Содержание к диссертации
Введение
1. Общие сведения о месторождениях осадочных горных пород и особенностях технологии их открытой разработки 9
1.1.Месторождения осадочных карбонатных пород
1.2, Месторождения глинистых пород [3
1.3, Современное состояние и перспективы развития технологий открытой разработки месторождений осадочных пород
Выводы 22
2. Безвзрывные технологии разработки крепких горных пород на карьерах 23
2.1. Анализ способов разрушения крепких пород 23
2.2. Условия эффективного применения машин послойного фрезерования 32
2.3. Оценка эффективного применения машин послойного фрезерования на карьерах 35
2.4. Выводы 39
3. Схемы отработки забоя фрезерным комбайном 40
3.1. Обоснование схем ведения горных работ при использовании фрезерного комбайна
3.2. Схемы ведения горных работ при транспортных системах открытой разработки 63
3.3. Схемы ведения горных работ при бестранспортных системах открытой разработки 72
3.4, Схемы работы комбайна при постановке борта в конечное положение
3.5, Схемы селективной выемки фрезерным комбайном
3.6, Выводы 87
4. Экономическая эффективность применения машин послойного фрезерования при разработке жирновского месторождения известняков
4.1 Основные параметры и элементы участка «Хорошевский» Жирновского месторождения 89
4.2. Обоснование модели фрезерного комбайна «Wirtgen» и технологической схемы его работы для условий участка «Хорошевский» Жирновского месторождения
4.2.1. Ведение добычных работ на участке «Хорошевский»
при использовании фрезерного комбайна Wirtgen 2600SM 98
4.2.2- Погрузка известняка в автосамосвалы фрезерным комбайном Wirtgen 2600SM 99
4.3. Обоснование экономической эффективности внедрения комбайна «Wirtgen» 2600SM 100
4.4. Выводы
Заключение 112
Список литературы
- Современное состояние и перспективы развития технологий открытой разработки месторождений осадочных пород
- Условия эффективного применения машин послойного фрезерования
- Схемы ведения горных работ при транспортных системах открытой разработки
- Обоснование модели фрезерного комбайна «Wirtgen» и технологической схемы его работы для условий участка «Хорошевский» Жирновского месторождения
Введение к работе
При разработке месторождений полезных ископаемых, представленных скальными породами, традиционным является буровзрывной способ подготовки горных пород к выемочно-погрузочным работам, но в последние годы вес большее распространение на карьерах получает безвзрывная тонкослоевая выемка горных пород с помощью фрезерных комбайнов, так как буровзрывные работы имеют ряд недостатков: опасность ведения горных работ по сейсмике; повышенное пыле- и газовыделение; опасность разлета осколков; попадание продуктов химического распада ВВ (нитратов) в грунтовые воды, реки и водоемы; подготовка пород к выемке является дорогостоящим (до 1/3 затрат на горные работы) и трудоемким процессом.
Выемка же горных пород с помощью фрезерных комбайнов позволит повысить безопасность работ, улучшить качество добываемого сырья, получать конечный продукт прямо в забое, а, следовательно, отказаться от дорогостоящего буровзрывного способа рыхления и вторичного дробления сырья перед отгрузкой на дробильно сортировочную и обогатительную фабрику. Кроме того, в значительной мере снижается отрицательное воздействие на окружающую среду.
Важным является вопрос о чистоте и полноте выемки полезного ископаемого из недр. Невозможность обеспечить в результате использования взрывных технологий тонкослоевую выемку приводит к тому, что значительные мощности (0,3-4,0 м - в зависимости от горно-геологических условий) пропласткн с очень низким качеством или вообще вмещающие породы включаются в полезную толщу. Одновременно при отработке полезного ископаемого выемка без потерь качества невозможна, в результате чего зачастую извлекаемые пласты относятся к некондиционным. Решение этой проблемы в значительной степени может обеспечить послойно-полосовая безвзрывная технология отработки массивов горных пород с возможностью
использования различного карьерного транспорта и селективной выемки полезного ископаемого.
Цель диссертации - повышение эффективности и безопасности разработки сложно структурных месторождений карбонатных пород с использованием современной выемочно-погрузочной техники, основанной на послойном фрезеровании, вместо более опасного, трудоемкого и отрицательно воздействующего на окружающую среду традиционного буровзрывного способа подготовки горных пород к выемке.
Идея работы - селективная разработка сложноструктурных залежей с перемежающимися тонкими пропластками полезных ископаемых и других пород, может быть экономически целесообразной при использовании новой технологии, основанной на применении машин послойного фрезерования.
Задачи исследования:
1 - Определить возможную область применения механических способов разрушения и выемки скальных горных пород.
Провести сравнительный анализ существующих машин различных конструкций; с режущими долотами, колесами, вращающимися фрезами, способными работать по безвзрывньш технологиям в торцевых забоях или при помощи послойно-слоевого фрезерования на горизонтальных или на наклонных площадках.
Разработать и обосновать технологические схемы работы машин послойного фрезерования.
Определить экономическую эффективность применения машин послойного фрезерования для условий участка карьера Хорошевский Жирновского месторождения известняков.
Основные научные положения, представленные к защите:
Из всех существующих безвзрывных технологий открытой разработки карбонатных пород наиболее экономичной и предпочтительной является послойно-полосовая комбайновая выемка, которая отличается от других механических способов низкими трудо-(на 25-30%), металло- (на 20-54%) и энергоемкостями (на 40-42%),
Выбор варианта цикличной схемы работы комбайна (челноковая - с фрезерованием в одном направлении, или с разворотом и фрезерованием в обоих направлениях) зависит от длины фронта работ, при этом первая схема должна применяться, если время обратного холостого хода меньше времени разворота при второй схеме, которое зависит от технической характеристики машины послойного фрезерования,
Схема работы комбайна по передвигающейся петле, определяющая поточную технологию с непрерывным фрезерованием, возможна для использования на больших фронтах горных работ, а её осуществление для комбайна «Wirtgen 2600 SM» на карьере ОАО «Руда» Жирновского месторождения позволит снизить себестоимость добычи и транспортировки известняков по сравнению с применением в настоящее время мехлопат ЭКГ-5 на 40%,
Научная новизна работы заключается в установлении зависимости рациональной длины фронта работ от ширины фрезерного барабана, определяющего радиус разворота комбайна для цикличных схем работы комбайна: челноковой - с фрезерованием в одном направлении и обратным холостым ходом; с разворотом в конце рабочего хода и фрезерованием в обоих направлениях.
Методы исследований. Для рассмотрения поставленных задач использовались: методы научного анализа, теоретических исследований и практики проектных и производственных организаций; горно-геометрические расчеты; метод вариантов для сравнения и выбора технологических схем безвзрывной разработки месторождений полезных ископаемых.
Достоверность научных положений подтверждается большим объемом проанализированной и обобщенной исходной информации по отработке карьерного поля, получением удовлетворительной сходимости результатов расчетов с практикой проектирования и эксплуатации карьеров.
Практическая значимость работы заключается в разработке технологических схем использования машин послойного фрезерования для транспортных и бестранспортных систем открытой разработки, при постановке борта карьера в конечное положение, при проходке съездов, а также для селективной выемки тонких пластов полезного ископаемого из сложноструюурных залежей.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и получили положительную оценку на Всероссийских научных конференциях молодых ученых «Полезные ископаемые России и их освоение» (г. Санкт -Петербург, СПГГИ (ТУ), 2003-2006 г.г\), на IX Международной конференции «Экология и развитие общества» (г. Санкт - Петербург, 2005 г).
Публикации, По теме диссертации опубликовано 6 работ,
Струюура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения общим объемом 121 страницы, содержит 30 таблиц и 35 рисунков, а также список литературы из 95 наименований.
Общей теоретической базой работы послужили труды ведущих ученых России в области открытых горных работ, рационального использования природных ресурсов карьерного поля, современных технологий горного производства академиков АН СССР и РАН Н.В. Мельникова [45], Н.Н. Мельникова [46], В.В. Ржевского [66-69], К.Н. Трубецкого [79-84], чл.-корр. РАН А.А. Пешкова [65], B.JL Яковлева [95], профессоров Ю-И, Анистратова [9-12], А.И. Арсентьева [13], Ж.В, Бунина [18,24], Ю.Д. Буянова [27-28], В.Б. Добрецова [33], ЮТ. Карасева [39-40], Ю.Е. Калугина, ГШ. Томакова [76-77], СИ. Фомина [85], ТА. Холоднякова [13,36,87], B.C. Хохрякова [88-S9], И.Б, Шлайна [92], О.В. Шпанского [93-94], кандидатов наук А.П. Бульбашева [19-
23], РХ. Буткевича [25-26], В,П. Линева, А.Р. Литвинова[44], Ю.Б. Панкевича [32,41,52-63, 75] и др.
Автор приносит искреннюю благодарность научному руководителю профессору Г.А. Холоднякову, развитие идей которого, постоянное внимание и помощь способствовали успешному выполнению работы, доцентам кафедры Д.Н. Лигоцкому и Д.В. Борисову, а также сотрудникам кафедры РМПИ за практические советы при написании диссертации.
Современное состояние и перспективы развития технологий открытой разработки месторождений осадочных пород
Наиболее часто разработка карбонатных пород осуществляется валово без сортировки, когда вся взорванная горная масса транспортируется на переработку. Валовая выемка, обеспечивая высокую производительность экскавации и транспортировки, не является эффективной при разработке сложно-структурных карбонатных месторождений. Это обусловлено большими расходами на транспортирование и переработку горной массы, после которой до 30% направляется в отвал. Поэтому в последнее время при разработке пород стали использовать схемы с селективной выемкой. Все способы разработки однородной толщи карбонатных пород с валовой или раздельной выемкой связаны с взрывной подготовкой массива для эффективной работы следующих технологических процессов - экскавации и транспортирования. Поэтому в последнее время получает распространение безвзрывная схема разработки пород, которая состоит в последовательном рыхлении площади массива полезного ископаемого с помощью тяжелых тракторных рыхлителей; машин -рыхлителей ударного типа; специальных машин, рассчитанных на получение мелких кусков породы [9,10,23,73].
Наиболее полно условиям механизации раздельной разработки сложно-структурных месторождений карбонатных пород отвечают тракторные комплексы оборудования, которые предусматривают применение навесного оборудования на тягачах. Рыхление пород при этом осуществляется безвзрывным способом с использованием механического рыхления. Возможно также использование тракторно-экскаваторных комплексов, при которых предусматривается совместное использование одноковшовых экскаваторов и тракторных тягачей с навесным оборудованием. Тракторные агрегаты рыхлят породу, перемешают её в пределах добычного блока и укладывают в штабель для последующей погрузки экскаватором [7,25,71]. На условия применения различных схем влияют следующие основные факторы: уклон поверхности забоя; угол откоса рабочего уступа; расположение заходки относительно фронта работ; "S способ отработки заходки и расположение транспортного горизонта. В зависимости от уклона поверхности забоя возможна отработка уступа горизонтальными (при угле падения пластов до 20) и наклонными (при угле падения свыше 20) слоями.
Угол откоса уступа может быть нормальным и выположенным, В первом случае он принимается максимальным (до 70 - 80), во втором выполаживается до 10- 15.
Одной из самых актуальных задач открытой разработки является внедрение безвзрывных технологий выемки скальных горных пород, которые позволяют не только снизить расходы взрывчатых веществ, повысить безопасность в процессе их использования, транспортировки и хранения, но и решить ряд проблем, связанных с обеспечением качества полезного ископаемого, разработкой комплексных месторождений, а также с загрязнением окружающей среды [9,19,21,25,32].
Необходимость снижения неблагоприятного воздействия на окружающую среду таких факторов как ударные волны, шум, пыль или разлет кусков взорванных пород, а также повышение безопасности производства и производительности труда, контроля фракционного состава взорванных пород являются решающими факторами в пользу альтернативных методам способов разработки скальных пород [42,62,63]. Кроме того, стандартное выемочное оборудование для производства открытых горных работ не обеспечивает эффективную селективную разработку сложноструктурных залежей минерального сырья, что приводит к его потерям и засорению в процессе выемки, увеличению масштабов производства работ и, как следствие, увеличению площадей нарушенных земель [25,26,31].
В настоящее время в России по безвзрывной технологии для разработки скальных горных пород начали успешно применять комбайн на Афанасьевском карьере известняков в Подмосковье и на Талдинском угольном разрезе в Кузбассе,
С помощью карьерных комбайнов можно внедрить поточную технологию отработки месторождения с различной структурой и крепостью слагающих пород. Комбайновая выемка, в отличие от способа с применением буровзрывных работ? совмещает в одном процессе отбойку, дробление и погрузку пород. Наряду с экономическими преимуществами, этот способ обеспечивает разработку пород и необходимый для поточной технологии фракционный состав горной массы за счет более эффективного использования кливажа и создаваемых комбайнами при отработке слоев обнажений, высотой, равной мощности фрезеруемого слоя, образующихся при параллельных проходах комбайна в процессе разработки массива [9],
Условия эффективного применения машин послойного фрезерования
В настоящее время в горной промышленности существенно ограничены инвестиции, поэтому одной из важнейших задач является совершенствование технологии, в которой используется оборудование с уменьшенными линейными размерами. Такое оборудование (табл. 2.6) имеет меньшие удельные метало- и энергоемкость, а следовательно оно значительно дешевле.
Таким образом, современные технологии разработки скальных пород на карьерах в основном базируются на применении буровзрывных работ.
Механические способы разрушения используются в ограниченном объеме, преимущественно при разработке осадочных пород. Различными компаниями предложено значительное количество машин, которые способны разрушать скальные породы. Многие из этих машин способны выполнять несколько технологических процессов. Наиболее надежным и экономичным является комбайн, у которого рабочий орган жестко прикреплен к корпусу,
При конструировании и разработке новой техники и технологии открытых горных работ приоритетное значение придается решению проблем ресурсосбережения, полноты и качества выемки полезного ископаемого, снижению затрат, росту производительности труда и исключению из технологического цикла производства горных работ процессов, оказывающих негативное влияние на состояние окружающей среды, снижению рисков производственного травматизма [20,23,32,44].
Решение этих проблем в значительной степени могут обеспечить послойно-полосовые безвзрывные технологии отработки массивов горных пород с возможностью использования конвейерного транспорта и селективной выемки полезного ископаемого [49,60,63]
Техническое обеспечение таких технологий представляется возможным за счет использования машин типа «Surface Miner» (SM).
Последние десятилетия характеризуются активным поиском оптимальных конструктивно-компоновочных решений при создании различными машиностроительными фирмами экскавационной техники класса SM.
В соответствии с перспективными идеями создан целый класс машин нового типа «Континиус Сэфис Майнер» (CSM) для безвзрывной высокоселективной отработки полезного ископаемого и вскрышных пород. Технология производства открытых горных работ с использованием машин нового технического уровня в наибольшей мере удовлетворяет требованиям ресурсосбережения, обеспечивает минимизацию экологической нагрузки, полноту извлечения и высокое качество минерального сырья.
При проектировании машин CSM используется принцип отбойки горных пород «холодными» фрезами, заимствованный из металлообработки и получивший широкое применение в конструкциях подземных проходческих комбайнов. Рабочие органы машин осуществляют отбойку полезного ископаемого посредством резцов различных конструкций [21,25].
Согласно расчетам применение машин CSM на карьерах позволит: - улучшить потребительские качества полезного ископаемого за счет регулирования гранулометрического состава отбиваемого материала; - резко уменьшить засоренность полезного ископаемого и, как следствие, снизить (в 1,5 2,5 раза) объемы вторичных переделов; - исключить комплекс буровых и взрывных работ; - сохранить качество и природные характеристики минерального сырья; - снизить затраты на транспортирование и добычу; - обеспечить возможности извлечения попутных полезных ископаемых из вмещающих пород; - повысить качество формирования стационарных бортов на предельном контуре.
В зависимости от конструкции и способа работы машины CSM можно подразделить на следующие типы; шнеково-фрезерные машины; машины с роторньши колесами, расположенными спереди или сзади машины; стреловые фрезерные комбайны; фронтальные роторные агрегаты.
Применение машин этих типов предполагает послойную выемку природного массива с использованием забоев-площадок. При фрезеровании (выемке) машины перемещаются по фронту со значителыюй скоростью (от 5 до 15м/мин). Ряд моделей предназначен для разработки торцевого забоя. Рабочий орган таких машин обычно устанавливается на штангах или стреле (характерный пример -комбайн VASM производства фирмы «Voest Alpine»).
Машины VASM оснащены широкозахватным рабочим органом относительно небольшого диаметра, расположенным на подвижной в вертикальной плоскости стрелы. Вращение рабочего органа, имеющего возможность возвратно-поступательного движения в горизонтальной плоскости, осуществляется по часовой стрелке в направлении от кровли уступа в сторону его подошвы.
Схемы ведения горных работ при транспортных системах открытой разработки
При рассмотрении условий разработки месторождений полезных ископаемых фрезерными комбайнами можно выделить следующие случаи[62]; 1. Мощные и весьма мощные залежи с отработкой нагорных и глубинных горизонтов, а также залежи средней мощности с однородным полезным ископаемым. 2, Сложноструктурные маломощные залежи с горизонтальным залеганием, а также наклонные (5 - 20е). 3- Крутонаклонные залежи (20 - 90) с отработкой по простиранию и вкрест простирания.
К первой группе месторождений относятся однородные месторождения полезных ископаемых (известняк, доломит, мергель и т.п.) и в зависимости от условий могут разрабатываться по схемам, предложенным выше. Отработка нагорных месторождений будет осуществляться полутраншеями, для этого необходима площадка, подготовленная бульдозером, шириной, позволяющей безопасно осуществлять разворот фрезерного комбайна (рис 3-14).
Для второй и третьей групп месторождений характерна разработка каждого слоя (полезное ископаемое или пропласток) отдельно, практически без потерь и засорения.
При отработке наклонных залежей с углом падения от 5 до 10 возможна следующая схема работы (рис. 3.15). Участок месторождения делится на равные блоки (на блоки А и Б). Ширина блока определяется техническими характеристиками комбайна — максимальным радиусом отсыпки и делится на проходы, равные ширине рабочего органа экскаватора. Комбайн работает по одной из возможных схем (челноковая или с разворотом), что зависит от горнотехнических условий (длины фронта работ, мощностью слоев полезного ископаемого и прослойков пустых пород, шириной участка месторождения). Полезное ископаемое или другие породы отсыпаются в штабель, который организуется следующим образом, В центре блока проходится первый проход, при этом разгрузочный конвейер направлен назад, что бы отсыпка велась строго позади хода комбайна. При последующих проходах на блоке конвейер должен располагаться под различными углами, чтобы образовывался компактный штабель. По мере формирования штабеля полезного ископаемого или пород осуществляется отгрузка погрузчиком до автосамосвала который располагается на горизонтальной площадке. Данная схема также применима к слабонаклонным и горизонтальным залежам, а также с использованием конвейерного транспорта или бункера (передвижного или полу стационарного).
При отработке горизонтальных и слабонаклонных залежей возможна организация подуступов высотой, равной мощности слоя полезного ископаемого или прослойков пород другого качества, которые последовательно отрабатываются. В этих условиях могут применяться обычные автосамосвалы [6].
При разработке месторождений, представленных пластами, залегающими под углами около 20 применима следующая схема ведения горных работ. Комбайн работает по челноковой схеме без создания врубовых выработок на наклонной площадке с непосредственной загрузкой в автосамосвал, который располагается на горизонтальной или слабонаклонной площадке, подготавлеемой бульдозером, которая равна длине рабочего хода комбайна.
Схема отработки наклонных залежей до 10
При этом автосамосвал при погрузке перемещается по площадке задним ходом вслед за комбайном (рис. ЗЛ6). Работа комбайна на наклонных площадках по падению пластов позволит разрабатывать каждый технологический слой (полезное ископаемое и пропласток) отдельно, практически без потерь и засорения.
На рисунке 3.17 показана поэтапная отработка двух наклонных залежей с углом падения 20 - 25 с погрузкой в автосамосвал. Проходов комбайна в одном слое: 1 и 2 проход - вскрытие верхнего пласта полезного ископаемого, 3 — отработка полезного ископаемого верхнего пласта; 4, 5 проходы вскрытие нижнего пласта полезного ископаемого; 6? 7 отработка полезного ископаемого нижнего пласта.
При разработке крутопадающих месторождений, где полезное ископаемое представлено одним или несколькими пластами необходима следующая организация горных работ (рис. ЗЛ8): - вскрытие добычного горизонта (слоя) осуществляется вскрышными проходами по простиранию залежи (рис. 3.18 а); - развитие добычных и вскрышных работ вкрест простирания (рис. 3,18.6)
В условиях бестранспортной системы разработки ширина вскрышной и добычной заходок определяется линейными параметрами вскрышного экскаватора-драглайна и мощностью перемещаемых в выработанное пространство покрывающих пород и составляет, как правило, 30 - 50 м, [58]. Производительность вскрышной машины (как правило, это драглайн) должна быть больше или равна производительности добычного комбайна. Поэтому целесообразнее применение схемы с небольшой длиной фронта работ, т.е челноковой схемы [54,55].
При разработке сложноструктурных залежей с тонкими пластами в верхней части необходимо работать с использованием автосамосвала, В других случаях применима бестранспортная система разработки.
При разработке горизонтального или пологопадающего пласта принципиальная организация горных работ следующая: добычная заходка делится на два (или более) равных блока, ширина которых определяется максимальным радиусом разгрузки конвейера комбайна, для перемещения пустых пород (слой зачистки или прослойки) в выработанное пространство.
Обоснование модели фрезерного комбайна «Wirtgen» и технологической схемы его работы для условий участка «Хорошевский» Жирновского месторождения
1, Условиям эксплуатации карьера ОАО «Руда» Жирновского месторождения участка «Хорошевский» удовлетворяет комбайн Wirtgen 2600 SM при работе по поточной схеме передвигающейся петлёй,
2, При сменной производительности карьера 800 м3 известняка, один комбайн Wirtgen 2600 SM будет загружен на 85 %, а образующегося запаса его возможносгей хватит для подготовки врубовых выработок этим комбайном по менее производительной челноковой схеме,
3, Внедрение безвзрывной технологии с применением фрезерного комбайна Wirtgen 2600 SM на карьере ОАО «Руда» позволит снизить себестоимость добычи и транспортировки известняка по сравнению с традиционной технологией горных работ на 40 %, а следовательно получить дополнительную прибыль в размере 13 млн, руб. в год. Диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в которой на основе установленных зависимостей рациональной длины фронта работ от параметров машин послойного фрезерования обоснованы различные цикличные и поточные схемы безвзрывной комбайновой технологии открытой разработки сложноструктурных месторождений карбонатных горных пород, имеющей существенное значение для рационального использования минеральных ресурсов карьерного поля.
Основные научные результаты и выводы заключаются в следующем.
1. Установлено, что из всех существующих безвзрывных технологий открытой разработки карбонатных пород наиболее экономичной и предпочтительной является послойно-полосовая комбайновая выемка, которая отличается от других механических способов низкими трудо-(на 25-30%), метало- (на 20-54%) и энергоемкостями (на 40-42%),
2. Разработаны технологические схемы использования машин послойного фрезерования для транспортных и бестранспортных систем открытой разработки, при постановке борта карьера в конечное положение, при проходке съездов, а также для селективной выемки тонких пластов полезного ископаемого из сложноструктурных залежей.
3. Впервые предложена зависимость, определяющая рациональную длину фронта работ для всего типажного ряда фрезерных комбайнов, работающих по челноковой схеме и, - с разворотом и фрезерованием в обратном направлении.
4. Установлено, что минимальная выемочная мощность пласта полезного ископаемого при послойном фрезеровании комбайнами зависит от угла падения залежи, от высоты уступа и от выемочного оборудования и может изменяться от 1 до 60 см вместо 2 м при использовании традиционных мехлопат.
5. Обоснована возможность увеличения запасов известняка за счет уменьшения кондиционной мощности пласта до 60 см в карьере № 3 на 14%.
6. Рекомендованы параметры системы разработки для карьера №3 «Руда» с учетом технической характеристики комбайна Wirtgen 2600 SM и схемы его действия по передвигающейся петле.
7. Экономическая эффективность от внедрения безвзрывной технологии с применением фрезерного комбайна Wirtgen 2600 SM на карьере ОАО «Руда» позволит снизить себестоимость добычи и транспортировки известняка по сравнению с традиционной технологией горных работ на 40 %, а следовательно получить дополнительную прибыль в размере 13 млн. руб. в год
