Исследование параметров технологии внутреннего гидроотвалообразования на насыпном основании

Одним из направлений повышения эффективности открытых горных работ Л является использование гидромеханизации, которая обладает рядом преимуществ, среди которых поточность выполнения технологических процессовпростота конструкции, небольшие массы и габариты используемых машин и аппаратоввысокая производительность трудаотносительно небольшие капитальные затраты и себестоимость производства горных работэкологическая чистота и безопасность производственных процессов.

Гидромеханизация достаточно широко применяется при проведении вскрышных работ по наносам на карьерах, в гидротехническом строительстве, в промышленности нерудных строительных материалов (на вскрыше и на ф добыче), при проведении дноуглубительных работ речного и морского флота, а также в мелиорации[86].

С помощью средств гидромеханизации на отечественных карьерах перемещено свыше 800 млн. м3 вскрышных пород, а перспективные объемы, которые можно отрабатывать гидрокомплексами, превышают 6 млрд. м3 [32].

На ряде действующих угольных разрезов к данному моменту, а на многих других в ближайшей перспективе, необходимо введение «передового» уступа. Например, на Ачинском участке Назаровского разреза ввиду недостаточности параметров комплекса 8ЯК-4000 для отработки возрастающей мощности вскрышных пород в ближайшее время потребуется опережающая отработка части вскрышных пород, аналогичная ситуация складывается на Ерковецком разрезе, где на вскрышных работах используются драглайны.

Применение гидромониторно-землесосных комплексов для отработки «передовых» уступов на карьерах, где основная часть вскрышных пород разрабатывается по бестранспортным схемам, в настоящее время достаточно актуально, так как по экономическим показателям эта технология уступает > только комплексам, обеспечивающим бестранспортные схемы отработки вскрышных пород и более эффективна, чем использование «сухоройных» комплексов с авто или ЖД транспортом.

В то же время применение этого перспективного способа комплексной механизации открытых горных работ на сегодняшний день сдерживается и даже снижается по сравнению с прошедшим периодом. Одним из основных процессов, наиболее сильно влияющих на технико-экономические показатели и саму возможность применения гидромеханизации, является гидроотвалообразование.

Комплекс проблем гидроотвалообразования включает в себя, во-первых, большую землеёмкость гидроотвалов по сравнению с «сухими» отвалами, обусловленную значительной обводнённостью укладываемых пород. Это определяет их слабую устойчивость и небольшую высоту гидроотвалов. Во-вторых, удалённость от карьеров мест возможного размещения гидроотвалов, влекущую за собой усложнение и повышение энергоёмкости гидротранспортирования вследствие включения в схемы гидротранспорта большого числа перекачных землесосных станций. Выбрать место для их размещения труднее, чем для железнодорожных или автомобильных отвалов и размещаются они, как правило, на неудобьях (в оврагах, логах, болотах и т. д.). В-третьих, большинство существующих гидроотвалов уже заполнено или близко к этому. Строительство новых гидроотвалов не происходит из-за отсутствия или высокой стоимости земельных площадей вблизи карьерных полей, на которых возможно их размещение.

На многих действующих карьерах, при сплошных системах разработки, выработанное пространство достигло значительных размеров и, как правило, представлено нерекультивироваными внутренними отвалами. В таких условиях размещение гидроотвала в выработанном пространстве, на уже сформированных отвалах, позволит не только высокоэффективно применить гидромеханизированные комплексы, но и упростит рекультивацию нарушенных земель. Породы, которые разрабатываются средствами гидромеханизации, обычно являются потенциально плодородными, и их намыв во внутренний гидроотвал позволит рекультивировать выработанное пространство. [31].

Таким образом, актуальность работы, направленной на исследование параметров технологии внутреннего гидроотвалообразования на насыпном основании, обусловлена настоятельной необходимостью обеспечения рационального и комплексного использования площадей выработанного пространства и повышения эффективности применения гидромеханизации на открытых горных работах.

Целью работы является обоснование параметров внутренних гидроотвалов на насыпном основании в выработанном пространстве действующих карьеров.

Идея работы заключается в том, что параметры гидроотвалов при их размещении на насыпном основании в выработанном пространстве определяются из условий обеспечения устойчивости всего отвального сооружения и эффективности применения технологии.

Научные положения, разработанные лично соискателем, и их новизна:

1. Параметром, позволяющим обеспечить устойчивость сложной геомеханической системы, представленной внутренними насыпными отвалами и расположенным на них гидроотвалом, является расстояние удаления гидроотвала от верхней бровки насыпного отвала (X). Установлена зависимость изменения величины этого расстояния от горно-геологических условий и горнотехнических параметров карьера.

2. При достижении определенной величины расстояния удаления гидроотвала от откосов насыпного отвала Х=Хгрвысота гидроотвала не оказывает влияния на устойчивость отвального сооружения и ограничивается только несущей способностью грунтов насыпного отвала. Величина Х^ возрастает при увеличении угла наклона основания отвального сооружения, высоты насыпного отвала, высоты гидроотвала и степени снижения прочностных свойств грунтов насыпного отвала при обводнении.

3. При размещении гидроотвала на расстоянии Х=Хо от откосов насыпного отвала, необходимая устойчивость отвального сооружения обеспечивается без перехвата фильтрационного потока. Величина Хо не зависит от высоты гидроотвала и определяется горно-геологическими и горнотехническими условиями выработанного пространства, параметрами насыпных отвалов, прочностными свойствами грунтов его слагающих и степенью их снижения при обводнении.

Обоснованность и достоверность научных положений выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, базируются на использовании широкого диапазона научных методов исследований, включающих анализ и обобщение теоретических и экспериментальных работ, корректное применение классических методов механико-математического моделирования, представительным объемом вариантов расчета по неоднократно опробованным методам с использованием ЭВМ.

Научное значение работы состоит в установлении зависимостей для расчета параметров технологии внутреннего гидроотвалообразования на насыпном основании, от условий размещения отвального сооружения, мощности насыпного основания, физико-механических свойств пород при обеспечении требуемого коэффициента запаса устойчивости.

Практическое значение работы состоит в разработке методики расчета параметров технологии внутреннего гидроотвалообразования на насыпном основании, обеспечивающих ее безопасное и эффективное применение и обоснование основных параметров технологии для условий разреза «Ерковецкий».

Реализация выводов и рекомендаций работы. Методика расчета параметров технологии внутреннего гидроотвалообразования на насыпном основании, передана проектным организациям «Гидромехпроект» и «ДальвостНИИпроектуголь» для проектирования гидромеханизации на разрезе «Ерковецкий».

Апробация работы. Результаты исследований докладывались на симпозиуме «Неделя горняка» 2004 — 2005 г. г., а так же на Международной научно-практической конференции «Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности», Кемерово (2004 г.) Материалы работы представлялись на открытом конкурсе Министерства образования РФ 2003 г. «На лучшую научную студенческую работу по естественным, техническим и гуманитарным наукам в вузах РФ».

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 4-х статьях.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и содержит 26 рисунков, 17 таблиц, список литературных источников из 86 наименований.

Основные выводы и рекомендации:

1. Проведенные исследования позволили установить, что влияние гидроотвала как пригрузки (без учета вызываемого им обводнения) на устойчивость откосов насыпного отвала, сложенного породами естественной влажности, незначительно и даже при удалении гидроотвала, на 5−10 м напряжения, возникающие в породах «сухого» отвала под действием веса намываемых пород и дамб обвалования гидроотвала, уже не оказывают непосредственного влияния на устойчивость его откоса.

2. Установлено, что фильтрация воды с откосов насыпных отвалов не вызывает их обрушения (£зап=1,1) в следующих условиях: -для отвалов высотой 30 м ДА^не менее 207 м при снижении туд не более чем в 1,5 раза- -для отвалов высотой 20 м ДЛ^не менее 80 м при снижении туд не более чем в 1,5 раза- -для отвалов высотой 10 м ДЛ^не менее 13 м при снижении т^ не более чем в 1,5 раза и ДА^не менее 53 м при снижении туй не более чем в 2,0 раза.

3. В случае снижения прочностных свойств отвальных грунтов при обводнении в 4 и более раза, а также если породы, слагающие откос, предрасположены к суффозионному выносу, приближение фильтрационного потока к откосу «сухого» отвала будет практически всегда вызывать его обрушение. В таких случаях следует организовывать перехват фильтрационного потока.

4. Уровень критического (вызывающего снижение кзап ниже 1,1) влияния нагрузки от гидроотвала при обводнении пород насыпного отвала сохраняется на расстоянии удаления Х = Х, р. Установлены зависимости, позволяющие утверждать, что при увеличении высоты гидроотвала в 3 раза (с 5.0 до 15.0 м), Хгр увеличивается примерно в 1.5−2.0 раза. Повышение высоты насыпных отвалов в 3 раза (с 10 до 30 м) вызывает рост Хгр в среднем в 2.0−2.5 раза. А снижение прочностных свойств пород насыпных отвалов при их обводнении не в 2, а в 4 раза вызовет увеличение Хгр в 3.0,.

3.5 и 5.5 раз (для отвалов высотой 30.0, 20.0 и 10.0 метров соответственно).

5. Разработана методика расчета основных параметров исследуемой технологии, которая позволяет оценить возможность реализации внутреннего гидроотвалообразования на насыпном основании в конкретных горногеологических и горнотехнических условиях, а также рассчитать параметры, обеспечивающие ее безопасное и эффективное функционирование.

6. Для условий разреза Ерковецкий рассчитаны основные параметры технологии, позволяющие организовать безопасное формирование гидроотвала на внутренних насыпных отвалах участка № 1. При этом расстояние удаления гидроотвала высотой 5.0 м от верхней бровки насыпных отвалов, позволяющее вести намыв без перехвата фильтрационного потока, составляет: от откосов вскрывающих выработок (кзап=1,2) 380,0 мот рабочей зоны (кзап=1,1) 220.0 м. При этом обеспечивается начальная вместимость гидроотвала порядка 11 млн. м3.

7. Произведено технико-экономическое сравнение различных вариантов технологических схем при отработке «передового» уступа. Полученные результаты свидетельствуют о достижении существенного экономического эффекта при применении гидромониторно-землесосного комплекса с внутренним гидроотвалообразованием по сравнению с применением экскаваторно-автомобильного комплекса с внутренним бульдозерным отвалообразованием или гидромониторно-землесосного с размещением гидроотвала за пределами карьерного поля. Достигается снижение капитальных затрат примерно в 1,5 раза, а эксплуатационных — в 23 раза.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате выполненных в работе исследований дано новое решение актуальной научной задачи обоснования параметров технологии внутреннего гидроотвалообразования на насыпном основании, обеспечивающее безопасное размещение гидроотвала на внутренних насыпных отвалах и повышение эффективности работы гидрокомплекса карьера.