механического рыхления массива и уменьшить энергоемкость данного процесса, но и обеспечить демпфирующее действие на минеральный комплекс кимберлитов для повышения сохранности кристаллов ювелирных классов. Оснащение скрепера комбинированным оборудованием позволяет расширить его функциональные возможности и производить послойную подготовку массива к выемке при движении холостым ходом в сторону забоя. Результаты расчетов технико-экономических параметров скрепера с комбинированным оборудованием показали целесообразность увеличения длины ковша в 1,71 раза в сравнении с эталонным, что позволяет существенно повысить производительность машины и снизить себестоимость ведения работ.
Исследования проводились с использованием ресурсов Центра коллективного пользования научным оборудованием «Центр обработки и хранения научных данных Дальневосточного отделения Российской академии наук», финансируемого Российской Федерацией в лице Министерства науки и высшего образования РФ по проекту № 075-15-2021-663.
Список литературы
1. Научное обоснование технологий комплексного ресурсосберегающего освоения месторождений стратегического минерального сырья / К.Н. Трубецкой [и др.] // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2014. №12. С. 5-12.
2. Kaplunov D.R., Ryl'nikova M.V. Principles of projecting mining-and-engineering systems for integrated mineral mining with a combined geotech-nology // Journal of Mining Science. 2008. Vol. 44. №6. P. 578-584.
3. Smit K. V., Shor R. Geology and development of the Lomonosov diamond deposit, northwestern Russia // Gems & Gemology. 2017. Vol. 53. No.2. P. 144-167.
4. К вопросу защиты окружающей среды от мелкодисперсной пыли горных предприятий / Г.В. Стась, С.З.К. Калаева, К.М. Муратова, Я.В. Чистяков // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2019. Вып.1. С. 92-109.
5. Leach P., Heyden B., Ravenscroft P. A novel economic-filter for evaluating sub-Saharan diamondiferous kimberlites // Journal Of The Southern African Institute Of Mining And Metallurgy. 2020. Vol. 120. No.9. P. 541-545.
6. Sekisov A., Rasskazova A. Assessment of the possibility of hydro-metallurgical processing of low-grade ores in the oxidation zone of the Malmyzh Cu-Au porphyry deposit // Minerals. 2021. Vol. 11. No. 1. P. 1-11.
7. Чаадаев А.С., Зырянов И.В., Иван Ф.Б. Состояние и перспективы развития горнообогатительных технологий на алмазодобывающих предприятиях АК «АЛРОСА» (ПАО) // Горная промышленность. 2017. № 2. С. 6-13.
8. Власов В.М., Андросов А.Д., Бескрованов В.В. Уровень современных кристаллосберегающих технологий добычи алмаза на Севере // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2001. №8. С. 5-6.
9. Методические рекомендации по применению Классификации запасов месторождений и прогнозных ресурсов твердых полезных ископаемых. Алмазы. Москва. МПР, 2007. 37с.
10. Laubscher D., Guest A., Jakubec J. Guidelines on Caving Mining Methods: The Underlying Concepts. - Queensland: The University of Queensland, 2017. 282 p.
11. Чебан А.Ю. Совершенствование геотехнологии выемки тонких рудных тел с применением стрелового комбайна // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2020. Вып. 1. С. 340-348.
12. Пихлер М., Дикк Ф., Панкевич Ю.Б. Комбайны Wirtgen Surfase Miner на добыче алмазов на Аляске // Горная промышленность. 2009. №4. С. 14-15.
13. Optimization of productivity with surface miner using conveyor loading and truck dispatch system / S. Palei, N. Karmakar, P. Paliwal, B. Schimm // International Journal of Research in Engineering and Technology. 2013. Vol. 2. No. 9. P. 393-396.
14. Анистратов Ю.И., Борщ-Компониец Л.В., Анистратов К.Ю. Эффективность открытой разработки месторождений по природно-технологическим зонам // Горный журнал. 1990. №8. С. 19-24.
15. Секисов А.Г., Чебан А.Ю. Кристаллосберегающая технология открытой разработки сложноструктурных кимберлитовых месторождений // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2021. Т.19. №2. С. 5-13.
16. Ермаков С.А., Бураков А.М. Совершенствование геотехнологий открытой разработки месторождений криолитозоны // Проблемы недропользования. 2014. №3. С. 96-104.
17. Шоболова Л.П., Коворова В.В. О создании комбинированной технологии разработки кимберлитов с применением жидких и газообразных ПАВ // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2000. №1. С. 178-179.
18. Cheban A.Yu., Khrunina N.P. Intensification of open mining operations with a small distance of transportation of rock mass // International Journal of Engineering Research in Africa. 2018. Vol. 38. P. 100-114.
19. Углубочный комплекс для доработки кимберлитовых карьеров / В.Л. Яковлев, П.И. Тарасов, В.О. Фурин, И.В. Зырянов. Екатеринбург: УрО РАН, 2015. 268 с.
20. Анистратов Ю.И., Анистратов К.Ю., Щадов М.И. Справочник по открытым горным работам. М.: НТЦ «Горное дело», 2010. 700 с.
Секисов Артур Геннадьевич, д-р техн. наук, доц., гл. науч. сотр., sekiso-vag@mail.ru, Россия, Хабаровск, Институт горного дела Хабаровского Федерального исследовательского центра Дальневосточного отделения Российской академии наук,
Чебан Антон Юрьевич, канд. техн. наук, доц., вед. науч. сотр., cheba-nay@mail.ru, Россия, Хабаровск, Институт горного дела Хабаровского Федерального исследовательского центра Дальневосточного отделения Российской академии наук
KIMBERLITE DEVELOPMENT TECHNOLOGY USING A SCRAPER EQUIPPED WITH
COMBINED EQUIPMENT
A.G. Sekisov, A.Yu. Cheban
Preliminary softening of the massif with natural brine leads to a decrease in the strength of kimberlites by 30-40 %, which allows not only to increase the productivity of loosening, but also to provide a damping effect on the mineral complex of kimberlites to increase the safety of jewelry grade crystals. The article proposes a technology using a scraper with combined equipment. The preparation of the kimberlite array for excavation is carried out when the scraper moves at idle speed by loosening the upper layer with simultaneous supply of natural brine through the teeth of the ripper into the underlying layer for its subsequent softening. After the scraper is turned, the loosened rock mass is excavated with an elongated bucket and transported to the transfer point.
Key words: kimberlites; preservation of crystals; weakening of the array; natural brine; scraper; bucket length; technical and economic indicators.
Sekisov Artur Gennadievich, doctor of technical sciences, chief researcher, sekiso-vag@mail.ru, Russia, Khabarovsk, Mining Institute of the Khabarovsk Federal Research Center of the Far Eastern Branch of the Russian Academy of Sciences,
Cheban Anton Yuryevich, candidate of technical sciences, docent, leading researcher, chebanay@mail.ru, Russia, Khabarovsk, Mining Institute of the Khabarovsk Federal Research Center of the Far Eastern Branch of the Russian Academy of Sciences
Reference
1. Scientific substantiation of technologies of complex resource-saving development of deposits of strategic mineral raw materials / K.N. Trubetskoy [et al.] // Mining information and analytical bulletin. 2014. No.12. pp. 5-12.
2. Kaplunov D.R., Ryl'nikova M.V. Principles of projecting mining-and-engineering systems for integrated mineral mining with a combined geotech-nology // Journal of Mining Science. 2008. Vol. 44. №6. P. 578-584.
3. Smit K. V., Shor R. Geology and development of the Lomonosov diamond deposit, northwestern Russia // Gems & Gemology. 2017. Vol. 53. No.2. P. 144-167.
4. On the issue of environmental protection from fine dust of mining enterprises / G.V. Stas, S.Z.K. Kalaeva, K.M. Muratova, Ya.V. Chistyakov // Izvestiya Tula State University. Earth sciences. 2019. Issue 1. pp. 92-109.
5. Leach P., Heyden B., Ravenscroft P. A novel economic-filter for evaluating sub-Saharan diamondiferous kimberlites // Journal Of The Southern African Institute Of Mining And Metallurgy. 2020. Vol. 120. No.9. P. 541-545.
6. Sekisov A., Rasskazova A. Assessment of the possibility of hydro-metallurgical processing of low-grade ores in the oxidation zone of the Malmyzh Cu-Au porphyry deposit // Minerals. 2021. Vol. 11. No. 1. P. 1-11.
7. Chaadaev A.S., Zyryanov I.V., Ivan F.B. The state and prospects of development of mining technologies at diamond mining enterprises of JSC ALROSA (PJSC) // Mining industry. 2017. No. 2. pp. 6-13.
8. Vlasov V.M., Androsov A.D., Beskrovanov V.V. The level of modern crystal-saving technologies of diamond mining in the North // Mining information and analytical bulletin. 2001. No.8. pp. 5-6.
9. Methodological recommendations for the application of the Classification of deposits and forecast resources of solid minerals. Diamonds. Moscow. MPR, 2007. 37c.
10. Laubscher D., Guest A., Jakubec J. Guidelines on Caving Mining Methods: The Underlying Concepts. - Queensland: The University of Queens-land, 2017. 282 p.
11. Cheban A.Yu. Improving the geotechnology of excavation of thin ore bodies using a boom combine // Proceedings of Tula State University. Earth sciences. 2020. Issue 1. pp. 340-348.
12. Pichler M., Dick F., Pankevich Yu.B. Combines Wirtgen Surfase Miner on diamond mining in Alaska // Mining industry. 2009. No.4. pp. 14-15.
13. Optimization of productivity with surface miner using conveyor loading and truck dispatch system / S. Palei, N. Karmakar, P. Paliwal, B. Schimm // International Journal of Research in Engineering and Technology. 2013. Vol. 2. No. 9. P. 393-396.
14. Anistratov Yu.I., Borsch-Komponietz L.V., Anistratov K.Yu. Efficiency of open-pit mining by natural-technological zones // Mining Journal. 1990. No.8. pp. 19-24.
15. Sekisov A.G., Cheban A.Yu. Crystal-saving technology of open-pit mining of complex-structured kimberlite deposits // Bulletin of the Magnitogorsk State Technical University named after G.I. Nosov. 2021. Vol.19. No.2. pp. 5-13.
16. Ermakov S.A., Burakov A.M. Improvement of geotechnologies of open development of cryolithozone deposits // Problems of subsoil use. 2014. No. 3. pp. 96-104.
17. Shobolova L.P., Kovorova V.V. On the creation of a combined technology for the development of kimberlites using liquid and gaseous surfactants // Mining information and Analytical Bulletin. 2000. No. 1. pp. 178-179.
18. Cheban A.Yu., Khrunina N.P. Intensification of open mining operations with a small distance of transportation of rock mass // International Journal of Engineering Research in Africa. 2018. Vol. 38. P. 100-114.
19. Deepening complex for completion of kimberlite quarries / V.L. Yakovlev, P.I. Tarasov, V.O. Furin, I.V. Zyryanov. Yekaterinburg: Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, 2015. 268 p.
20. Anistratov Yu.I., Anistratov K.Yu., Shchadov M.I. Handbook of open-pit mining. Moscow: STC "Mining", 2010. 700 p.
