Обоснование технологии разработки месторождений нерудных строительных материалов земснарядами в зимний период

Актуальность работы. Актуальность работы обусловлена необходимостью интенсификации освоения обводненных россыпных месторождений золота, серебра, касситерита, платины, алмазов и других металлов и минералов, а также месторождений нерудных строительных материалов в северных регионах нашей страны за счет новых технологий.

Известно, что значительная часть месторождений нерудных материалов Крайнего Севера и Арктической зоны относятся к обводненным, а их разработка осуществляется в основном землесосными снарядами, не предназначенными дляработы в условиях длительных отрицательных температур воздуха, поэтому работы носят сезонный характер1.

Сезонность оказывает неблагоприятное влияние на работу горных предприятий, разрабатывающих обводненные месторождения. Это влияние заключается в снижении рентабельности этих предприятий за счет продолжительного периода зимнего отстоя земснарядов и, как следствие, их низкой годовой>производительности.

Для обеспечения возможности технологических перемещений земснарядов в зимний период в забое поддерживают участок незамерзающей водной поверхности (майну).

Существуют различные способы майнообразования, имеющие свои достоинства и недостатки. К основным недостаткам известных способов образования майны можно * отнести высокие энергетические затраты, небезопасность и большую трудоемкость работ, что ограничивает их применение для продления добычного сезона земснарядов. В связи с этим, создание эффективных способов майнообразования при разработке месторождений нерудных материалов является актуальной научно-практической задачей в современных условиях развития горнодобывающей отрасли.

Цель работы: Обеспечить доступ к полезному ископаемому при разработке земснарядами обводненных месторождений нерудных строительных материалов (НСМ) в зимний период.

Идея работы: Эффективное поддержание майны на обводненных месторождениях НСМ, осуществляется путем покрытия водоемов теплоизолирующим материалом в виде конструктивных элементов определенной формы, что предотвращает льдообразование на поверхности водоемов и позволяет земснарядам свободно маневрировать.

Основные задачи исследования.

1. Обзор и анализ известных способов продления добычного сезона при разработке рыхлых обводненных месторождений полезных ископаемых.

2. Математическое моделирование температурного баланса воды в майне при применении теплоизолирующих материалов, расположенных на" водной поверхности разреза в зависимости от их геометрических параметров, коэффициента теплопроводности и температуры воздуха.

3. Разработка принципиально новых способов майнообразования при разработке обводненных месторождений полезных ископаемых.

4. Экспериментальное и теоретическое обоснование предлагаемых способов поддержания майны.

5. Экономическая оценка эффективности разработанных способов майнообразования.

Методы исследований. Изучение и обобщение научно-исследовательских работ, литературных источников, патентных, фондовых материалов и практического опыта. Проведение натурных наблюдений, математическое моделирование физических явлений и показателей технологических процессов, статистическая обработка экспериментальных результатов и наблюдений.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Повышение эффективности разработки обводненных месторождений нерудных строительных материалов при устойчивых отрицательных температурах воздуха обеспечивается за счет поддержания майны с применением плавающего теплоизолирующего материала шарообразной и цилиндрической формы, а также в форме плит для участков, подготовленных к разработке.

2. При распределении теплоизолирующего материалапо, различным: зонам майны при, маневрировании земснарядов: иподготовленным к выемке участкам,. необходимо учитывать,. коэффициент теплопроводности теплоизолирующего материала и его параметры.

3. Эффективность маневрирования— земснарядов вмайне при устойчивых отрицательныхтемпературах воздуха обеспечивается путем создания скосов<�на<-подводной части боковых бортов понтона с наклоном по. отношению к продольной оси земснаряда 40−60 градусов.

Обоснованность и достоверность подтверждена значительным объемом статистических-данных— сходимостью результатов-теоретических исследованийс практическими данными, атакже с критериями доверительной^ вероятностипатентной защитой полученных решенийНаучная новизна.

Разработана математическаяшодельпроцессамайнообразования-с. учетом-управляемого распределения теплоизолирующего материала для эффективного маневрирования земснарядов.

Получена модель зависимостиудельного теплового потока в майне от коэффициента теплопроводности и толщины теплоизолирующих материалов, а также температуры воздуха;

Определены математические зависимости изменения критической толщины льда от угла наклона бортов земснарядов.

Практическую ценность имеют:

— систематизация способов разработки обводненных, прибрежных и экваториальных месторождений Арктической зоны;

— принципиально новые способы образования майны в зимний период и устройства для защиты майны земснарядов от замерзания;

— методика обоснования формы и расчета параметров укладки теплоизолирующего материала, используемого при майнообразованииконструктивные решения для повышения ледопроходимости земснарядов при их маневрировании в условиях устойчивых отрицательных температур воздуха.

Личный вклад автора:

Математическое, моделирование показателей теплопроводности ТИМ? в зависимости от его толщинытемпературы воздуха и коэффициента теплопроводности.

Разработка принципиально новых способов майнообразования при разработке обводненных месторожденийполезных ископаемых, и конструктивныхрешений для эффективного маневрирования — земснарядов в условиях устойчивых отрицательных температур.

Расчет теплового баланса водоема при покрытии его теплоизолирующими, материалами.'.

Экспериментальное и теоретическое обоснование предлагаемых способов, майноподдержания. ,.

Экономическая «оценка эффективности предлагаемых способов майнообразования.

Реализация работы. Результаты исследований приняты к внедрению при проведении горных работ на Терентьевском песчано-гравийном месторождении (Красноярский край), а также прш чтении лекций по дисциплинеГидромеханизация открытых горных работ" в ИГДГиЕСФУ.

Апробация работы. Содержание работы и ее отдельные положения докладывались на следящих конференциях и семинарах: Межрегиональная 7 научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Совершенствование методов поиска и разведки, технологий добычи и переработки полезных ископаемых» (Красноярск, 2008 г.) — Региональная научно-практическая конференция «Молодежь и научно-технический прогресс» (Владивосток, 2008 г.) — Всероссийская научная конференция по вопросам Арктических территорий в рамках VI Красноярского экономического форума (Красноярск, 2009 г.) — Международная научно-техническая конференция «Современные технологии освоения минеральных ресурсов» (Красноярск, 2009;2011 гг.) — XIII Международная экологическая конференция студентов и молодых ученых (Москва, 2010 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 работ (из них 5 в изданиях, аннотированных ВАК РФ), в том числе 5 патентов РФ на изобретение и 3 патента РФ на полезную модель.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, изложена на 148 страницах машинописного текста, включая 109 рисунков, 39 таблиц и список используемой литературы из 101 наименований.

3.5 Выводы.

1. Для создания эффективного маневрирования предложен раскрой майны относительно земснаряда на четыре зоны: левая бортовая, правая бортовая, кормовая и призабойная.

2. Получена модель зависимости параметров майны (ширина, длина и площадь майны) от ширины заходки земснарядов.

3. Определены зависимости минимальной площади майны от различных типов земснарядов. Зависимости носят линейный характер.

4. При покрытии технологического водоема теплоизолирующим материалом, его форма должна быть цилиндрической и (или) шарообразной, что обеспечивает свободное маневрирование земснаряда в нем.

5. Доказано, что наиболее эффективное распределение теплоизолирующего материала в форме цилиндров — это бортовые зоны майны, а шарообразной формы — остальные зоны майны.

6. При заполнении поверхности водоема теплоизолирующим материалом в виде шаров возможны следующие виды укладки: неустойчивая и устойчивая. Форму укладки определяет месторасположение шаров относительно друг друга.

7. Определены математические зависимости количества необходимого теплоизолирующего материала шарообразной формы от их диаметра при устойчивой и неустойчивой укладке. Доказано, что количество теплоизолирующего материала шарообразной формы в 1 м майны обратно пропорционально квадрату их диаметра. Причем при устойчивой укладке их разница на 15,5% больше.

8. В результате расчетов выявлено, что площадь свободной водной поверхности при покрытии водоема теплоизолирующим материалом шарообразной формы, является постоянной величиной и для устойчивой укладки составляет 9,3%, а для неустойчивой укладки — 21,46% от площади майны.

9. При проведении экспериментов по испытанию льда на сжатие и изгиб, установлено, что неустойчивая и устойчивая укладка теплоизолирующего материала шарообразной формы ведет к разупрочнению льда от 4 до 8 раз.

4 ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДОСТУПА ЗЕМСНАРЯДОВ К ПОЛЕЗНОМУ ИСКОПАЕМОМУ В ЗИМНИЙ ПЕРИОД.

4.1 Эффективность маневрирования земснарядов с вертикальным бортом при устойчивой отрицательной температуре воздуха.

При вертикальном борте земснаряда основным разрушающим параметром (рис. 4.1), действующим на лёд, является сила тяги, которая будет играть роль ограничивающего фактором при разрушении льда. При взаимодействии вертикального борта земснаряда со льдом, на лёд действует одноосная нагрузка на сжатие. Поэтому далее производится испытание льда на сжатие и определение удельного сопротивления, достаточного для его разрушения, чтобы определить максимальную толщину льда, которую сможет сломать земснаряд при его ограниченной силе тяги [3, 12, 16, 77].

Рисунок 4.1 — Взаимодействие вертикального борта земснаряда со льдом в процессе маневрирования.

Далее, для наиболее распространенных типов земснарядов определяется критическая толщина льда, которую они смогут преодолеть.

Для определения критической толщины льда, преодолеваемой земснарядом, необходима сила тяги приведённая ниже в таблице 4.1.

Тип земснаряда Сила тяги земснаряда, кН.

12А-5Д, 12А-5М, 12А-4М, 180−60 50.

300−40 85.

350−50Л 100.

300−40М, 300−40УП 140.

350−50Т 180.

500−60 150.

500−50Гл 350.

1000−80 250.

Сначала определена графически критическая толщина льда, которую сможет преодолеть земснаряд с вертикальным бортом (рис. 4.2−4.9), а потом рассчитана и подтверждена аналитически.

Толщина льда, м — Сила тяги земснаряда.

Рисунок 4.2 — Определение максимальной толщины льда, которую смогут преодолеть земснаряды типа 12А-4М, 12А-5М, 12А-5Д, 180−60.

Проецируя силу тяги земснаряда на линию графика нагрузки, необходимой для разрушения льда, до точки пересечения, которая проецируется на ось, где указана толщина льда, получаем максимальную толщину льда, которую сможет разрушить земснаряд при передвижении. Далее на подобных графиках выполняются аналогичные действия.

0,05.

Сила тяги земснаряда.

ОД 0,15 0,2 0,25.

Толщина льда, м Нагрузка, необходимая для разрушения льда.

Рисунок 4.3 — Определение максимальной толщины льда, которую сможет преодолеть земснаряд типа 300−40.

250 гоо га Ч л.

5150 х х ф.

§ 100 о о. о и.

— —<

I.

1 і.

0,05 ОД 0,15.

Толщина льда, м.

0,2.

0,25.

Рисунок 4.4 — Определение максимальной толщины льда, которую сможет преодолеть земснаряд типа 300−40УП, 300−40М.

О ОД 0,2 0,3 0,4 0,5.

Толщина льда, м Нагрузка, необходимая для разрушения льда — — Сила тяги земснаряда.

Рисунок 4.5 — Определение максимальной толщины льда, которую сможет преодолеть земснаряд типа 350−50Т.

0,1 0,2 0,3 0,4.

Толщина льда, м Нагрузка, необходимая для разрушения льда.

0,5.

Рисунок 4.6 — Определение максимальной толщины льда, которую сможет преодолеть земснаряд типа 350−50Л.

400 со сс л ч ш.

5 300 ч со о а. с о и.

—— и.

1 1.

ОД.

0,4.

0,5.

0,2 0,3.

Толщина льда, м Нагрузка, необходимая для разрушения льда — — Сила тяги земснаряда.

Рисунок 4.7 — Определение максимальной толщины льда, которую сможет преодолеть земснаряд типа 500−60.

1200 1000 х х га.

Я 800 Л с: 01.

I 600 щ ш X о 400 о. о и.

200 0.

1 1.

1 1 ¦

ОД 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 Толщина льда, м.

• Нагрузка, необходимая для разрушения льда — — Сила тяги земснаряда.

Рисунок 4.8 — Определение максимальной толщины льда, которую сможет преодолеть земснаряд типа 500−50Гл.

1200 -1000 800 600 л сш ш ^ со.

5 400 о. с о 200 тт^т ^.

1 •.

0,2.

0,8.

0,4 0,6.

Толщина льда, м.

Нагрузка, необходимая для разрушения льда—Сила тяги земснаряда.

Рисунок 4.9 — Определение максимальной толщины льда, которую сможет преодолеть земснаряд типа 1000−80.

При образовании льда толщиной больше максимальной толщины для указанных типов земснарядов, которую они могут разрушить, их перемещение по акваторию не сможет выполняться, что приведет к простоям оборудования и снижению годовой производительности предприятия.

Для вертикального борта земснаряда были получены зависимости для каждого типа земснаряда (табл. 4.2).