CC BY
40
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ «НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 97»
МОСКВА, МГГУ, 3.02.97 - 7.02.97 СЕМИНАР 2 «РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ И ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ПРИ ОТКРЫТЫХ ГОРНЫХ РАБОТАХ»
И.В. Деревяшкин, к.т.н.
Российский университет Дружбы народов
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ 1/1 РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩЕЕ ОБОСНОВАНИЕ НЕОВХОПИМОСТИ 1/1
ВОЗМОЖНОСТИ СКОРОСТНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА КАРЬЕРОВ (УГЛУБКА ПО 150 МЕТРОВ В ГОП)
Академик Ржевский В.В. еще в шестидесятые годы писал о необходимости освоения некоторых перспективных месторождений богатых железных руд КМА (табл. 1) только открытым способом разработки. В перспективных планах института Центргипроруда тех лет отмечалось, что открытый способ является основным направлением в освоении КМА до 1981г., после чего важнейшей задачей считалось освоение КМА путем строительства и эксплуатации подземных рудников на глубоко-залегающих месторождениях богатых руд. Особое внимание уделялось проблеме вовлечения в эксплуатацию месторождений богатых руд, расположенных в Белгородском железорудном районе и залегающих на глубине 400-500 м. и более.
Таблица 1
Месторождение Глубина залегания, м Среднее содержание Fe, %
Чермянское 160 53,8
110І ромецкое 220 54,7
Курбакинское 70-170 52,9
1 ІОВО- Я.1ТИ некое 220 58,6
Гостищевское 474 61,6
Яковлевское 530 61,8
Хохлово- Игумеиское 520 60.5
На базе запасов Центрального участка Яковлевского месторождения институт Южгипроруда запроектировал подземный
рудник. Начало строительства было отнесено на 1971 г. (до настоящего времени шахта Яковлевская не пущена в эксплуатацию). Необходимость разработки Яковлевского месторождения подземным способом возникла в то время, когда считалось, что будущее в развитии КМА заключается в освоении месторождений только богатых руд.
В начале 60-х годов мысль о возможности открытой разработки подобных месторождений считалась нереальной. Взгляды на эту проблему стали меняться после завершения строительства мощных Лебединского, Михайловского и Стойленского карьеров.
Касаясь освоения Яковлевского месторождения открытым способом разработки, академик Ржевский В.В. полагал, что к 1980г. на Яковлевском месторождении богатых руд может быть построен карьер первой очереди с годовой производительностью по руде 4-5 млн.т. и с перспективой доведения последней до 40-50 млн.т./год. Предполагаемый объем горно-капитальных работ по карьеру 1 -ой очереди по проведенным под его руководством расчетам, соста-
"2
вит 1 млрд. 250 млн.м при среднем угле откосов нерабочего и рабочего бортов карьера равным 20° и при размере вскрываемой рудной площади 100x200 м . Для разработки вскрыши предполагалось использовать роторные комплексы с производительностью на уровне 25 тыс.м3/час, соответственно годовая производительность 50 млн.м'' при коэффициенте использования времени
сезона равным 0,5. Задача транспортировки вскрышных пород решалась с помощью конвейеров, либо напорного гидравлического транспорта. Сложность использования предлагаемой технологии обуславливалась тем, что мело-мергельные породы под действием динамических нагрузок разжижаются, что затрудняло применение конвейерного транспорта, а также наличием включений крепких пород. Предлагалось в процессе конкретного проектирования исследовать толщу вскрышных пород на предмет определения расположения в ней крепких включений для обеспечения успешной работы роторных комплексов.
До настоящего времени проблема, поставленная академиком Ржевским В.В., о скоростного строительства карьеров не нашла своего развития и является актуальной проблемой настоящего и ближайшего будущего. Существует много работ, посвященных решению технологических задач эксплуатации, но вопросу скоростного строительства глубоких карьеров они практически не касались. Таблица 2 содержит данные по строительству и темпам углубки открытых горных работ некоторых месторождений, находящихся на территории бывшего СССР.
Таблица 2
Наименование карьера или ГОКа Минимальная мощность вскрышных пород, м Срок строительства карьера, лет Средние 1СМИЫ углубки. м/год
Россия
Михайловский ГОК 35-40 5 9,5
Лебединский карьер 46 4 11.5
Стойленский карьер 60-80 7 10
Ковлорский карьер 0-40 1 20
Коршуновский карьер 1-5 4 и/д
Украина
Южный ГОК 23 3 9
Центральный 1 ОК 15-30 4 5.6
Северный ГОК 70-80 6 12.5
ИнгулеЦК ИЙ ГОК 18 4 4,5
Строительство карьеров производилось традиционными способами, при которых максимальные темпы углубки не превышали 20 м/год. Используя применяемые методы строительства, срок ввода в строй глубокого карьера может растянутся на 1025 лет. Такие сроки строительства выглядят совсем неоптимистично. Потребность в вводе в строй новых месторождений требует экономическая ситуация в России, но при сроках строительства 3-5 лег. Необходимость строительства карьеров в короткие сроки, обусловлены в первую очередь финансированием.
Темпы углубочных работ (по Ржевскому В.В.) зависят от среднегодовой производительности экскаватора на проходческих работах - дэ„., длины экскаваторного блока - Ьб , ширины разрезной траншеи -Врт, ширины транспортной бермы - Вт, ширины рабочей площадки - Шрп., высоты уступа - Иу., углов откоса рабочего а и нерабочего Р бортов карьера:
^ „
/„й Врт + Вт + Шрп + \ ,5Ну(с1£а + с7#р)]
м/год
Анализируя вышеприведенную математическую зависимость и результаты вычислений темпов углубочных работ, видим, что повысить величину темпов углубочных работ возможно путем увеличения производительности экскаватора. Для обеспечения темпов углубки до 120 м/год с уступа высотой 80-100 м необходимо вывозить в час 12-15 железнодорожных составов горной массы. Такой объем погрузки на проходческих работах в траншее способны обеспечить только мощные драглайны (емкость ковша 80 м3 и более).
Известно, что преимущество технических параметров драглайнов перед параметрами карьерных и вскрышных мехлопат весьма значительно. Соответственно имеет смысл в дальнейшем рассматривать драг-
лайн, как основную выемочно-погрузочную машину при строительстве карьеров.
Работа мощного драглайна на транспорт имеет теоретическое обоснование в работах профессора Кашпара Л.Н. и практическое применение на Михайловском карьере, где в думпкары грузит драглайн с ковшом до 10 м3. Однако эти работы выполняются в период эксплуатации карьера, а не при строительстве.
При традиционной технологии строительства глубоких карьеров при объемах горно-капитальных работ в 1,2 млрд.м3 собственно стоимость строительных работ составит 1,2 млрд.$ (стоимость 1 $/м3). С учетом 20% банковского кредита, затраты на строительство возрастут и составят при 30 годах - 215767 млн.$ и при 4 годах -1754 млн.$, то есть стоимость строительства по традиционной технологии в 123 раза выше, чем по новой ( в условиях рыночной экономики). По новой технологии производительность труда выше, а затраты материальных средств меньше. Затраты на строительство карьера по новой технологии окупятся за 4,5 - 5,5 лет, а по традиционной технологии за 500 лет. Таким образом строительство глубоких карьеров по новой технологии обеспечивает значительную экономичность и ресурсосбережение. Выполненные автором теоретические и эскизные проработки проектирования строительства глубокого карьера показали, что величины углов откосов рабочего и нерабочего бортов карьера зависят от глубины, на которую планируется ведение горнокапитальных работ, типоразмера драглайна по длине стрелы и от углов откоса по рабочему и нерабочему бортам карьера, которые зависят от физико-механических свойств вскрышных пород. Особенно заметно влияние физико-механических свойств вскрышных пород на углы откосов бортов карьера при его глубине свыше 150 м.
В настоящее время железнодорожный состав в карьере находится под погруз-
кой 30 - 40 мин., из которых только 3 - 4 мин. осуществляется собственно загрузка думпкаров, остальное время состав простаивает в ожидании разгрузки ковша экскаватора. В свою очередь экскаватор простаивает 30 - 40 мин. в ожидании порожняка. Снизить технические простои транспорта у забоя и достичь высоких темпов углубки, возможно применением промежуточного звена (бункера значительной вместимости) в забое, что обеспечит независимую и высокопроизводительную работу экскаватора и транспортных средств.
Предложенные конструкции карьерных бункерных установок (проф. Васильев М.В. и др.) не учитывали необходимость загрузки карьерного железнодорожного состава в течение 3-5 мин. Исследования автора показали, что из-под бункера должно вывозиться 10-14 составов в час, то есть каждый состав должен находиться под погрузкой не более 3 мин.
Исходя из того, что драглайн разрабатывает породу в бункер, необходимо выдерживать условие полной загрузки бункера за время обменных операций железнодорожных составов или учитывать вероятность независимой работы выемочнопогрузочного и транспортного оборудования.
Время обмена - 1оом. (мин), составов колеблется от 3-4 мин. ( при кольцевой схеме движения) до 20-40 мин (при тупиковой схеме движения). Продолжительность загрузки (1 мин), состава из бункера должна быть в пределах 2-4-г 10 мин. Следовательно, минимальная вместимость бункера -^бтт (м3) ПРИ применении железнодорожного транспорта должна быть равна вместимости состава, то есть:
У
Названная величина ^ат/и, (м-') позволяет вычислить необходимую (без учета статистической обработки отчетных данных
работы драглайнов в карьерах по различным технологическим схемам и в различных природных условиях) вместимость ковша драглайна:
г пЧ*чК> з
Ь0 = —7---------г; м
7(1.0,+ *ыы)
Усредненные отчетные данные о работе драглайна на карьерах показывают, что наработка на отказ колеблется от 15 мин. до 4 ч. 37 мин. при среднем значении Зч. 10 мин. Железнодорожный транспорт имеет более стабильный режим работы, за счет возможности ввода резервных составов. Следовательно, при вероятности независимой работы драглайна и железнодорожного транспорта вместимость бункера должна быть на уровне трехчасовой производительности драглайна.
Коэффициент использования рабочего времени драглайна в среднем составляет 0,5. Конвейерный и гидравлический транспорт также работают около половины рабочего времени, остальное время находятся в различного рода ремонтах или штатных работах по обслуживанию технологической линии. Время наработки на отказ драглайна сильно отличается от аналогичного показателя гидротранспорта, который составляет 2ч. 05 мин. Отсюда, чтобы исключить возможность простоев смежного оборудования минимальную вместимость бункера '(Уб.тт (м3) необходимо рассчитывать по условию допустимого показателя вероятности простоев смежных процессов.
Размерами стрелы драглайна, траекторией движения ковша и длиной пути его разгрузки определяется максимально возможная вместимость бункера УУб.тт (м3)-Минимальные простои транспорта, связанные с передвижкой бункера, возможны при разработке пород веерным забоем (на одно положение бункера можно отработать до 1,8 млн. м3 породы ), при этом ширина за-ходки составляет 1,4 Аст, м.
К=КА1„ м3
где Аст - длина стрелы драглайна , м;
К - коэфф. влияния ширины заходки, высоты уступа и шага перемещения бункера.
Вместе с тем, длина стрелы драглайна определяет предельную высоту уступа: Ну = (0,3-0,4) Аст, (м). Для карьеров, где толща пород к примеру достигает 65м.необходимо иметь драглайн со стрелой 165 м. До настоящего времени промышленность выпускала драглайны со стрелой до 100 м, новые теоретические и конструктивные проработки дают предельную длину стрелы 132 м. Следовательно, подобные вышеуказанным толщам породы будут отрабатываться двумя уступами (или двумя подуступами при работе драглайна верхним и нижним черпанием).Для выполнения объема горно-капитальных работ заданного темпа углубки 80 м/год, вместимость ковша драглайна должна составлять 120 м3. При этом суммарное время загрузки состава и обмена поездов не превысит 7 мин.
Особое внимание необходимо уделить промежуточному звену между выемочно-погрузочными и транспортными процессами, которым является бункер-перегружатель. Необходимостью применения бункера-перегружателя в забое можно поставить несколько задач, решение которых приведет к резкому изменению технических параметров забоя, экскаватора, транспорта и технологии выполнения операций.
Статистические данные по мощным железорудным карьерам показывают, что с каждого уступа в час отгружается и вывозится один состав с горной массой весом до 1200 т. При высоте уступа 80 м, с уступа необходимо вывозить не менее 8500 т. вскрышных пород или руды, или 7-9 составов в час при темпах углубки не более 10 м/год. Указанная провозная способность возможна при кольцевой схеме движения на уступе и не менее двухколейного пути у бункера. При необходимости повышения
пропускной способности путей на уступе до 17-19 составов/час, вполне возможно использование конвейерных поездов, тогда достаточна прокладка по одному пути у бункера и на уступе.
Рассмотрим необходимые и возможные габариты бункерного устройства из условия разгрузки ковша драглайна. Длина пути разгрузки ковша 1разгр, (м) определяется конструктивными особенностями, но в основном зависят от высоты разгрузки ковша Ьратгр, (м)^ которая определяется Аст , (м) -длиной стрелы.
1разгр ~~ Ьразгр ^19 — 0,34 Ъразгр.у (м)
Рассмотрим возможности бункерного устройства исходя из условия разрузки ковша драглайна. При стреле 100 м. максимальная длина пути разгрузки ковша может достигать 24 м. Значит бункерная установка должна быть размерами 30x30 м2 и более, а соответственно обладать большой аккумулирующей способностью. Имея соответствующие линейные размеры, бункерная установка будет иметь соответственно вес превышающий 1000 т. Вышеперечисленный факторы вызывают значительные сложности при организации работ по перемещению бункерных установок, работающих в полустационарном режиме.
Сложности перемещения бункера значительно утрачивают свое значение при использовании в конструкции бункера "сотовой" 'структуры, то есть бункер фор-
мируется из отдельных ячеек-секций, которые затем крепятся между собой съемными быстроразборными элементами. При этом вес и размеры секций могут быть снижены до требуемых величин, и для перемещения последних не потребуется использования специальных транспортных средств.
Секционная сборка обеспечит забой бункерной установкой любых размеров в плане, а значит, и заданной вместимости. В этом случае можно изготавливать секции имеющие форму в плане от квадрата до вытянутого прямоугольника, при стандартной высоте любой из них. По результатам исследований, высота установки не должна превышать 5,5-7 м.
Указанная техника и технология применимы при обеспечении скорости под-вигания фронта работ до 300 м/год, которая необходима при углублении карьера на 120 м/год. Влияние темпов углубки на скорость подвигания фронта работ находится в зависимости от глубины карьера.
Проведенные автором исследования, показали теоретическую, техническую и технологическую возможность строительства карьеров с покрывающей полезное ископаемое толщей пород до 400 м., за срок не более 4 лет. Несомненно, для реального воплощения полученных результатов в жизнь, необходимо решить еще ряд задач, вытекающих из проведенных исследований.
©И.В. Деревяшкин
