Содержание к диссертации
Введение
1. Горногеологические условия залегания глубоких россыпных месторождений и современное сотояние их разработки 11
1.1. Сырьевая база, геологические условия и состояние добычи золота из глубоких россыпных месторождений 11
1.2. Анализ технологий разработки глубоких россыпей 24
1.3. Цель, задачи и методы исследований 30
Выводы 33
2. Обоснование технологии разработки глубоких валунистых россыпей экскаваторами и драгами 34
2.1. Выбор критерия оценки влияния валунистых пород на работу горного оборудования 34
2.2. Исследования гранулометрического состава валунистых отложений глубоких россыпных месторождений 38
2.3. Влияние гранулометрического состава и качества подготовки валунистых пород на показатели экскавации и драгирования 42
2.4. Определение производительности экскаваторов и драг 50
2.5. Влияние валунистости пород на устойчивость и параметры
бортов карьера 56
2.6. Обоснование технологии разработки глубоких
валунистых россыпей экскаваторами и драгами 63
2.7. Оптимизация объемов горных работ при разработке
валунистых россыпей экскаваторами и драгами 69
Выводы 77
3. Обоснование технологии разработки глубоких россыпей с управлением профилями бортов и рабочей зоной карьера 78
3.1. Обоснование устойчивых углов наклона бортов глубоких карьеров
3.2. Определение устойчивых углов откосов бортов
при драгировании мощных отложений 102
3.3. Оценка деформаций уступов глубоких карьеров и внешних отвалов 121
3.4. Обоснование технологии разработки россыпей с управлением рабочей зоной и профилями бортов глубоких карьеров 131
Выводы 140
4. Обоснование технологий разработки глубоких россыпей на основе управления отвалообразованием 142
4.1. Анализ технологических схем вскрышных работ при разработке глубоких россыпей 142
4.2. Обоснование технологии и параметров вскрышных работ при отвалообразовании в условиях севера 153
4.3. Обоснование технологии и параметров вскрышных работ при поперечно-продольных системах разработки 170
4.4. Обоснование технологии и параметров вскрышных работ при разработке глубоких обводненных россыпей 181
4.5. Оценка эффективности применения разработанных технических решений при освоении глубоких россыпей 195
Выводы 198
5. Научно методические основы определения параметров бестранспортных систем разработки при внешнем отвалообразовании 201
5.1. Анализ методов расчета параметров технологических схем вскрышных работ 201
5.2. Методика определения параметров технологических схем бестранспортной системы разработки глубоких россыпей 210
5.3. Определение параметров бестранспортных технологических схем вскрышных работ при отвалообразовании на ограниченных площадях21
Выводы 221
6. Управление порядком освоения минерально-сырьевой базы предприятия. практическое использование результатов исследований 222
6.1 Разработка программы освоения запасов глубоких россыпей в системе золотодобывающего предприятия 222
6.2. Условия, масштабы и комплексная механизация разработки глубоких россыпей 233
6.3. Реализация результатов исследований при разработке валунистых россыпей 238
6.4. Реализация результатов исследований технологий разработки глубоких россыпей с управлением рабочей зоной карьера и внешним отвалообразованием 242
Выводы 246
Заключение 248
Библиографический список
- Анализ технологий разработки глубоких россыпей
- Влияние гранулометрического состава и качества подготовки валунистых пород на показатели экскавации и драгирования
- Оценка деформаций уступов глубоких карьеров и внешних отвалов
- Обоснование технологии и параметров вскрышных работ при разработке глубоких обводненных россыпей
Анализ технологий разработки глубоких россыпей
Техника и технология ведения горных работ всегда являлись основными факторами, определяющими эффективность разработки месторождений полезных ископаемых.
Научные основы открытой разработки россыпных месторождений с теоретическим и практическим решениями по широкому кругу вопросов: теории систем разработки, проектированию, определению и оптимизации параметров технологических схем, комплексной механизации горных работ, планированию, организации и управлению горными работам, физико-технических проблемах создали академики М.И. Агошков, Н.Н. Мельников, В.В. Ржевский, К.Н. Трубецкой, чл.-корр. РАН Е.И. Богданов, А.А. Пешков, профессоры А.И. Арсентьев, В.Б. Добрецов, В.П. Дробаденко, В.Е. Кисляков, М.В. Костромин, В.А. Кудряшев, В.Г. Пешков, Ю.А. Мамаев, В.П. Мязин, Г.А. Нурок, Ю.М. Овешников, СВ. Потемкин, В.Г. Пятаков, А.В. Рашкин, А.П. Свиридов, Г. В. Секисов, Б.Л. Тальгамер, СМ. Шорохов, В.Ф. Хныкин, В.В. Чемезов и др. [14-53].
Эффективность добычи золота из глубоких золотоносных россыпей резко повысилась при применении шагающих драглайнов с вместимостью ковшей 5-10м3. Это позволило изменить технологию вскрышных работ, структуру комплексной механизации, увеличить мощность удаляемых торфов, улучшить качество промываемых песков и повысить добычу золота.
Первыми трудами в области экскаваторных разработок россыпных месторождений являются монографии СМ. Шорохова [47, 48,], в которых дана классификация экскаваторов по группам, приведены условия их применения при разработке россыпей, результаты исследований по определению производительности и основных параметров экскаваторов, принципиальные технологические схемы работы экскаваторов в комплексе с различными типами пром-приборов. Однако значительная часть технических решений и выводов в настоящее время потеряла свою актуальность, так как связана с техникой, технологией и характеристикой сырьевой базы тридцати-пятидесятилетней давности, когда в отечественной практике разработки россыпей применялись экскаваторы малой мощности с весьма ограниченными рабочими размерами, разрабатывались легкодоступные месторождения четвертичного возраста с легкими условиями разработки (малая глубина и ширина россыпей, талые породы и т.д.) и высоким содержанием золота. СМ. Шороховым были рассмотрены также вопросы теории и практики разработки россыпей крупными драглайнами, подводной выемки торфов и их отвалообразования, оценки горнотехнических условий россыпных месторождений с позиции прогнозирования экскаваторных работ, определения области и масштабов применения крупных драглайнов в природно-климатических условиях Севера и т.д.
Необходимо отметить также труды Березина В.П., Галкина Г.С., Гутина И.М. Кацман Ю.Е., Максимовой Н.В., Мануйлова П.И., Сулина Г.А. [55-60], результаты их исследования позволили повысить эффективность разработки мелких (до 10 м) и нешироких (до 100 м) россыпей с применением экскаваторов малой и средней мощности, однако не смогли повлиять в значительной степени (в 2-3 и более раз) на улучшение технико-экономических показателей экскаваторных работ на более глубоких, сложных месторождениях по причине крайне ограниченных технологических возможностей драглайнов малой и средней мощности.
В разработке теоретических основ, технологии, структур комплексной механизации освоения глубоких россыпных месторождений на базе мощных драглайнов [61, 62] большую заслугу имеют исследования кандидатов технических наук В.В.Сборовского, A.M. Кочергина, в которых научно обосновываются технология вскрышных работ глубоких россыпей, рациональный порядок укладки породы в отвал, рациональная форма отвала, последовательность отработки вскрышных заходок, организация работы экскаватора при отсыпке промежуточных и конечных отвалов.
Большой объем последующих исследований по проблеме разработки глубоких сложных золотоносных россыпей с внерением разработок в производстве выполнен учеными и инженерами ОАО Иргиредмет, ВНИИ-1, МГГА, ИРГТУ, УГГА, ОАО Лензолото, ОАО Алданзолото, ОАО Уралзолото, ОАО Амурзолото.
Вопросам технологий разработки глубоких россыпей с использованием крупных драглайнов, масштабов их применения, технико-экономических обоснований, методик определения параметров технологических схем вскрышных работ, производительности экскаваторов посвящены работы Багазеева В.К., Ваганова П.В., Ворончихина Г.Н., Дегтяренко И.А., Жученко Е.Т., Костроми-тинова К.Н., Пензина В.И, Пятых Ю.Д., Доменика О.П. [63-80].
Исследуя технологические вопросы вскрышных работ, О.П. Доменик предложил методику оптимизации параметров бестранспортной системы вскрышных работ, в которой ширина центральной и последующих вскрышных заходок принимается разной, причем породы каждой заходки перемещают во внешний отвал с кратностью переэкскавации на единицу больше по сравнению с последующей. Новым в предложенной методике является задание исходных данных по координатам высотных отметок устьев скважин и залеганием нижней границы золотоносного пласта, расстоянием от них по горизонтам до условной оси в левом борту долины. Экскавация и отвалообразование в данном случае осуществляется следующим образом: выемка торфов начинается с центральной заходки последовательным перемещенном пород каждой заходки раздельно; при отвалообразовании породы первой заходки могут укладываться в отвал совместно с породами следующих заходок. Предусмотренный порядок производства вскрышных и отвальных работ ограничивает возможность использования предложенной технологии и методики ее расчета для других схем, например, при формировании высоких поярусных отвалов.
Влияние гранулометрического состава и качества подготовки валунистых пород на показатели экскавации и драгирования
Расчеты производительности драги ОМ 431 (см. приложение 2, табл. П.2.7.-П.2.10) показывают, что драгирование предварительно разрыхленных, в частном случае не на всю мощность песков, с отделением и удалением валунов класса +0,5 м позволяет увеличить годовую производительность драги по сравнению с драгированием неподготовленных рыхлением песков с 445 тыс.м до 911 и 990 тыс.м3, а с учётом отделения и вывозки негабаритов объёмы добы-чи и промывки песков возрастают, соответственно, до 1040 и 1137 тыс.м .
Техническая производительность драги (Qi) также может быть определена с учетом основных горнотехнических факторов по результатам исследований автора [7], выполненных с помощью регрессионного анализа обширного статистического материала за два года работы всех драг АО Лензолото. При этом выявлены наиболее значимые факторы, влияющие на техническую производительность драг: пораженность забоя мерзлотой (М), мощность драгируемого пласта песков (Нп) и валунистость (Д). При исследовании оценка валуни-стости разрабатываемых пород производилась по данным геологоразведочных работ, в которых оценка валунистости месторождений проводилась по классу валунов +200 мм. Влияние этих факторов с высокой степенью точности описывается эмпирической зависимостью Qi =294-7,09 Д-0,839 М-2,79 Нп. (2.51) Анализ зависимостей показывает, что увеличение содержания мерзлых пород с 10 до 80% приводит к снижению технической производительности в 1,4 раза; при одновременном увеличении валунистости на 10% снижение технической производительности происходит в 1,7 раза. Увеличение валунистости с 2 до 18% вызывает уменьшение технической производительности в 1,8 раза и характерно почти для любого содержания мерзлоты. В общем случае увеличение содержания мерзлых пород на 20% дает снижение технической производительности драг на 8 м3/ч, а увеличение валунистости в этих же пределах снижает техническую производительность на 110 м /ч.
При сравнении значений технической производительности экскаваторов с рекомендуемой едиными нормами выработки видно, что нерыхленые породы с диаметром среднего куска 0,23 м будут сложнее для отработки, чем породы четвертой категории по единой классификации пород. Это говорит о том, что породы с dcp = 0,23 м на исследуемом участке валунистой россыпи по классу выше четвертой категории и должны разрабатываться с рыхлением. Экскавация разрыхленных пород с dcp = 0,23 м по технической производительности драглайнов согласуется с второй группой разрыхленных пород, в которых не выделена валунистость. Поэтому нижним пределом валунистости, оцениваемой по критерию диаметра среднего куска породы россыпи, можно считать 0,23 м.
Техническая производительность экскаватора ЭКГ 4.6 (4У) (Qn) на погрузке валунов хорошо оценивается эмпирическим уравнением Свойства осадочных пород, слагающих месторождение, во многом зависят от сочетаний геолого-генетических признаков, количественные значения свойств во многом определяются крупностью обломочного материала и состава цемента [142-144].
Наблюдения за устойчивостью бортов при разработке валунистых месторождений Ленского золотоносного района дают основание полагать, что между валунистостью разрабатываемых пород и углом откоса уступов существует взаимосвязь. Анализ результатов выполненных автором исследований [145-147] по изучению физико-механических свойств пород глубоких валунистых месторождений «Маракан», «Красноармейское», «Серговское», «Гатчинское», «Октябрьское» и «Дяля» показал сходность основных физико-механических характеристик пород, влияющих на устойчивость бортов карьера. Например, плотность сухого грунта находится в пределах от 1,7 до 2,3 г/см , влажность -от 6 до 27 %, сила сцепления оценивается значениями от 0,01 до 0,7 МПа, валу-нистость (по классу валунов + 300 мм) достигает 40 %, цементирующие породы представлены, как правило, суглинками и глинами.
Фактические замеры результирующих углов откосов (рис. 2.4), выполненные на месторождении "Дяля" (период оценки 3 года, валунистость месторождения изменяется по протяженности в среднем от 25 до 35 %, отдельные участки характеризуются валунистостью 14-16 % , проектом разработки углы откосов установлены 55) [147], показывают, что они формируются в пределах от 44 до 65. Придание борту карьера ломаного профиля позволяет сохранить устойчивость и при углах откосов 70. Наиболее валунистые породы (валунистость в пределах 35-40 % определена планиметрическим методом по плоскости откоса), слагающие участки бортов ломаного профиля, сохраняют устойчивость при углах откосов даже 70-80 (рис. 2.5).
Поэтому можно предположить, что при прочих сходных физико-механических свойствах пород увеличение их валунистости дает возможность увеличить углы откосов уступов и бортов карьера. Например, для рассмотренных месторождений рост валунистости пород с 15 до 30 % позволяет увеличить угол откоса борта на 10. Следует отметить, что при формировании улов откосов бортов на карьере месторождения "Дяля" валунистость пород не была определяющим фактором и достаточно детально этот процесс не исследован, приведены только фактические значения углов откосов, которые являются устойчивыми на протяжении 3 лет.
Оценка деформаций уступов глубоких карьеров и внешних отвалов
При расчете устойчивости отвалов в случае, когда отвал простоял хотя бы один зимний сезон, необходимо учитывать процессы сезонного промерзания-оттаивания. С целью определения влияния этих процессов на устойчивость изучался температурный режим отвалов. Повышение устойчивости за счет образования мерзлого слоя обусловлено более высокими прочностными характеристиками мерзлой породы. Поэтому для оценки устойчивости отвалов выбрана и менее благоприятная по фактору устойчивости схема, не содержащая слоя мерзлого грунта. Подобная постановка задачи правомерна также для предотвала, предусмотренного в технологических схемах с поярусным отвалообразованием.
Расчет предотвала производится с учетом работающего на нем экскаватора путем задания дополнительной нагрузки от массы экскаватора, распределенной по площади жесткой опорной плиты.
Если для оптимизации схем производства отвальных работ требуется определение предельно устойчивых высот отвалов и предотвалов, то задачей расчета устойчивости вскрышного уступа, высота которого задана, является определение предельно допустимого угла откоса для отдельного слоя слагающих его пород. При этом в расчетную схему вводятся нагрузки от отвалов и предотвалов. Прочностные свойства элементов задаются по результатам инженерно-геологических изысканий на исследуемом участке с учетом температурного режима пород.
При расчете устойчивости вскрышного уступа, сложенного мерзлыми породами, в расчетную схему вводятся сведения о приконтурном слое, мощность которого принимается по максимальной глубине оттаивания склона. Прочностные характеристики слоя определяют при испытании образцов ненарушенного сложения в оттаявшем состоянии, а в остальной части массива используются характеристики, полученные при испытании образцов в мерзлом состоянии.
При определении устойчивости уступов, состоящих из талых пород, слой мерзлого грунта, образовавшийся в течение холодного периода, не учитывается ввиду мощности, не соизмеримой с размерами уступа. В этом случае повышение прочности пород мерзлого слоя идет в запас устойчивости. С использованием накопленного опыта и результатов исследований [107-112] автором было продолжено изучение физико-механических свойств пород глубоких россыпей и определялись устойчивые параметры бортов и отвалов. Работы проводились на глубокозалегающих месторождениях Восточной Сибири, в качестве природных моделей были выбраны глубокие россыпные месторождения «Угахан», «Октябрьское», «Серговское», «Гатчинское» и «Дяля».
При определении устойчивых параметров уступов, бортов и отвалов кроме вышеперечисленных физико-механических свойств пород и природных факторов необходимо учитывать конструкцию профиля рабочей зоны карьера и внешних отвалов, а также технологические схемы вскрышных и добычных работ. При одинаковых исходных характеристиках разрабатываемых пород в различных конструктивно-технологических схемах могут быть получены разные устойчивые значения углов откосов бортов и высоты отвалов
Выделим основные применяемые и перспективные технологические схемы вскрышных работ для условий исследуемых глубоких россыпных месторождений [165].
Вскрышные работы ведутся одним уступом высотой до 35 м с внешним отвалообразованием (месторождения «Маракан», «Красноармейское», «Серговское», «Гатчинское»).
Вскрышные работы ведутся двумя уступами с внешним и внутренним отвалообразованием частично мерзлых пород (месторождение «Верхний Угахан», «Красноармейское», «Дяля»).
Вскрышные работы ведутся двумя уступами высотой более 45 м по поточной и бестранспортной технологиям с внутренним отвалообразованием. Данная схема является перспективной и разработана для глубокозалегающих (более 45 м) крупных россыпных месторождений (на примере месторождения «Октябрьское»).
Рассмотрим особенности определения параметров при технологии вскрышных работ с внешним отвалообразованием с разработкой торфов одним уступом с внешним и внутренним отвалообразованием (на примере месторождений «Маракан», «Красноармейское», «Угахан», «Серговское», «Гатчинское»). Наличие горизонтального пласта песков и мощности наносов до 32 м на месторождения «Верхний Угахан» предопределяет применение на вскрышных работах крупных драглайнов ЭШ 10.70. На рис.3.2 в качестве примера приведена технологическая схема вскрышных работ с внешним и внутренним отва-лообразованием.
С учетом опыта применения аналогичных технических решений на угольных и рудных карьерах страны при выборе оборудования и определении технологических параметров необходимо стремиться к отработке максимально возможной мощности вскрышного уступа и использованию выработанного пространства для размещения отвалов.
На рассматриваемом месторождении часть торфов разрабатывается одним уступом высотой от 15 до 25 м. Наносы мощностью 25-40 м рпазделяют на два уступа. Параметры технологической схемы определены для средней мощности наносов, равной 32 м. Вскрышные породы первого уступа мощностью 18 м размещаются на борту карьера драглайном ЭШ 10.70. Породы второго уступа 14 м размещаются этим же экскаватором в выработанное пространство.
Обоснование технологии и параметров вскрышных работ при разработке глубоких обводненных россыпей
Согласно этой теории пластическое течение происходит по площадкам скольжения, определенно ориентированным в пространстве главных напряжений оь о 2, аз- Согласно условию выполнения закона Кулона площадки скольжения проходят через а2, а нормаль к этим площадкам наклонена к оси а3 под углом 45 ± ф/2.
Таким образом, поведение рассматриваемой среды можно представить в следующем виде: если напряжения в среде не превосходят заданного предела, связь напряжений и деформаций описывается законом Гука; предельные напряжения в области растяжения ограничиваются прочностью на растяжение; в области сжатия - выполнением закона Кулона.
Вариант реализации данной модели, основанный на использовании метода конечных элементов [155], предполагает следующее. В области допредельного состояния материал массива рассматривается как линейно-деформируемая среда, в то же время в уравнениях (3.36) подставляются значения не упругих характеристик, а модуль общей деформации и коэффициент поперечной деформации, являющиеся характеристиками полной деформации, состоящей из упругой и остаточной. В пластических зонах процедура расчета предусматривает использование метода "начальных напряжений", заключающегося в том, что разница между упругими и теоретическими напряжениями рассматривается как прирост начальных напряжений: {Дан}={с}-{ат}.. (3.37) Прирост начальных напряжений пересчитывается в начальные узловые силы по формуле {F} = KyJ[B]T{AoH}dS, (3.38) S где Ку - коэффициент ускорения сходимости; [В] - матрица жесткости системы.
Добавление узловых сил увеличивает упругие напряжения в элементе, но на величину, меньшую, чем начальные напряжения, по которым были рассчитаны узловые силы, поскольку добавленные начальные силы распределяются также и на другие элементы расчетной области. Если найденное таким образом упругое напряжение за вычетом начального не окажется достаточно близким к теоретическому, то итерация повторяется.
В том случае, когда эта процедура не приводит к сходимости итерационного процесса, значительная часть породного массива переходит в стадию прогрессирующей текучести, т.е. разрушается.
Комплекс программ для ЭВМ, позволяющий проводить расчеты по представленной выше модели [111], и полученные при этом результаты указывают на пригодность программ в решении задач по определению НДС технологических элементов.
Расчет деформируемости отвалов был произведен для горногеологических условий карьеров «Серговский» и «Красноармейский». Выбор данных объектов обоснован, в первую очередь, наличием материалов экспериментальных исследований физико-механических свойств пород и некоторыми различиями в них.
Исходная схема представляет собой математическую модель массива разрыхленных горных пород с выделением слоев разной плотности и соответственно измененных других показателей физико-механических свойств. Этим самым учитывается осадка (деформирование) отвала в период его отсыпки.
Известно, что значения деформаций в разных точках отвала будут различными, поэтому на расчетной схеме выбрано 9 контрольных точек, по которым осуществлялась выборка значений деформаций. Кроме того, авторам исследовалась зависимость деформируемости отвала от его высоты.
Примененный метод регрессионного анализа позволил получить зависимости средних значений осадки отвалов от их высоты для условий карьера «Серговский» (формула 3.39) и «Красноармейский» (формула 3.40): Лп = 0,0115 + 2,879-1(Г4Н2; R = 0,998; (3.39) Ah = 1,744-10 3 + 6,81-Ю Н2; R = 0,999; (3.40) 125 где Ah - среднее значение осадки отвала, м; Н - высота отвала, м; R - коэффициент корреляции. Анализ зависимостей (рис. 3.20) позволяет сделать вывод о всеобщей тенденции увеличения Ah с ростом Н отвала порядка первых сантиметров на каждый метр высоты отвала.
Рассматривая процесс осадки отвалов за период их стояния с позиций изменения объемов складируемых пород (их уменьшения), проведем некоторое осреднение по величине осадки и изменения площади поперечного сечения отвала (рис. 3.21). Полученные зависимости позволяют в первом приближении (±20%) учесть этот факт маркшейдерским службам: Ahcp = 0,0194 +4,84-Ю Н2, R = 0,684; (3.41 ) AS =1,11+ 5,2- ЮЛі2, R= 0,735; (3.42) где Ahcp - средняя величина осадки отвала, м; AS - изменение площади поперечного сечения отвала, м2. Сравнивая полученные результаты с результатами полевых наблюдений, устанавливаем сходимость результатов натурных измерений и результатов расчетов по предложенной модели.
Применительно к устойчивости горных выработок и отвалов можно выделить три главные задачи: изучение свойств массива, изучение деформаций массива и влияния технологии горных работ на устойчивость выработок.
Для моделирования наметим пять вариантов расчетных схем. Первая схема (рис.3.22, а) представляет собой уступ борта карьера с углом откоса осв, высотой Нв и нагрузкой от драглайна Р. Вторая схема (рис. 3.22, б) аналогична первой, но на ней добавлен отвал с углом откоса ос0 и высотой Н0. На схемах (рис.3.22, в, г) показано два уступа борта карьера, нагруженного драглайном и отвалом. Рис. 3.22, д дополнительно включает ослабленную зону (подземные горные выработки).
