Введение к работе
Актуальность проблемы. Основой технического прогресса в горнодобывающей промышленности является- расширение области 'применения открытых разработок, что обеспечивает улучшение результативных показателей добычи основных видов минерального сырья.
Многие перспективные аля открытой разработки угольные месторождения, такие, как Таллинское, Нерюнгрпнское, Шу-баркольское, Борлинское, Экибастузское, Назаровское, представлены крупными брахиеннклиналями с концентрацией запасов угля до 8—14 імл.рд. т па площади 70—Ф20 КМ2. Открытая разработка таких месторождений характеризуется созданием внешних и внутренних отвальных породных массивов объемом до 30—40 млрд. м3. Геологическое, рельефообразую-щие и биосферные изменения, вызванные появлением крупных отвальных массивов, по многим параметрам превышают крупные природные процессы, происходящие 'В литосфере. Недостаточный учет инженерно-геологических и «тематических факторов при формировании таких массивов может вызвать серьезные нарушения природных акосисте.м в регионах производства горных работ. Пара>метры техногенных массивов тесно взаимосвязаны с порядком разработки угольных брахисин-'К.тиналей 'її технологией укладки вскрышных 'пород. В определенных зонах отвальные (массивы отрицательно воздействуют на естественные системы., в то время іка'К в других, идет интенсивная ассимиляция данных техногенных объектов природными ландшафтными структурами.
Основой совершенствования разработки крупных угольных брах'исинклиналей являются детальное обоснование и учет взаимодействия создаваемых на их -базе геотехнических систем с природными системами региона открытой разработки.
Сущность работы заключается в раскрытии взаимосвязей между техногенными и природными процессами, происходящими в теле и на поверхности отвальных массивов, создаваемые при отработке крупных угольных брахисинклиналей, и совершенствовании технологии их формирования для регионов с аридным климатом.
Целью работы является обоснование технологии формирования техногенного рельефа и частично ландшафта во взаимосвязи с порядкам отработки крупных угольны* брахисин-клиналеи па базе новых -методологических представлений об отвальных массивах.
Идея работы состоит в рассмотрении отвал-ьного массива как техногенной экосистемы, динамично меняющейся под воздействием технических и природных фактороів.
Объект и методы исследований. Объектом исследований являются отвальные массивы, формируемые при открытой разработке -крупных брахиоинклиналей в сухостеиных ландшафтных структурах с явно выраженным аридньїім климатом. При выполнении работы использовались рентгеноструктурные фазовые анализы, модельные аэродинамические исследова-ния, ..методы снежной съемки и аэрофотосъемки, математического анализа и моделирования, .математической статистики, геометрического анализа карьерньпх полей и технико-экономического анализа.
Научные положения, представленные к защите:
-
Комплексное обоснование технологии формирования отвальных массивов, включающее установление порядка отработки крупны.х .угольных брахисинклиналей с определением соотношения доли внешних н внутренних отвалов, параметров стационарных отвальных поверхностей и способов их освоения с .учетом 'климатических особенностей региона открытой разработки, схем вскрытия и пространственно-компоновочных решений генерального плана.
-
Технологические, климатические и инженерно-геологические факторы оказывают решающее .влияние «а формирование техногенного чехла ч .микросред, ..меняя дефляционные характеристики поверхностей отвальных .массивов, что не .позволяет рассматривать их как «площадной» источник загрязнения естественные экосистем, так как основными источниками пыления являются разгрузочные точки и прпбровочные зоны подветренны.х бортов отвальных ярусов.
-
Интенсивность ассимиляции отвальных массивов находится в прямой зависимости от характера микросреды, формируемой под влиянием технологических .процессов укладки вскрышных пород. Для регионов с аридным климатом характер микросреды определяется сочетанием солнечны.х и ветровых экспозиций, а интенсивная ассимиляция отвальных массивов обеспечивается в случаях, когда их техногенный чехол оформляется одновременно с формированием стационарного контура.
4. Конечная, высота отвальных массивов, формируемых
при отработке кр.упньпх брахисинклиналей, не должна иметь
ограничений по факторам выноса частиц ветроіпесчаного и
ветропылевого потоков. Она определяется рациональными морфологическими элементами отвальных поверхностей, (генеральный угол ветроуцарных и подветренных склонов, радиусы сопряжений и т. д.), а также объемами складирования вскрышных пород.
-
Воздействие отвальных -массивов угольных карьеров на природную среду распространяется, на расстояние не более 1,0—1,5 км. С течением времени оно прогрессивно ослабевает вследствие изменения дефляционных характеристик отвальных поверхностей и параллельно развивающихся процессов ассимиляции техногенных структур.
-
Установлено, что при стабильных качественных характеристиках угольного массива начальная зона разработан крупных асимметричных брахисиимлиналей с наклонным падением пластов на въгходае 'должна тяготеть к замковым участкам складки.
-
При отработке от замковых зон направление углубки и направление выхода в зону формирования внутренних отва-' лов на первом этапе совпадают. Вследствие этого в качестве критерия развития горных работ на первом этапе можно использовать минимальный текущий коэффициент вскрыши. Второй этап отработки начинается с глубины (периода), когда текущие коэффициенты вскрыши для карьерных полей, не вовлеченных в отработку, становятся меньше аналогичного показателя на отрабатываемые карьерные полях.
Начиная со второго периода, -для определения направления развития рабочей зоны карьера необходимо использовать критерии и .методы, учитывающие -преимущества складирования вскрышных пород в выработанном пространстве карьера, что позволяет определить соотношение объемов пород, размещаемых во внешних и внутренних отвальных -массивах.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются сходимостью результатов теоретических исследований с данными экспериментов в производственные условиях, (.материалами рентгено-структурные фазовых анализов, снежной съемки и аэрофотосъемки, аэродинамического моделирования, полевые -геоморфологических исследований, фундаментальными законами естественных наук, многовариантными расчетами по разработанным программам с использованием ПЭВМ, технико-экономическими обоснованиями, выполненными на стадиях рабочего проектирования, а также внедрением результатов исследо*-ваниіі в производство на объектах ПО «Экпбастузуголь» («Экнбастузкомнр»), ПО «Карагандауголь» и в проектных институтах.
Научное значение работы состоит в:
установлении закономерностей изменения скоростей ветровых -потоков и турбулентных пульсаций для ветроударные и
подветренный отвальных бортов три различной морфологии склоновых, поверхностей.;
формировании представлений о микросредах, оформляющихся под влиянием отвальных, массивов;
систематизации качества техногенных поверхностей (применительно к регионам аридного климата) «а базе характеристик микросреды, формируемой под воздействием отвальных массивов, являющейся основой избирательного освоения различных экспозиции техногенного рельефа и комплекса ре-культивационных работ;
разработке закономерностей, определяющих площади и объемы выноса частиц из 'Контуров отвальных массивов с учетом изменчивости во времени характеристик техногенного чехла, а также комплекса аэродинамических и климатических факторов;
разработке технологии формирования техногенного рельефа и частично ландшафта во взаимосвязи с порядком отработки крупных брахисимклина'лей,
Практическое значение работы заключается в использовании выявленных закономерностей и разработанных методических положений диссертации при проектировании отвальных массивов, что позволяет снизить «х отрицательное воздействие на естественные природные системы и расширить область применения открытого способа разработки крупных угольных брахисинклиналей.
Реализация выводов и рекомендаций работы.
Внедрен в производство рекомендуемый іпорядок отработки Экибастузокой брахисииклинали, благодаря чему обеспечивается ускоренный переход к формированию внутренних отвальных массивов в южной замковой зоне складки. Данный порядок базируется на прирезке двух новых карьерных полей (№ 4 и № 9) с объемами добычи утл я 14 млн. т/год. Реализация 'предлагаемого порядка отработки позволяет увеличить объемы складирования вскрышных пород в выработанном пространстве с 3,7 до 5,4 млрд. м3.
На карьерах «Э.кибастузкомир» впервые в горной практике создана транспортная схема (траншея глубиной 90 м, породная и отвальная станции), расположенная во внутреннем контуре брахисинклинали, что позволило снизить па 20% разім еры «техногенного пятна», формируемого отвальными массивами вокруг Экибастузского месторождения.
Реализованы в проектной >и горной практике технические решения по ускоренному формированию стационарных контуров и техіногенного чехла отвальных массивов с .помощью опережающих отвальных насыпей (отвалы «Прибортовой», «Фестивальный», «Ковыльный», «Степной», ПО «Экибастужо-мир»).
Внедрены в производство технические решения по засыпке «'Мертвых зон» 'внешних отвалов ГАО «Зкибастузкомир» и разреза «Борлчшский», расположенных -под отвальными въездами, что привело к снижению на 17% площади нарушенные земель в контурах горного отвода.
В генеральной схеме развития и комплексного освоения Зк-ибастузсікого угольного месторождения реализованы принципы формирования внешних отвалов высотой '170—2)10 м, морфология и схемы создания которых позволяют интенсифицировать их ассимиляцию естественными природными системами региона.
В ТЭО отработки разрезов «Березовскийчі—2» реализованы рекомендации по последовательности формирования от-вальны-х -массивов с засыпкой остаточных карьернььх выемок для создания нерасчленепного техногенного рельефа.
Научные положения и методические разработки диссертации вошли составной частью в учебники, учебные пособия и 'методические разработки Московского государственного горного университета.
Апробация результатов работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и были одобрены на технических советах ИГД им. А. А. Скочинского, ГАО «Экибастузкомир», институтов Карагандагапроша-хт, МГГУ, научных конференциях в г. Валкеїме (Греция, 1994), г. Аа-хене (Германия, 1995). Часть результатов работы была представлена в научно-исследовательской работе, которая удостоена премии Московского комсомола. Научная работа по обоснованию рационального порядка отработки и схем вскрытия Экибастузекого .месторождения, ів которую вошла часть 'исследований работы, была удостоєна второй 'премии по результатам конкурса научный работ Минвуза СССР ('1;982). Исследования' в части формирования отваяьнык 'Массивов и транспортных схем разрезов ПО «Зиибастузуголь» вошли їв итоговые материалы временного творческого коллектива «Поток», организованного то приказу Министра угольной промышленности СССР (1987—1988 гг.:), а также государственной научно-технической -программы «-Экологически чистая энергетика» (1989—1996 гг.).
Публикации. По теіме диссертации опубликованы' 4-3 работы, в там числе 3 монографии, получены 2 патента.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, -шести глав и заключения, изложенных на '236 страницах машинописного текста, содержит 230 рисунков, 46 таблиц, приложения и список использованных источников.