Разработка эффективной техники и безопасной технологии послойной выемки скальных пород на карьерах

Актуальность работы. Экономическое развитие России непосредственно связано с добычей и переработкой богатейших запасов твердых полезных ископаемых и во многом предопределяется эффективностью открытого способа разработки. Анализ минерально-сырьевых ресурсов показывает, что основной прирост балансовых запасов золота, серебра, молибдена, вольфрама, меди, цинка, хрома, алмазов и другого ценного сырья на ближайшую перспективу ожидается за счет ввода в эксплуатацию мелких и отдельных участков крупных месторождений сложного геолого-морфологического строения, расположенных в отдаленных и малоосвоенных районах страны. Залежи полезных ископаемых, вмещающих пород и пустых прослойков, в большинстве случаев, представлены скальными породами крепостью до Г = 14. 16 и более по шкале проф. М. М. Протодьяконова, при этом углы падения контактов между этими разновидностями пород изменяются от 0 до 90°.

Разработка таких месторождений традиционно ведется одноковшовыми экскаваторами и реже погрузчиками в комплексе с автосамосвалами при обязательном предварительном разрушении массивов буровзрывным способом, повышающим опасность ведения горных работ. При этом, несмотря на различные приемы буровзрывного разрушения скальных пород и селективной экскавации, потери полезных ископаемых достигают 7.10%, а разубоживание — 30.60% и особенно велико при разработке залежей с несогласным падением контактов. Улучшение показателей извлечения в большинстве случаев обеспечивается за счет уменьшения высоты уступов путем перехода на разработку выемочных блоков поду ступами, однако наклонные маломощные пласты и прослойки раздельной разработке одноковшовым оборудованием практически не поддаются.

Между тем, уже доказано преимущество механического разрушения полускальных и мерзлых пород рыхлителями статического действия, позволяющими снизить себестоимость подготовки по сравнению с буровзрывным способом в 1,5.2 раза и более. Однако использование таких рыхлителей ограничивается крепостью пород до 5.9 и расширение области их применения не обеспечивается путем наращивания единичной мощности базовых тракторов.

Начиная с середины прошлого века, проводятся исследования по созданию рыхлителей активного действия, способных эффективно разрушать скальные породы. По имеющейся информации наиболее успешно эта работа осуществлена фирмой «Катерпиллер» (США), создавшей образцы мощностью 388. 575 кВт. Однако в России подобные рыхлители не изготавливаются и до сих пор не разработаны конструктивные параметры, отвечающие требованиям безопасной эксплуатации на уступах, вследствие чего остаются не изученными вопросы технологии послойной разработки скальных пород на карьерах. Реализация такой технологии на карьерах будет наиболее успешной при использовании различных самоходных скреперных агрегатов, способных автономно разрабатывать выемочные блоки, которые зачастую значительно удалены друг от друга и рассредоточены на различных горизонтах. К сожалению, в настоящее время у нас выпускаются только обычные колесные скреперы, применение которых целесообразно в комплексе с трактором-толкачем или попарно в сцепке, что снижает их маневренностью и эффективность при эксплуатации на карьерах. Поэтому проблема повышения эффективности и безопасности разработки месторождений сложного геолого-морфологического строения требует научно обоснованных технических и технологических решений по созданию современных землеройно-транспортных машин и технологических схем послойной выемки скальных пород на карьерах.

Решению этой проблемы посвящена настоящая диссертационная работа, выполненная по результатам научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, промышленных экспериментов и эксплуатационных испытаний при непосредственном участии автора в период с 1976 года. Исследования проводились по отраслевым планам НИОКР Главалмаззолота СССР и хоздоговорам с ПО «Забайкалзолото», «Северовостокзолото», «Якутзолото», «Якуталмаз» и другими огранизациями.

Целью работы является разработка и создание эффективной техники и безопасной технологии послойной выемки скальных пород на карьерах, обеспечивающих снижение разубоживания и полноту выемки полезных ископаемых из недр.

Идея работы заключается в использовании достоинств ударно-импульсного разрушения скальных пород и гипсометрических планов при селективной выемке полезных ископаемых для создания техники и технологии послойной разработки месторождений сложного геолого-морфологического строения.

Задачи исследований. Для достижения намеченной цели были поставлены следующие задачи:

1. Исследовать условия залегания месторождении сложного геолого-морфологического строения, классифицировать их по условиям залегания, а выемочные блоки — по сложности строения и разработки.

2.Исследовать показатели извлечения полезных ископаемых при послойной разработке выемочных блоков с учетом гипсометрических планов месторождений сложного геолого-морфологического строения.

3.Исследовать тяговый и энергетический балансы землеройно-транспортных машин и разработать методики модернизации их для безопасной эксплуатации на карьерах при послойной выемке скальных пород.

4.Разработать исходные требования, создать и: испытать экспериментальные образцы горных машин, оборудования и инструмента и оценить их эффективность.

5. Сгруппировать рациональные комплексы машин для послойной разработки месторождений сложного геолого-морфологического строения, представленных скальными породами.

6. Разработать технологические схемы рыхления скальных пород па уступах, отстройки устойчивых уступов рабочих и нерабочих бортов карьеров и послойной отработки выемочных блоков различной категории сложности, отвечающие требованиям безопасного ведения горных работ.

При выполнении работы использовался комплексный метод исследований, включающий: анализ литературных источников и патентных материалованалитические исследования показателей извлечения, тяговых и силовых балансов землеройно-транспортных машин (ЗТМ) и математическое моделирование транспортирования пород бульдозерными отваламииспользование ЭВМ для кинематических исследований рыхлительного оборудования и обработки результатовопытно-промышленные испытания с использованием хрономегражных наблюдений и маркшейдерских замеровтехнико-экономический анализ и оценка ЗТМ, оборудования и инструмента.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Применение гипсометрических планов залежей с учетом угла падения контактов между полезным ископаемым и пустой породой относительно кинематики рабочих органов выемочно-погрузочных и землеройно-транспортных машин позволяет классифицировать выемочные блоки и месторождения по сложности строения и разработки и наметить рациональное направление развития горных работ на карьерах.

2. При переходе с экскаваторного на послойный способ разработки выемочных блоков сложного геолого-морфологического строения обеспечивается многократное снижение потерь и разубоживания полезных ископаемых, при этом величина разубоживания при несогласном падении контактов относительно плоскости разрабатываемых забоев сокращается, как минимум, во столько раз во сколько высота экскаваторного уступа больше мощности выемочного слоя.

3. Максимальный эффект ударно-импульсного разрушения скальных пород рыхлителем активного действия достигается путем регулирования угла наклона оси «наконечник-гидромолот» от конструктивно-максимального (59°) до рационального (50°) при рыхлении пород от нижней бровки отстраиваемого уступа и от конструктивно-минимального (33,6°) до • рационального — при рыхлении пород на уступе со стороны выработанного пространства.

4. Отстройку вертикальных уступов можно обеспечить при соблюдении в конструкции одностоечных рыхлителей активного действия соотношения 1,0.1,25 между шириной базового трактора и расстоянием от оси задней звездочки гусеничного движителя до заглубленного наконечника рыхлителыюго зуба и при условии рыхления наклонных забоев с направлением борозд под углом 26.32° к нижней бровке уступа. При этом расстояние от оси задней звездочки до заглубленного наконечника не должно быть меньше величины бермы безопасности устойчивого уступа на карьерах.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

— корректным применением положений теории взаимодействия рабочих органов землеройно-транспортных машин с грунтами и других исследований по послойному разрушению и выемке скальных пород;

— результатами стендовых, полигонных и опытно-промышленных испытаний экспериментальных образцов рыхлителя активного действия, гидромолотов и рыхлительных коронок, скрепера со шнековыми загрузочными устройствами и скрепер-дозера в разнообразных горнотехнических условиях и режимах эксплуатации продолжительностью до 2000 маш*ч;

— удовлетворительной сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований (в пределах 80%) при достаточных объемах замеров и опытов.

Научная новизна работы заключается в следующем: 1. Дана новая классификация выемочных блоков по сложности строения и разработки, учитывающая по гипсометрическим планам залежей соответствие углов падения контактов между полезными ископаемыми и пустой породой кинематике рабочих органов выемочно-погрузочных и землеройно-транспортных машин.

2. Впервые установлены закономерности изменения показателей извлечения полезных ископаемых из недр при послойной разработке выемочных блоков различных категорий сложности в зависимости от мощности выемочного слоя, угла падения контактов между полезными ископаемыми и пустой породой и приемов селективной выемки.

3. Впервые разработана концепция технологии послойной отработки сложнострукгурных выемочных блоков, предусматривающая механическое разрушение скальных пород на всей поверхности забоев устойчивых уступов и селективную выемку с применением технических средств оперативного геолого-маркшейдерского контроля контактов между разновидностями руд и пород.

4. Разработана механико-математическая модель и установлены рациональные параметры компоновочных узлов новой конструкции рыхлителя активного действия, защищенной авторским свидетельством № 1 693 211 Би и отвечающей требованиям безопасной эксплуатации на карьерных уступах при максимальной унификации с базовым и серийным оборудованием.

5. Впервые определены экспериментальным путем рациональные схемы, параметры и режимы ударно-импульсного разрушения скальных пород при рыхлении поверхности забоев со стороны нижней бровки отстраиваемых уступов и выработанного пространства.

6. Установлена новая закономерность отстройки откосов уступов нерабочих и рабочих бортов карьеров при послойном разрушении скальных пород рыхлителями активного действия, учитывающая утлы поперечной устойчивости базовых машин, наклона оси «наконечник-гидромолот» и направления борозд относительно нижней бровки отстраиваемых уступов.

7. Обоснованы рациональные комплексы землеройно-транспортных машин, сгруппированные по функциональному назначению на основе минимальных показателей энергои материалоемкости разработки скальных пород и определены границы их рационального применения на карьерах различной производственной мощности.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

1. Новая классификация выемочных блоков по сложности строения и разработки позволяет ориентировать направление развития фронта добычных работ относительно характера проявлений на гипсометрических планах контактов между полезными ископаемыми и пустой породой в зависимости от принятой техники и технологии разработки месторождения.

2. Установленные закономерности изменения показателей извлечения полезных ископаемых из недр при послойной разработке выемочных блоков различных категорий сложности позволяют разработать нормативы потерь и разубоживания, стимулирующие внедрение современной техники и технологии.

3. Методика обоснования основных конструктивных параметров рыхлителя активного действия, пневмоколесного скрепера со шнековой загрузкой ковша и скрепер-дозера на гусеничном ходу применима при разработке исходных требований на создание экспериментальных образцов карьерных землеройно-транспортных машин.

4. Разработаны современные технологические схемы послойной отработки выемочных блоков различной категории сложности, разрушения скальных пород и негабаритов на карьерных уступах и отстройки устойчивых уступов заданного профиля, отвечающие требованиям безопасного ведения горных работ.

5. Сформулированы требования к рациональному порядку отработки выемочных блоков различными типами забоев при согласном и несогласном падении контактов относительно откосов уступов, ориентации блоков панели и заходок относительно проявлений контактов на поверхности забоев.

Реализация работы. Результаты исследований и разработок использованы при создашш исходных требований и экспериментальных образцов рыхлителя активного действия на базе рыхлительно-бульдозерного агрегата ДЗ-141УХЛ и гидравлического молота СП-85- скрепера со шнековой загрузкой на базе самоходного скрепера Д3−13Бскрепер-дозера на базе гусеничной ходовой трактора-трубоукладчика ТТ-500, опытной партии геодинамических рыхлительных коронок в количестве до 4000 штук. Элементы технологии послойной разработки скальных пород на карьерных уступах апробированы и реализованы в период опытно-промышленных испытаний и дальнейшей эксплуатации машин на ряде горных предприятий.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы и отдельные ее положения докладывались на технических совещаниях Главалмаззолото СССР (Москва — 1988, 1989 гг.), на координационных совещаниях Главалмаззолото (Иркутск — 1987, 1988 гг.), на технических советах ПО «Якутзолото» (Якутск -1989, 1990 гг.), комбината «Алданзолото» (Н-Куранах — 1989, 1990гг.), Удачнинского ГОКа (Айхал — 1990 г.), ПО «Забайкалзолото» (Чита — 19 781 980 гг.), ВНИПИгорцветмет (Москва — 1986;1988 гг.), Гиналмаззолото (Москва — 1986;1991гг.), на Международном научном симпозиуме «Неделя горняка» (Москва — 2002,2003 гг.) и на расширенных заседаниях кафедры РМПИМГОУ.

Автор диссертации искренне благодарен сотрудникам Читинского ПИ (ЧГТУ), МГРИ (МГГРУ), ВНИПИгорцветмет (Гипроцветмет), Гиналмаззолото и МГОУ, с которыми была связана и продолжается его трудовая деятельность, а также специалистам Якутниипроалмаз, ВНИИСДМ, ВНИИ-l, ИГД им. A.A. Скочинского, АК «Алданзолото» и другим, с которыми сложились товарищеские взаимоотношения на различных этапах выполнения НИОКР. Особую признательность хочется выразить В. И. Емельянову, Г. А. Шлойде, Э. Г. Ронинсону, A.B. Рашкину, A.B. Берману и МЛ. Бруку за большую помощь при организации и проведении натурных и теоретических исследований, а также при подготовке диссертации.

I. Оценка горно-геологических условий открытой разработки месторождений полезных ископаемых.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе изложены научно обоснованные технические и технологические решения повышения эффективности и безопасности разработки сложноструктурных месторождений путем создания горных машин, оборудования и инструмента, а также цикличных и циклично-поточных технологических схем послойного разрушения, селективной выемки и транспортировки скальных и других разновидностей пород на открытых горных работах, внедрение которых вносит значительный вклад в развитие экономики страны.

Основные научные результаты, выводы и практические рекомендации выполненных исследований заключаются в следующем.

1. Предложена классификация месторождений и выемочных блоков, учитывающая по гипсометрическим планам сложность геолого-морфологического строения залежей, а сложность разработки — по соответствию угла падения контактов между полезным ископаемым и пустой породой кинематическому углу рабочих органов землеройно-транспортных машин и выемочно-погрузочного оборудования и позволяющая ориентировать рациональное направление развития горных работ на карьерах.

2. При селективной разработке выемочных блоков различной категории сложности с согласным и несогласным падением контактов доказано преимущество послойного погашения уступов по сравнению с экскаваторным, заключающееся в многократном снижении потерь и разубоживания, на основании чего разработана концепция технологии послойной разработки уступов сложноструктурных месторождений комплексами землеройно-транспортных машин и определены принципы их модернизации, базирующиеся на оптимизации силового и энергетического балансов при разрушении, выемке и транспортировке скальных и мерзлых пород.

3. Установлены рациональные параметры ударно-импульсного разрушения скальных и мерзлых пород и конструктивные элементы, обеспечивающие безопасную эксплуатацию машин на уступах при максимальной унификации с базовым рыхлителем статического действия, в результате чего разработана и защищена авторским свидетельством на изобретение № 1 693 211 Я и конструкция рыхлителя активного действия и создан экспериментальный образец, в ходе опытно-промышленных испытаний которого в сравнении со статическим рыхлением на карьерах ПО «Сода» и «трубка Удачная» доказано повышение производительности в 1,5.3,6 раза, определена эффективная область разрушения скальных и других разновидностей пород и установлены рациональные режимы разрушения скальных пород и негабаритов на карьерных уступах.

4. Разработана и защищена авторским свидетельством на изобретение № 1 763 651 Би конструкция геодинамической рыхлительной коронки, отличающаяся от клиновидных специальным профилем, обеспечивающим равномерное дробление скальных пород до требуемой кусковатости и повышение работоспособности коронок в 5.7 раз.

5. Разработаны новые безопасные технологические схемы рыхления скальных пород на уступах, отстройки устойчивых уступов на рабочих и нерабочих бортах карьеровопределены рациональные параметры выемочных блоков и заходок и даны рекомендации по ориентации блоков панелей и заходок относительно простирания контактов и фронта добычных работвыбору рационального типа забоя и порядку отработки каждого слоя разрушенных пород при разработке выемочных блоков любой категории сложности.

6. Обоснована возможность предварительного разупрочнения скальных трудноразрушаемых пород на карьерных уступах путем затопления выемочных блоков водным раствором натрийкарбоксиметилцеллюлозы, в результате чего через определенный период времени прочность массивов снижается на 30.50% и обеспечивается эффективное разрушение очень крепких (Г > 15. 16) скальных пород рыхлителем активного действия. Технология создания противофильтрационных завес от проникновения водных растворов за пределы выемочных блоков, защищенных авторскими свидетельствами на изобретения № 836 277 и 908 994 8 и, внедрена в производственных условиях ПО «Забайкалзолото» с достаточно большим экономическим эффектом.

7. На основе аналитических и экспериментальных исследований и установленных зависимостей определены направления совершенствования загрузочных устройств пневмоколесных скреперов и установлены основные конструктивные параметры шнекового загрузочного устройства, на основе которых разработаны исходные требования и изготовлен экспериментальный образец на базе скрепера ДЭ-13Б. Эксплуатационные испытания скрепера со шнековой загрузкой в сравнении с базовым образцом на объектах комбината «Алданзолото» показали повышение производительности на 45.70% при транспортировании пород на расстояние до 3,0.3,5 км, а в сравнении с комплексом «экскаватор ЭКГ-4,6 + автосамосвал БелАЗ-548» — снижение трудоемкости разработки пород не менее, чем на 12. 18 маш^ч/тыс.м3.

8. Обоснована целесообразность создания гусеничных скрепер-дозеров, оснащенных скреперным ковшом и бульдозерным отвалом, обеспечивающим более полную реализацию тяговой составляющей силового баланса при груженом ковше, на основании чего разработан и изготовлен экспериментальный образец машины, в ходе сравнительных испытаний которого с бульдозером ДЗ-141УХЛ на одном из предприятий Сусуманского ГОКа установлена рациональная область их эксплуатации: при транспортировании пород на расстояние до 200.250 м — совместное использование скреперного ковша и бульдозерного отвалапри транспортировании до 400.500 м — использование только скреперного ковша.

9. Обоснованы комплексы ЗТМ, сгруппированные по функциональному назначению на основе минимальной удельной энергои материалоемкости разработки пород, и определены границы их эффективного применения на карьерах различной производственной мощности.

10. Разработаны новые технологические схемы отработки выемочных блоков повышенных категорий сложности, обеспечивающие внедрение цикличной и циклично-поточной технологий на карьерах. В результате опытно-промышленной эксплуатации новых ЗТМ установлено, что технология послойной разработки скальных и других разновидностей пород, позволяет:

— повысить производительность труда и снизить трудозатраты на добыче разносортных руд;

— обеспечить равномерное дробление скальных пород непосредственно в забоях и исключить стадию крупного дробления и грохочения на обогатительном переделе;

— исключить взрывные работы на карьерах и повысить безопасность ведения горных работ;

— снизить негативное воздействие на окружающую среду вследствие прекращения залповых выбросов больших объемов пыли и газов при взрывных работах;

— многократно снизить потери и разубоживание полезных ископаемых при добычеобеспечить интенсивную разработку сложноструктурных месторождений, расположенных в отдаленных и малоосвоенных районах страны.