Исследование и обоснование технологии разработки многолетнемерзлых пород крупногабаритными блоками Заровняев, Борис Николаевич

Введение к работе

Актуальность проблемы. Развитие экономики страны обусловливает необходимость поддержания и наращивания объемов добычи полезных ископаемых. Это происходит на фоне увеличения мощности вскрыши, снижения технике-экономических показателей и накопления нарушенных земель. В основном все угольные и россыпные месторождения зоны многолетней мерзлоты имеют благоприятные горно-геологические условия залегания для внутреннего отвалообразования драглайнами. Как показывает опыт разработки многолетнемерзлых пород, драглайны используются только при переработке разрыхленной горной массы. В связи с этим увеличение объемов вскрыши за последние годы привело к росту объемов буровзрывных работ на 36,1%, в 1,5 раза увеличились объемы зимней вскрыши с буровзрывным рыхлением, что в свою очередь привело к повышению себестоимости добычи полезных ископаемых. В структуре себестоимости значительная доля затрат приходится и на экскавацию вскрыши во внутренний отвал, объем которых растет с увеличением мощности вскрыши. Таким образом, дальнейшее повышение эффективности открытых горных работ в условиях многолетней мерзлоты возможно в результате сокращения объемов буровзрывных работ и экскавации.

При достигнутых масштабах открытых горных работ площадь нарушаемых земель составляет 200-250 га на 1 млн куб. м полезных ископаемых. За 60 лет разработки россыпных месторождений нарушено земли свыше 150 тыс. га при ежегодном приросте 3-4 тыс. га. а восстановлено менее 1,5-2 л'. При существующей технологии ведения вскрышных работ рекультивация нарушенных земель производится раздельно и требует дополнительных затрат на ее проведение, что привело к тенденции накопления нарушенных земель.

Изложенное является проявлением технического противоречия между существующей технологией ведения открытых горных работ с внутренним отвалообразованием и комплексным решением проблем снижения себестоимости и сокращения площади нарушаемых земель, что в свою очередь выдвинуло новую актуальну:-: научную проблему снижения объемов переработки горной массы при нарастающей мощности вскрыши и сокращения площади нарушаемых земель.

Одним из направлений решения научной проблемы является нетрадиционная технология перемещения крупных объемов вскрышных пород монолитными блоками. Сдерживающими факторами для разработки

новой технологии являются недостаточная изученность состояния мерзлого породного массива вскрышных уступов, особенности их взрывного и динамического нагружений, закономерностей процессов формирования, отделения и перемещения массива вскрышных пород крупногабаритными блоками, отсутствие методов расчета соотношения параметров блоков и забоя, обеспечивающих их самоперемещение. В свете изложенного исследование и обоснование технологии разработки многолетнемерзлых пород крупногабаритными блоками на основе изучения специфических условий криолитозоны, их влияния на технологию управления процессами отделения и перемещения массива вскрышных пород крупногабаритными блоками и разработка на этой основе технологии ведения открытых горных работ, обеспечивающую снижение себестоимости и землеемкости представляет крупную научно-техническую проблему, решение которой вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса в горнодобывающих отраслях промышленности.

Работа непосредственно связана с планами НИР ЯГУ по темам "Совершенствование горных работ в условиях многолетней мерзлоты" ГР 01880089313; "Подготовка многолетнемерзлых пород к выемке" ГР 0189026268; хоздоговорной НИР "Обоснование экологически чистой технологии ведения горных работ" ГР 0192011460; госбюджетной НИР ГК ВШ НиТП PC(Я) "Разработка технологии ведения открытых горных работ крупногабаритными блоками"; грантом по фундаментальным исследованиям в области горных наук по теме "Разработка экологически безопасной технологии ведения горных работ"; Республиканской научно-технической программы "Цветные металлы Якутии".

Цель работы заключается в научном обосновании технологии разработки многолетнемерзлых горных пород крупногабаритными блоками.

Идея работы заключается в оптимизации геометрических параметров забоя и крупногабаритных блоков.

Задачи исследований:

установить влияние природных и технологических факторов на формирование и перемещение крупногабаритных блоков;

разработать динамичную форму крупногабаритного блока, исследовать динамику и кинематику его перемещения во внутренний отвал;

исследовать перераспределение напряжений в процессе перемещения крупногабаритных блоков и обосновать рациональные параметры технологических процессов их отделения и перемещения;

разработать методические положения по выбору соотношения параметров крупногабаритных блоков и забоя, обеспечивающих их самоперемещение во внутренний отвал;

установить основные факторы, обеспечивающие образование направленных трещин в мерзлом породном массиве и разработать на этой основе технологию подготовки блоков и перемещения во внутренний отвал;

разработать технологию ведения горных работ системным формированием и заполнением выработанного пространства крупногабаритными блоками и обосновать параметры, обеспечивающие снижение себестоимости ведения вскрышных работ и улучшение экологической обстановки.

Методы исследований. В работе использован комплексный метод исследования свойств горных пород и параметров взаимодействующих технологических процессов, включающий:

статические и динамические испытания для изучения свойств горных пород;

математическую статистику, теорию вероятностей и корреляционный анализ для обработки экспериментальных данных;

производственные наблюдения, термометрию для установления геокриологического состояния массива пород;

экспериментальные исследования действия взрыва на мерзлую среду в лабораторных условиях;

оптическое и физическое моделирование на эквивалентных материалах, математическое моделирование с использованием ЭВМ для установления закономерностей перераспределения напряжений и кинематических характеристик в процессе перемещения блоков;

натурные эксперименты отдельных элементов технологии и способов ее реализации в условиях многолетней мерзлоты.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Температура осадочных многолетнемерзлых горных пород -5С и ниже создает достаточную прочность, обеспечивающую формирование крупногабаритного блока, отделение и сохранение его в процессе перемещения с учетом состояния деятельного слоя, обледенения и обводненности скважин.

2. Динамичность крупногабаритного блока зависит от его геометрии, которая определяется формированием треугольной подсечной выработки со стороны откоса с углом наклона более 20, извлечением верхней треугольной призмы, обеспечивающей безопасный угол

откоса внутреннего отвала, при этом высота блока определяется как сумма высоты добычного уступа и ширины его площадки.

1. Угловая скорость перемещения крупногабаритного блока во внутренний отвал является циклически нарастающей и адекватно характеризуется четырьмя стадиями вращения: первой, когда блок выводится из состояния равновесия за счет приложенной нагрузки; второй, третьей и четвертой, когда блок движется с ускорением за счет накопленной кинетической энергии, при этом максимальная скорость возникает в конце третьей стадии.

2. Параметры блока, обеспечивающие эффективное управление технологическими процессами отделения и самоперемещения блока, характеризуются следующими значениями: показатель подсечки 0,4-0,55, угол подсечки более 40; ширина блока не более 2/3 его высоты; место приложения усилия для выведения блока из состояния равновесия 0,6 - 0,7 высоты блока; угол верхней треугольной призмы определяет угол внутреннего отвала.

3. Критерием оптимальности параметров крупногабаритного блока является соответствие высоты блока к сумме высоты добычного уступа и ширины его площадки, при которых блок сохраняет динамичность во всех стадиях перемещения.

4. Удельный расход ВВ на образование единицы площади откола в осадочных многолетнемерзлых горных породах составляет 0,6 -0,64 кг/м². при этом направленный раскол и сохранность блока от взрывного дробления обеспечиваются при расстоянии между оконту-ривающими скважинами 10-12 диаметров заряда, а при использовании зародышей трещин до 20 диаметров заряда.

5. Основные факторы, определяющие рациональные схемы и параметры буровзрывных работ при формировании и отделении крупногабаритных блоков, включают угол откоса внутреннего отвала, показатель подсечки, состояние деятельного слоя и потенциальную энергию, необходимую для выведения блока из состояния равновесия в первой стадии вращения.

6. Совмещенные во времени и пространстве технологические схемы ведения вскрышных работ с внутренним отвалообразованием крупногабаритными блоками обеспечивают увеличение вместимости внутреннего отвала на 21-24%.

Научная новизна работы заключается в следующем: - установлении температурного режима осадочных многолетне-мерзлых пород, при котором обеспечивается формирование крупнога-

баритных блоков, отделение и сохранение их в процессе перемещения;

установлении основных факторов, определяющих динамику перемещения крупногабаритных блоков;

установлении цикличности нарастания угловой скорости крупногабаритного блока в процессе перемещения;

обосновании параметров блока, обеспечивающих эффективное управление технологическими процессами отделения и перемещения;

установлении критерия оптимальности соотношения параметров крупногабаритного блока и забоя;

установлении расстояния между скважинами оконтуривающего ряда, при котором обеспечивается откол и сохранность блока от взрывного дробления;

обосновании основных факторов, определяющих рациональные параметры буровзрывных работ при формировании и отделении крупногабаритных блоков;

разработке технологии ведения горных работ крупногабаритными блоками, обеспечивающих увеличение вместимости внутреннего отвала на 21 - 24%.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

удовлетворительной сходимостью результатов теоретических, лабораторных и экспериментальных исследований;

статистической обработкой результатов измерений, параметров физического моделирования и производственных экспериментов;

доказательством научных положений и выводов аналитическими расчетами и сопоставительным анализом конкретных примеров;

апробацией технологии формирования, отделения и перемещения крупногабаритных блоков на разрезах ГП "Якутуголь" и положительными результатами использования рекомендаций при разработке россыпных месторождений.

Личный вклад автора состоит:

в установлении влияния прочности мерзлых пород на формирование и перемещение крупногабаритных блоков;

в установлении геометрической формы крупногабаритного блока, обеспечивающей его самоперемещение во внутренний отвал;

в установлении цикличности нарастания угловой скорости крупногабаритного блока в процессе его перемещения;

в типизации горно-геологических условий угольных и россыпных месторождений, разработке оптимальных параметров блока,обес-

печивающих эффективное управление технологическими процессами;

в установлении критерия оптимальности соотношения параметров крупногабаритного блока и забоя;

в обосновании параметров расположения скважин оконтуриваю-щего ряда, обеспечивающих направленный раскол осадочных много-летнемерзлых пород;

в обосновании группы основных факторов, определяющих рациональные параметры буровзрывных работ при формировании крупногабаритных блоков;

в разработке технологических схем ведения горных работ крупногабаритными блоками.

Практическая ценность работы состоит в том, что результаты исследований позволяют:

формировать крупногабаритные блоки, отделять и сохранять их с учетом состояния деятельного слоя;

установить динамичную форму крупногабаритного блока;

использовать методы расчета оптимального соотношения параметров блока и забоя для обеспечения самоперемещения крупногабаритного блока во внутренний отвал, при разработке нормативных материалов и рекомендаций проектным, научно-исследовательским организациям и горнодобывающим предприятиям;

управлять технологическими процессами отделения и самоперемещения блока;

обосновать параметры направленного раскола осадочных мно-голетнемерзлых пород;

использовать технологические принципы, методические положения и программные средства для перемещения основного объема вскрыши крупногабаритными блоками, обеспечивающими увеличение вместимости внутреннего отвала.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Материалы диссертационной работы переданы Министерству охраны природы Республики Саха (Якутия), Мостостроительному управлению Амуро-Якутской автодороги, АК "Алмазы России-Саха", Харбалахскому разрезу. Министерству промышленности PC(Я), использованы при составлении "Концепции развития угольной промышленности Республики Саха (Якутия)", "Методических рекомендаций по обоснованию параметров технологии ведения вскрышных работ крупногабаритными блоками", учебного пособия "Основы технического творчества", в проектных проработках института "Якутзолотопроект", учебном процессе.

Фактический экономический эффект составил 319,44 млн рублей, ожидаемый - 1790 рублей на 1 м³ вскрыши.

Апробация работы. Основное содержание работы и научные положения докладывались на Всесоюзных и Всероссийских конференциях -г.Москва (1S81 г., 1993 г.), г.Красноярск (1984 г.), г. Магадан (1987 г.), г. Новосибирск (1988 г.); Республиканских научно-технических конференциях - г. Якутск (1982 г., 1984 г., 1986 г.), г.Нерюнгри (1984 г.,1996г.); неделях горняка - г.Москва (1994г.. 1995 г., 1996 г.); Международных конференциях и выставках -г.Москва (1994). г. Якутск (1996 г.), Варна (1995 г.).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 30 работах, в том числе 4 изобретения, 1 монография.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения. 7 глав, заключения, списка литературы из 203 наименований, содержит 434 страницы машинописного текста, включая 29 таблиц, 103 рисунка и 48 страниц приложений.