Усовершенствование технологических решений доработки карьерных полей в направлении землесбережения

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Сохранение природных ресурсов и окружающей среды является глобальной проблемой современности. На протяжении ХХ столетия отрицательные последствия техногенных нарушений природы переросли в одну из наибольших угроз человечеству. Важное значение приобретает проблема рачительного отношения к земельным ресурсам при открытой разработке полезных ископаемых, поскольку создание промышленных комплексов на базе крупных месторождений требует отчуждения значительных площадей природных земель.

Ежегодно в Украине под открытые горные разработки отводится 1000-1200 га земельных угодий сельскохозяйственного назначения. Большой удельный вес в площади изъятых земель занимают карьеры, которые эксплуатируют горизонтальные месторождения. К примеру, марганцевые карьеры ежегодно используют 100-150 га плодородных земель, из них рекультивируют для сельского хозяйства 50-60%.

Анализ показывает, что площадь нарушенных земель составляет 66,4-83,6 %, что связано с ведением горных работ и отвалообразованием. При доработке карьерных полей следует рассматривать такие ландшафтные нарушения, как остаточное выработанное пространство, площади отвалов, земельные участки под промышленными и инженерными объектами. Выработанное пространство марганцевых карьеров в Никопольском бассейне при длине фронта горных работ 2 км и более на момент их погашения составит свыше 300 га, т.е. третью часть площади горного отвода. Суммарные затраты на погашение (засыпку) остаточных выработок превысят 60,0 млн. грн.

Уменьшить объем остаточного выработанного пространства можно путем его засыпки породами, поставляемыми из карьеров, которые находятся в эксплуатации [1]. Так, на разрезе Константиновский предусмотрена засыпка выездной траншеи с помощью установленного в ней отвального конвейера. При длине карьерного поля 10 км и более площадь выездной траншеи по-верху к концу его отработки доходит до 500 га [2], а использование конвейеров при переносе горизонта их установки связано с прерыванием процесса транспортирования полезного ископаемого на длительное время. Поэтому засыпка траншеи возможна только после доработки разреза и демонтажа конвейеров. На карьерах с мягкими вскрышными породами значительные площади отработанных земель не рекультивируются до начала погашения открытых выработок [3].

В работе [4] строительную вскрышу рекомендуется сначала укладывать во временном внутреннем отвале, размещаемом в контуре карьерного поля, а затем на этапе эксплуатации месторождения отсыпать в выработанное пространство карьера. Проф. Шапарь А.Г [5] предложил новый способ отработки крутопадающеих месторождений путем многократной перевалки вскрышных пород внутри карьера, что позволяет значительно сократить площади земель, отчуждаемых под внешние отвалы. Для этапа стабильной эксплуатации карьера Белоус Н.Я. и Весел Н.Н. [6] разработали технологию погашения выездной траншеи с использованием перемещаемых съездов. Проф. Прокопенко В.И. [7] для условий доработки горизонтальных пластов предложил методику расчета рациональных параметров отвалов, обеспечивающих минимальное потребление земельных ресурсов.

Таким образом, имеющиеся технологические и технические решения открытой разработки месторождения предусматривают землесбережение на каждом этапе его эксплуатации. Основные объемы рекультивационных работ выполняются на этапе погашения горных работ, причем объемы остаточных выработок обусловлены размерами дна карьера и результирующими углами откосов его рабочего и отвального бортов. Ниже применительно к этому подходу предложены технологические решения доработки горизонтальных пластовых месторождений в условиях марганцевых карьеров Орджоникидзевского ГОКа.

Усовершенствована технология горных работ на основе разделения карьерного поля, остающегося к моменту перехода на эту технологию, на два блока по простиранию пласта (рисунок 1). После достижения блоком I конечного контура карьера горно-транспортное оборудование поворачивается к блоку ІІ на 90 град. и нарезается рабочая площадка на верхнем передовом уступе (рисунок 2). При этом вскрышную породу ленточными конвейерами транспортируют до консольного отвалообразователя, который укладывает ее в отвал. На надрудном уступе роторный экскаватор также создает рабочую площадку, а для доставки вскрыши к отвалообразователю на внутреннем отвале устраивается временная конвейерная линия. Вскрышные уступы в блоке 2 подвигаются в направлении к выездной траншее, породы из разрезной траншеи и приконтурной полосы отсыпаются во внутренний отвал блока 1. Рассмотрим предложенную технологию более детально.

Рисунок 1 - Технологическая схема разделения карьерного поля на два участка

карьерный траншея разрезной

В период эксплуатации карьерное поле отрабатывают вскрышными уступами, имеющими длину фронта работ Lф.в. (рисунок 1). На расстоянии Шу до конечного контура карьера эту длину разделяют на два участка (блока) 1 и 2 длиной Lу1 и Lу2 соответственно. Работы выполняются в следующем порядке.

Передовой вскрышной уступ 1 разрабатывают роторным экскаватором 2 с погрузкой вскрышных пород на ленточный конвейер 3, установленный на рабочей площадке шириной Шр.п (рисунок 1). Вскрыша транспортируется до отвалообразователя 6, который отсыпает ее во внутренний отвал 5. Основной (промежуточный) вскрышной уступ 7 отрабатывается роторным экскаватором 8, а породы отвалообразователем 9, который установлен на предотвале 11, складируются во внутренний отвал 10. Надрудный вскрышной уступ 12 вместе с рудным пластом 13 разрабатывает драглайн 14, для чего вскрышу он отсыпает в предотвал, а руду складирует во временные бурты 15.

Рисунок 2 - Технологическая схема формирования основного уступа для вскрышных работ на участке 2

При доработке участка 1 до границы карьера вскрышное оборудование переводят на отработку участка 2 в направлении к выездной траншее 16. Для этого на передовом уступе роторный экскаватор 2 нарезает рабочую площадку 22, где размещается забойный конвейер 18 для доставки вскрышных пород к отвалообразователю. На основном уступе экскаватор 8 поворачивают к участку 2 и нарезают рабочую площадку 20 (рисунок 2).

Вскрыша к отвалообразователю 9 доставляется временным забойным конвейером 19, размещенным на предотвале 11 участка 1. Вскрышные породы отсыпают этим отвалообразователем во внутренний отвал в торцевой части карьерного поля 17. Во время перевода экскаваторов на участок 2 драглайн дорабатывает рудный пласт на участке 1, а затем, после подвигания двух вскрышных уступов на участке 2 на необходимое расстояние здесь нарезают фронт горных работ на надрудном уступе (рисунок 2). Таким образом роторные экскаваторы и драглайн разрабатывают вскрышные уступы в направлении, перпендикулярном направлению подвигания фронта горных работ на участке 1. Так же расположен фронт отвальных работ для складирования вскрыши во внутреннем отвале на участке 2.

При применении предложенной технологии создается фронт вскрышных и добычных работ уменьшенной длины на передовом, основном и надрудном уступах. Роторные экскаваторы в комплексе с ленточными конвейерами и консольными отввалообразователями разрабатывают вскрышные породы и укладывают их во внутреннем отвале, что позволяет полностью заполнить выработанное пространство на участке 1. Добычные работы выполняются путем поблочной выемки надрудного и рудного уступов экскаватором - драглайном. Вскрышные уступы подвигаются параллельными заходками до границы карьерного поля, где рудный пласт заканчивается. При доработке участка 2 породы с передового уступа отсыпаются в верхний ярус внутреннего отвала по всей его длине. Для лучшего заполнения выработанного пространства вскрыша также может быть размещена в верхнем ярусе отвала на участке 1, когда здесь будут извлечены все запасы руды и отвалообразователь отсыплет нижний ярус отвала путем складирования вскрышных пород с основного уступа. При этом по-верху должна быть создана площадка, достаточная для размещения отвалообразователя и конвейера.

В принципе предлагаемая технологическая схема доработки карьерного поля позволяет заполнить все остаточное выработанное пространство в два яруса, которые размещаются на предотвале, отсыпаемом драглайнами при перевалке надрудного уступа. В сравнении с традиционной схемой доработки остаточное пространство уменьшается на величину:

, доля ед., (1)

где Sв.р , Lв.р - площадь поперечного сечения и длина выработанного пространства при его погашении по рекомендуемой схеме, соответственно; Sв.т , Lв.т - то же по традиционной схеме.

В формуле (1) предусмотрено, что переход на доработку карьера двумя участками будет осуществляться при минимальном расстоянии Lв.р.мин между фронтом вскрышных работ и границей карьерного поля, а также при минимальной площади Sв.р.мин поперечного сечения разрезной траншеи. Расстояние Lв.р.мин определяется размещением технологического оборудования на каждой рабочей площадке вскрышного уступа, а также длиной Lд добычного фронта работ карьера, которая зависит от производительности карьера Qк по полезному ископаемому и должна обеспечиваться производительностью драглайнов Qд.н на надрудном вскрышном уступе, что достигается выполнением условий:

, м; , м/год,

где Qк - производительность карьера по добычным работам, т/год; Qд.н., Lдр.н - производительность драглайна по вскрыше, м3 в год, и длина фронта работ на надрудном уступе, м, соответственно; hр - мощность рудного пласта, м; гр , Ки -. плотность рудного сырья, т/м3, и коэффициент его извлечения, доля ед. соответственно; Vд - годовое подвигание фронта добычных работ, м; бн - угол откоса вскрышного уступа в торце карьера, град.; Нн - высота надрудного вскрышного уступа, м.

Приведенные выше технологическая схема и расчетные формулы для обоснования ее параметров обеспечивают доработку карьера и погашение остаточного выработанного пространства с наибольшей площадью земель для горнотехнической рекультивации.

Теперь рассмотрим возможность сокращения объема остаточного выработанного пространства карьера путем уменьшения ширины этого пространства как рабочей зоны, горизонтальная проекция которой определяется суммой проекций, с одной стороны, рабочего борта карьера, с другой, - внутреннего отвала. Рабочий борт имеет значительную ширину вследствие широких рабочих площадок, где размещают оборудование роторных комплексов больших размеров, а отвальный борт - из-за малого угла откоса отвальных уступов, который обеспечивает их устойчивость. Учитывая непродолжительное время, в течение которого следует поддерживать отвальный борт в устойчивом состоянии в торце карьера, его результирующий угол откоса может быть увеличен. На момент доработки карьера площадки на его рабочем борту можно уменьшить до минимально необходимой ширины. Оба подхода приводят к уменьшению ширины разрезной траншеи по верху. Так, на Шевченковском карьере ширина рабочей зоны равна почти 1000 м, а на момент доработки карьерного поля может быть уменьшена до 650 м.

Предлагаемая технология горных работ применительно к марганцевым карьерам ОГОКа заключается в следующем (рисунок 3). Передовой уступ разрабатывают роторным экскаватором и ленточными конвейерами, породы транспортируют в верхний ярус отвала. Основной уступ с помощью роторного экскаватора и отвалообразователя перемещают во внутренний отвал. Надрудный уступ переваливают драглайном в предотвал и этим же экскаватором извлекают рудный пласт на поверхность предотвала, откуда руду отгружают мехлопатами в автосамосвалы, которые доставляют ее к рудному складу.

Рисунок 3 - Схема к расчету сокращаемых объемов разрезной траншеи

По поверхности карьера площадь разрезной траншеи уменьшается на величину, измеряемую шириной Ар.б и Ав.о площадок, которые соответственно сохраняются по рабочему борту и восстанавливаются на отвале для рекультивации (рис. 3), а также длиной фронта вскрышных работ Lф.в и внутреннего отвала Lф.о. В таком случае площадь остаточного выработанного пространства, которое подлежит погашению, уменьшается на величину:

Sв.п = Lф.в Нв (ctg бс - ctg бп ) + Lф.о Но(ctg- ctg ), (4)

где Нв, Но, - высота, соответственно, рабочего борта по вскрыше и внутреннего отвала; бс, бп - результирующий угол откоса рабочего борта при его формировании, соответственно, по существующей и предлагаемой технологии; , - результирующий угол откоса отвала, соответственно, имеющийся на карьере и скорректированный при погашении разрезной траншеи.

Если повышается угол откоса внутреннего отвала, то для заполнения его дополнительной емкости в отвал необходимо переместить вскрышные породы с рабочего борта в объеме, который определяется площадью:

,

По предлагаемой технологической схеме доработки карьерного поля (рис. 3) в условиях марганцевых карьеров ОГОКа можно отсыпать внутренний отвал с результирующим углом откоса до 20 град, Объем рабочего борта сокращается за счет изменения ширины рабочей площадки до 50 м. По выражению (4) определено сокращение остаточного выработанного пространства при увеличении угла откоса отвала и сокращении ширины рабочих площадок в указанных пределах (таблица 1).

Значит, путем повышения угла откоса внутреннего отвала и сокращения рабочих площадок объем разрезной траншеи и в целом, остаточного выработанного пространства карьера может быть уменьшен на 3,55 тыс. м2 (на 1 пог. м длины траншеи). Для этого формируется отвал результирующим углом откоса 20 град. и высотой 75 м (при мощности вскрыши 65 м). Для заполнения указанной емкости рабочий борт карьера на момент погашения после его отработки должен иметь результирующий угол откоса чуть больше 12 градусов, для чего ширина рабочих площадок должна быть сокращена на 20 м. Соответственно этим технологическим параметрам остаточное выработанное пространство уменьшается на 152,9 га.

Таблица 1 - Параметры разрезной траншеи на момент погашения карьера

Объем выработанного пространства, которое необходимо засыпать по окончании разработки карьерного поля, будет также уменьшаться при непосредственном примыкании предотвала к борту карьера (площадь разрезной траншеи по надрудному уступу заполняется вскрышной породой). В этом случае площадь рассматриваемого пространства уменьшается еще на 22 га.

При разработке надрудного уступа драглайн отсыпает вскрышу в предотвал независимо от угла откоса отвального яруса, отсыпаемого консольным отвалообразователем. Для повышения указанного угла откоса отвалообразователь перемещают на другую ось движения. Определено перемещение консольного отвалообразователя, необходимое для формирования того или иного результирующего угла откоса внутреннего отвала. При этом расположение отвалообразователя установлено по расстоянию С между его осью движения и нижней бровкой добычного уступа по рабочему борту карьера. Это расстояние зависит от параметров технологической схемы следующим образом

С = (Нн.я + Нпр+ hр)- В . (5)

где Нн.я - высота нижнего яруса отвала при отсыпке пород с основного уступа; Нпр - высота предотвала от размещения вскрышного надрудного уступа; вр - результирующий угол откоса внутреннего отвала; В - расстояние между осями движения роторного экскаватора и консольного отвалообразователя. Выражение (5) позволяет установить расположение отвалообразователя относительно роторного экскаватора, что определяет расстояние В между ними, а значит, и схему сочленения разгрузочной и приемной консолей взаимодействующих машин.

Отвалообразователь, обеспечивающий заданный результирующий угол откоса внутреннего отвала, должен удовлетворять условию:

Rр ? (Нн.я+ Нпр+ hр)- С;

Нр ? Нн.я, (6)

где Rр, Нр - соответственно радиус и высота разгрузки отвалообразователя, включая пролет породы.

По выражениям (5) и (6) установлено влияние результирующего угла откоса отвала р на месторасположение С консольного отвалообразоватля и высоты основного вскрышного уступа Но на необходимый радиус разгрузки Rр в услових работы Чкаловского карьера № 2. Здесь вскрышные породы разрабатывают тремя уступами высотой, сверху вниз, 30, 27 и 23 м. На верхнем передовом уступе вскрыша перемещается в верхний ярус отвала роторным экскаватором SRs-2400 в комплексе с ленточными конвейерами. Средний основной уступ отрабатывается также роторным комплексом в составе роторного экскаватора ЭР-5250 и консольного отвалообразователя ОШР-4500/190. Нижний вскрышной уступ и рудный пласт разрабатывают драглайны ЭШ-15/90. Ширина заходки на всех уступах принята 50 м.

Указанные на рисунке 4 графики позволяют установить ось перемещения отвалообразователя для формирования определенного угла откоса внутреннего отвала. Для увеличения этого угла консольный отвалообразователь следует располагать ближе к нижней бровке надрудного уступа, причем с увеличением высоты уступа месторасположение С сокращается. Радиус разгрузки отвалообразователя, необходимый для обеспечения заданного результирующего угла откоса отвала, увеличивается прямо пропорционально высоте основного вскрышного уступа, а при увеличении угла откоса отвала вр с 13 до 21 град. радиус может быть уменьшен с 144 до 107 м (при Но = 25 м).

Рисунок 4 - Графики зависимости месторасположения С консольного отвалообразоватля от результирующего угла откоса внутреннего отвала р: 1,2,3 - при Нн соответственно 10,, 15 и 20 м

Вышеизложенное позволяет сделать такие выводы.

1. Объем остаточного выработанного пространства карьера и площадь поверхности погашаемых горных выработок уменьшается путем уменьшения размеров дна карьера, для чего рекомендуется применять разработанную авторами технологическую схему доработки карьерного поля на основе разделения карьерного поля, остающегося к моменту перехода на эту технологию, на два блока.

2. Из условия краткосрочной устойчивости бортов карьера и отвала при его доработке следует увеличивать результирующие углы их откосов, что приводит к уменьшению ширины разрезной траншеи по поверхности. Дополнительная емкость в отвале при увеличении его угла откоса заполняется вскрышной породой, которая извлекается при увеличении угла откоса рабочего борта. Формирование этого борта при доработке Чкаловского карьера № 2 с результирующим углом откоса более 12 град., для чего ширина рабочих площадок сокращается на 20 м и угла откоса отвала 20 град. позволяет уменьшить остаточное выработанное пространство на 152,9 га.

3. Принятый угол откоса внутреннего отвала формируется путем отсыпки отвала на расстоянии от оси движения консольного отвалообразователя, которое определяется его месторасположением относительно нижней бровки надрудного уступа и увеличивается прямо пропорционально высоте основного вскрышного уступа, При увеличении угла откоса отвала с 13 до 20 град. радиус разгрузки отвалообразователя уменьшается с 144 до 107 м, что обусловливает соответствующее сочленение отвалообразователя с роторным экскаватором.

4. Дальнейшие исследования в плане рассматриваемой проблемы следует направить на разработку технологической схемы погашения остаточных горных выработок путем совместного применения предложенных в статье решений землесбережения при эксплуатации горизонтальных месторождений.

Литература

1. Крупейников И.А., Холмецкий А.М. Некоторые проблемы рекультивации земель создание новых культурных ландшафтов/.- М.: Знание, 1979 / Новое в жизни, науке, технике. Серия «Наука о земле» - № 7. - 48 с

2. Коган И.Л. Обоснование рациональной разработки мощных слабонаклонных месторождений КАТЭКа.: Автореф. дис... к. т. н. - К.: 1984, - 18 с.

3. Гуменик И.Л., Панасенко А.И. Общие проблемы природопользования и экоустойчивого развития горнопромышленных регионов // Наук. вісн. НГУ. - 2007. - № 6. - С.60-65.

4. Шпортько В. П Удосконалення організації гірничих робіт на кар'єрах з метою зменшення негативного впливу на довкілля та підвищення рентабельності виробництва / Екологія і природокорист.- 2003.- Вип. 5, - С. 180 - 183.

5. A.с. 1240895 СССР, МКИ3 Е21С 41/00. Способ открытой разработки крутопадающих месторождений с внутренним отвалообразованием // А.Г. Шапарь, В.Г.Лашко, В.Е. Киковка и др. (СССР). - Бюл. № 24. - 1986.

6. Пат. № 2021511 Российская Федерация, М.КИ Е21С 41/26. Способ открытой разработки месторождений полезных ископаемых // Белоус Н.Я., Весел Н.Н., Иванов Ю.В., Баженов А.К.

7. Прокопенко В.И., Барсуков H.М. Резервы повышения эффективности использования земель на карьерах в мягких породах. //Изв. вузов. Горный журнал. - 1991. - № 7.- С. 25-29.

Размещено на Allbest.ru