Содержание к диссертации
Введение
1 Современное состояние проблемы открытой разработки рудных месторождений в сложных гидрогеологических условиях 5
1.1 Цель, идея и основные задачи работы 5
1.2 Современное состояние проблемы разработки железорудных месторождений открытым способом в сложных горногеологических условиях 9
1.3 Обоснование создания технологии открытой разработки железорудных месторождений в сложных гидрогеологических условиях 16
2 Формирование рабочей зоны карьера в сложных гидрогеологических условиях 22
2.1 Анализ горногеологических и горнотехнических условий открытой разработки железорудного месторождения «Тхач-Кхе» 22
2.2 Порядок формирования рабочей зоны, обеспечивающий достижение установленной производительности карьера по руде 30
2.3 Обоснование технологии отработки дна карьера в условиях обводнённых железорудных месторождений Вьетнама 44
2.4 Выводы по главе 2 54
3 Определение параметров технологии открытой разработки железорудных месторождений вьетнама в условиях повышенной обводненности 55
3.1 Определение скорости углубки карьера с учетом сложных гидрогеологических условий разработки 55
3.2 Организация горных работ при реализации технологии добычи руды в сложных гидрогеологических условиях Вьетнама 61
3.3 Технологические мероприятия по защите рабочей зоны карьера от водопритоков 71
3.4 Выводы по главе 3 86
4 Реализации технологических схем добычи руды в сложных гидрогеологических условиях открытой разработки железорудного месторождения «ТХАЧ-КХЕ» 87
4.1 Система скважин для защиты рабочей зоны карьера от водопритоков на железорудном месторождении «Тхач-Кхе» 87
4.2 Технологические схемы раздельной выемки горных пород для условий железорудного карьера «Тхач-Кхе» 95
4.3 Обоснование комплекса горнотранспортного оборудования для условий открытой разработки обводнённых железорудных месторождений Вьетнама... 107
4.4 Оценка экономической эффективности реализации технологических рекомендаций по карьеру «Тхач-Кхе» 132
4.5 Выводы по главе 4 139
Заключение 140
Список литературы 143
- Современное состояние проблемы разработки железорудных месторождений открытым способом в сложных горногеологических условиях
- Порядок формирования рабочей зоны, обеспечивающий достижение установленной производительности карьера по руде
- Организация горных работ при реализации технологии добычи руды в сложных гидрогеологических условиях Вьетнама
- Технологические схемы раздельной выемки горных пород для условий железорудного карьера «Тхач-Кхе»
Современное состояние проблемы разработки железорудных месторождений открытым способом в сложных горногеологических условиях
Основными факторами, определяющими развитие горнодобывающей отрасли, являются систематически ухудшающиеся горно-геологические и горнотехнические условия разработки.
Развитие открытого способа разработки сопровождается ростом концентрации производства, увеличением глубины и пространственных размеров карьеров, расстояния и сложности транспортирования горной массы. Определяющим при этом является показатель глубины карьеров.
Выбор того или иного вида механизации для карьеров определяется крепостью разрабатываемых пород, системой разработки, масштабом работ и степенью соответствия вида механизации поточности производства, совмещения и независимости процессов.
На выбор оборудования при формировании структуры комплексной механизации производства горных работ влияют природные, топологические, организационные и экономические факторы:
Природные факторы - крепость горных пород, размеры и условия залегания полезного ископаемого, топография поверхности карьерного поля, климатические условия района.
Технологические факторы - производственная мощность карьера по полезному ископаемому и вскрыше, режим горных работ, соответствующий принятому оборудованию, структуры комплексной механизации.
Экономические факторы - капитальные затраты на приобретение, доставку и монтаж оборудования и расходы по его эксплуатации. Основными являются природные и горнотехнические факторы.
Снижение эффективности горных работ во многом обусловлено тем, что получаемые при разведке месторождений материалы гидрогеологических исследований являются недостаточно полными и качественными, особенно при водопониже-нии на карьерах. Разработка геотехнологии открытой разработки месторождений базируется на обширной теоретической базе и широком круге исследований таких ученых как М.И. Агошков, Ю.И. Анистратов, А.И. Арсентьев, П.П. Бастан, Ж.В. Бунин, СЕ. Гавришев, В.А. Галкин, А.В. Гальянов, Ф.Г. Грачев, П.И. Городецкий, CA. Ильин, Ю.Е. Капутин, Ю.Г. Карасев, В.В. Квитка, B.C. Коваленко, CB. Корнилков, В.Ф. Колесников, А.Н. Косолапов, Н.А. Мацко, Н.В. Мельников, Н.Н. Мельников, М.Г. Новожилов, В.В. Ржевский, СП. Решетняк, О.Н. Салманов, П.И. Томаков, К.Н. Трубецкой, СИ. Фомин, Г.А. Холодняков, B.C. Хохряков, В.Г. Шитарев, О.В. Шпанский, Н.Н. Чаплыгин, Б.П. Юматов, В.Л. Яковлев и др. В работах [3, 77, 78, 79, 83, 87, 88], посвященных рациональному природопользованию при открытой разработке сложноструктурных месторождений цветных металлов, описаны особенности технологии их отработки, приведены классификации, дана краткая характеристика основных типов сложноструктурных месторождений, которая описывает разграничение рудных тел по нескольким признакам. Обоснование применения методики нормирования потерь полезных ископаемых при проектировании открытой разработки месторождений должно основываться на обработке исходных геологических данных по месторождению. Чем ценнее полезное ископаемое, тем большее количество факторов должно быть учтено при нормировании его потерь в проектной документации. Особое внимание следует уделять следующим основным признакам морфологического строения месторождений: форма и размеры рудных тел; характер оруденения; условия залегания; физико-механические свойства горных пород. По этим признакам сложные месторождения могут быть разделены на четыре типа [3, 73, 82, 83, 87].
Первый тип - месторождения с гнездовым характером оруденения, подсчёт запасов по которым производится на основании коэффициента рудоносности. Участки с промышленным оруденением в каждом взрывном блоке выявляются только по данным бурения и опробования взрывных скважин.
Второй тип - месторождения, представленные жилами и линзами неправильной формы. Для этих месторождений характерно самое разнообразное пространственное положение жил и линз переменной мощности, изменчивый характер оруденения и наличие безрудных прослойков. В некоторых случаях рудные линзы в совокупности образуют рудные столбы, которые характеризуются сравнительно низким коэффициентом рудоносности.
Третий тип - месторождения, представленные штокверками - рудными телами неправильной формы с прожилково-вкрапленным, весьма неравномерным характером оруденения. Границы между рудой и вскрышными породами очень часто визуально неразличимы.
Четвертый тип - месторождения, представленные пластообразными рудными телами переменной мощности с разными углами падения. Обычно между пластообразными телами имеются прослойки вскрышных пород.
Оценка технологии разработки, проводимая для выбора наиболее рационального способа её реализации, должна производиться по комплексной методике, учитывающей геолого-морфологическое строение сложноструктурных месторождений, затраты на добычу и переработку руды и размер получаемой прибыли [87, 88].
При разработке сложноструктурных месторождений всех типов на каждом горизонте обычно выделяются эксплуатационные блоки, характеризующиеся определенными геолого-морфологическими признаками. Наиболее рациональная технологическая схема горных работ должна выбираться в соответствии с этими признаками. При селективной выемке необходимо в первую очередь учитывать длину и форму контактов между рудными участками и вмещающими породами или некондиционными рудами, так как в приконтактных зонах происходят основные потери и засорение полезных ископаемых.
Порядок формирования рабочей зоны, обеспечивающий достижение установленной производительности карьера по руде
В результате извлечения объема AV и добычи объема АР , рабочий борт карьера займет положение, соответствующее установленной производительности карьера, на момент окончания подготовки (п+1)-го горизонта, а рабочие площадки на уступах сформируются в положение отличное от нормативного.
Таким образом, ширина резервной полосы рабочей площадки на данном горизонте формируется при извлечении объемов горной массы как на данном горизонте, так и на вышележащем. Ширина рабочих площадок на добычных уступах
Горно-геологические условия открытой разработки месторождений Вьетнама характеризуются значительными водопритоками в карьер в сезон дождей. В сезон дождей (100 - 140 дней) интенсивность осадков значительно возрастает, достигая 1400 мм в неделю. Борта карьера и окружающая его территория образуют водосборную площадь, по которой потоки дождевой воды поступают на дно карьера. В этот период карьерный водоотлив не справляется с резко возрастающими притоками при использовании традиционных технологий отработки месторождений и дно карьера затопляется на 10 - 15 м и более. С водой в карьер поступает большой объём породы, смываемый дождями с водосборной площади.
В глубинной части карьера образуются илистые отложения, затрудняющие процесс откачки воды в сухой сезон (до 1,5 мес). В сезон дождей снижается производительность горнотранспортного оборудования и скорость углубки, возникают оползневые явления. Для обеспечения нормальной работы карьерного автотранспорта в нижней части карьера необходимо уменьшать уклоны съездов до 40-50%о, что ведет к увеличению объёмов подготовительных работ. Решение данной проблемы возможно при оптимизации технологии отработки месторождения в сезон дождей за счет формирования водосборных выработок на дне карьера при вскрытии новых горизонтов.
Технология формирования двухуровневой зоны дна карьера, с учётом интенсивности осадков и поступления грунтовых вод в карьер, с использованием различных видов выемочно-погрузочного оборудования, позволяет в конкретных условиях Вьетнама обеспечить: 1. Регулирование процесса сбора воды и водоотлива со дна карьера с помощью зумпфа и насосной станции, размещаемой на понтоне. 2. Безопасную эксплуатацию съездов, без значительного уменьшения технологического уклона. 3. Обеспечение необходимой скорости углубки карьера и времени подготовки новых горизонтов. 4. Способность эффективно проводить добычные работы при затоплении дна карьера в сезон дождей.
Существуют технологические ограничения, связанные с возможностью водоотлива в период пиковых поступлений воды в глубинную часть карьера в сезон дождей. В сезон дождей добычные и вскрышные работы необходимо сосредотачивать преимущественно в относительно сухой толще, выше дна карьера.
В нижней части карьера формируется зумпф для сбора воды, где расположены понтоны, оборудованные насосной станцией, осуществляющей принудительный дренаж. В сухой сезон, после завершения откачки воды, проводится углубка карьера с использованием гидравлических экскаваторов с оборудованием обратная лопата, с удалением илистых отложений на нижних горизонтах. Принятая технология эксплуатации двух нижних горизонтов карьера позволяет обеспечить нормальную работу в течение года, как в сезон дождей, так и в сухой сезон.
Объем работ по подготовке и расширению дна карьера в конце сухого сезона V = Litfytlllp + бд + Ну (ctga + ctgy )], м3 (2.35) где Li - длина нижней площадки (дно) карьера, м; Ну - высота уступа, м; бд - ширина дна траншеи для подготовки горизонта, м; Шр.пм- минимальная ширина рабочей площадки, м; а - угол откоса рабочих уступов, град.; Ф - угол откоса рабочего борта карьера, град.; у - угол откоса борта в нижней части карьера, град. Схема к определению объёма работ по формированию придонного пространства карьера в конце сухого сезона представлена на рисунке 2.9. Шр.п.м
Схема к определению объёма работ по формированию придонного пространства карьера в конце сухого сезона Объём воды, поступающей в нижнюю часть карьера в период пика сезона дождей, не должен превышать объёма формируемых придонных выработок. Таким образом, должно удовлетворяться требование Vi kQmax или Qmax- максимальное количество воды, поступающей в пик сезона дождей в нижнюю часть карьера, м3. Основной объём дождевой воды в прилегающем к горному отводу районе перехватывается промежуточной системой дренажных канав. В нижней части карьера выработки принимают ливневые стоки воды, вытекающие из дренажных систем. Дренажные насосные системы, даже при непрерывной работе, не обеспечивают предохранение дна карьера от затопления в период пиков сезона дождей.
Организация горных работ при реализации технологии добычи руды в сложных гидрогеологических условиях Вьетнама
Результаты опытных откачек позволили вычислить только значения водопроводимости, поэтому коэффициенты фильтрации определялись на различных участках этого водоносного горизонта посредством деления значений водопроводимости на соответствующую мощность водоносного пласта. Определенные таким образом коэффициенты фильтрации статистически более или менее корректны, и могут использоваться при гидрогеологических расчетах как наиболее достоверно соответствующим натурным условиям.
Водопроводимость скальных пород в плане неоднородна и изменяется от 10,0 - 46,0 м2/сут. (к западу и югу от месторождения) до 1660,0 - 2588,0 м2/сут. (на востоке). К северу от месторождения водопроницаемость уменьшается с 1558,0 до 359,0 м2/сут. В северо-восточном направлении наблюдается высокопроницаемая зона с водопроводимостью до 2588,0 м2/сут., простирающаяся от будущего карьера в шельфовую область. С существованием этой зоны будет связана большая часть притока подземных вод в карьер через рассматриваемый водоносный горизонт.
В районе месторождения абсолютные отметки статического уровня напорного верхнего водоносного горизонта скальных пород изменяются от 0,5 до 3,0 м, что соответствует глубинам от дневной поверхности 1,0 - 5,0 м. Питание рассматриваемого водоносного горизонта осуществляется по всей площади его распространения за счет нисходящей фильтрации из вышележащих водоносных горизонтов, а также в зоне обнажения гранитного штока на западе.
Нижний водоносный горизонт скальных пород выделен в соответствии с общими геологическими соображениями основывающиеся на том, что карстовые проявления - полости, а также структурные проявления - трещины и расщелины, - постепенно ослабевают с увеличением глубины.
В действительности, по результатам разведки можно сделать вывод об уменьшении трещиноватости и водообильности скальных пород с глубиной. По результатам выполненных откачек нижняя часть водоносной формации скальных пород проницаема менее чем верхняя. Только в двух поисково-разведочных буровых скважинах были обнаружены карстовые полости на глубинах от 200,0 до 300,0 м ниже уровня моря, и одна буровая скважина - в интервале от 300,0 до 400,0 м ниже уровня моря.
Статистически эта информация не показательна, однако ввиду отсутствия другой достоверной информации было сделано допущение, что проницаемость скальных пород выделенного нижнего водоносного горизонта существенно ниже вышележащего водоносного горизонта и в среднем составляет 10,0 - 15,0 м2/сут.
Кровля нижнего водоносного горизонта скальных пород соответствует подошве выделенного верхнего водоносного горизонта и в пределах рассматриваемой территории находится на глубинах от 130,0 - 156,0 м (западная часть) до 225,0 - 235,0 м (восточная часть). Нижняя граница рассматриваемого водоносного горизонта принята на отметке -450,0 м. Мощность нижнего водоносного горизонта в разных частях месторождения неодинаковая и изменяется от 215,0 до 305,0 м.
Поверхность гидроизопьез, условия питания и разгрузки нижнего водоносного горизонта скальных пород полностью совпадают с вышележащим водоносным горизонтом.
Распространение водоносных горизонтов покровных отложений и скальных пород в шельфовой зоне не исследовано, так как нет данных геологии морского дна залива Бак Бо. Однако, согласно исследованиям, выполненным фирмой "Rheinbraun Engineering", все данные по водоносным горизонтам достаточно корректно могут быть экстраполированы в прибрежную зону на расстоянии не менее 3,0 км.
В естественных условиях в районе месторождения на режим подземных и поверхностных вод влияют приливы и отливы со стороны моря. В ходе гидрологических исследований были установлены следующие величины разности между приливными и отливными уровнями воды в заливе Бак Бо: в среднем - 1,56 м; минимум - 0,14 м; максимум - 2,60 м.
Указанные изменения уровня воды влияют на подземные и поверхностные воды. Пьезометры, установленные в различных водоносных горизонтах, показывают распространение колебаний уровня воды в море внутрь материка. Амплитуды колебания показаний пьезометров имеют наиболее выраженный характер в районе побережья и ослабевают по мере удаления от моря. Кроме того, приливные волны распространяются вверх по течению устья в реке Тхак Донг настолько значительно, что ширина реки колеблется в пределах 100,0 - 150,0 м.
Однако при осушении карьера эти колебания уровня подземных и поверхностных вод будут несоизмеримо меньше по сравнению с гидравлическими градиентами в формирующейся депрессионной воронке. Следовательно, приливно-отливные процессы не окажут существенного влияния на будущие мероприятия по защите карьера от подземных вод. В тоже время, при организации сброса воды из карьера в реку приливно-отливные процессы должны быть учтены.
При открытой разработке месторождений полезных ископаемых очень важно обеспечить устойчивость уступов, бортов карьеров и отвалов и не допустить их деформации в течение всего периода строительства и эксплуатации карьера [3, 16, 18,61].
Из большого числа факторов, от которых зависит устойчивость откосов, определяющей является группа геологических факторов (состав, состояние, строение и свойства горных пород). Эти факторы определяют условия деформации массива и выбор расчетных схем устойчивости откосов, характер противодеформационных мероприятий и величины показателей, закладываемых в расчеты.
Технологические схемы раздельной выемки горных пород для условий железорудного карьера «Тхач-Кхе»
Графики изменения естественных напряжений вскрышных пород (слой 6) от давления автосамосвалов на дорожное полотно по глубине, для различных моделей, представлены на рисунке 4.20. Анализ данных, представленных на рисунках 4.18 - 4.20 показывает, что для вскрышных пород месторождения «Тхач-Кхе», в состоянии хорошего осушения и насыщенных подземных вод, карьерные автосамосвалы грузоподъёмностью 23 - 60 т деформируют при движении карьерные автодороги и съезды на глубину до 5 м.
Тем не менее, до сих пор фирмы CAT, Komatsu, Vovol до настоящего времени производят карьерные шарнирно-сочлененные автосамосвалы с максимальной грузоподъёмностью только до 37 т.
Рыхлые обводненные горные породы, слагающие вскрышные уступы, в состоянии водонасыщения деформируются при движении карьерных автосамосвалов до глубины 5 м. При проведении эффективного осушения глубина деформации значительно снижается. Для автосамосвала модели CAT773F рамной конструкции глубина деформации слоя составляет 3,7 м или более.
Для шарнирно-сочлененных моделей автосамосвалов глубина деформации слоя достигает 2,5 м, из которых для модели D400E деформации распространяются до глубины 2,0 м.
Таким образом, в условиях месторождения «Тхач-Кхе», рыхлые обводненные горные породы, слагающие вскрышные уступы, в состоянии водонасыщения и при осушении верхней поверхности, деформируются до состояния разрушения и оседания.
Дорожная одежда состоит из одного-трех слоев: дорожного покрытия, основания и подстилающего слоя. Покрытие непосредственно воспринимает воздействие колес автосамосвала и защищает конструкцию дороги. Подстилающий слой служит в основном как дренирующий для отвода воды, скапливающейся в земляном полотне.
Для обеспечения нормальных безопасных условий работы карьерного автотранспорта необходимо проводить инженерные мероприятия по укреплению дорожного покрытия постоянных и временных дорог путем покрытия слоем щебня. В результате проведенных исследований установлена необходимая мощность слоя щебня для покрытия карьерных автодорог (для автосамосвалов грузоподъёмностью до 25 т) 60 см.
При выборе модели экскаватора для ведения открытых горных работ определяющее значение имеет её соответствие параметрам системы разработки месторождения, основным из которых является высота уступа, которая регламентируется правилами безопасности при разработке месторождений полезных ископаемых открытым способом.
При использовании карьерных экскаваторов высота уступа не должна превышать максимальную высоту черпания экскаватора. При разработке пород с применением буровзрывных работ допускается увеличение высоты уступа до полуторной высоты черпания экскаватора при условии разделения развала по высоте на подуступы или разработки специальных мероприятий по обрушению «козырьков» и нависей».
Применение гидравлического привода в мощных карьерных экскаваторах позволяет существенно расширить технологические возможности выемочно-погрузочного оборудования за счет повышения усилий копания, значительного увеличения рабочей зоны действия ковша, возможности перемещать режущую кромку рабочего органа по любой траектории в пределах рабочей зоны. Уменьшенная динамичность гидропривода существенно влияет на улучшение условий работы экипажа, повышает устойчивость экскаватора в забое, положительно влияет на ресурс работы механизмов и металлоконструкций.
ЭГО имеет высокую мобильность, скорость передвижения (2,2 -і- 4,5 км/ч) в 4 -і- 8 раз больше по сравнению с ЭКГ, давление на грунт меньше в 2,5 раза, чем у ЭКГ при одной и той же емкости ковша. Конструкция ЭГО позволяет работать нижним черпанием на глубину до 10 м, что дает возможность проведения опережающей траншеи шириной 2- Зм; благодаря возможности ковша выполнять любую траекторию, ЭГО может зачистить рабочую площадку, нижнюю площадку и забой без применения бульдозера; минимальное время капитального ремонта ЭКГ - три месяца, а ЭГО - две недели. Исследования показали, что применение ЭГО для селективной разработки пластов с любым углом падения всегда сопровождается меньшими потерями руды, чем при применении канатных или реечных мехлопат.
Возможность осуществления селективной разработки выемочным оборудованием определяется многими показателями, среди которых важнейшим является высота раздельной выемки, определяемая высотой и глубиной черпания. В пределах этой высоты зубья ковша экскаватора могут касаться кровли или почвы пласта и зачищать его с определенными потерями и засорением полезного ископаемого, значения которых зависят от типа экскаватора и классификации машиниста.
В отличие от механической лопаты ковш гидравлического экскаватора типа обратная лопата (ЭГО) может двигаться по ровной горизонтальной или наклонной поверхности забоя. Конструкция ЭГО позволяет ему работать как с верхним, так и с нижним черпанием, поэтому высота раздельной выемки у него больше, чем у механической лопаты.
Одним из достоинств ЭГО является возможность черпания ниже уровня стояния на глубину 10 м, что позволяет проходить дренажную канаву. В этом случае водоприток в траншею сосредотачивается в дренажной канаве и можно считать, что радиус депрессии одной воронки пересекает борт траншеи у нижней ее бровки. Это способствует хорошему осушению рабочей площадки и большей производительности оборудования, которое работает на дне карьера.
Применение мехлопат для проходки разрезной траншеи и подготовки горизонтов дает относительно большую ширину траншеи по дну 20 -і- 25 м, отсюда - большой объем выемки, особенно когда величина угла падения пласта небольшая. При работе на горизонтах ниже водо-самотечного уровня при условии большого количества атмосферных осадков время работы оборудования на дне карьера длится 4-5 мес. При таких условиях значительно уменьшается скорость углубки карьера, следовательно, производительность карьера снижается.