Содержание к диссертации
Введение
1. Направления развития технологий и механизации отвально работ. цель, задачи и методн йсследований 9
1.1. Обзор литературы и практического опыта по технологии и механизации отвально-рекультивапдонннх работ Цель, задачи и методы исследований 21
2. Исслещование технологических и экономических связей вскрышных, отвальных и рекультивавдонных работ 25
2.1. Исследование и систематизация технологических связей вскрышных, отвальных и рекультивационных работ 25
2.2. Разработка методики выбора рационального технологического комплекса выемочно-отвально-рекультивационных работ
2.3; Реализация предлсженной методики на ЕС ЭВМхдля типичных групп календарных графиков и анализ полученных результатов 10
Выводы 53
3. Исовдование нутей совершенствования тейнологйческйх схем и модернизации булвдозерного оборудования дня отвально-рекультивацйонных работ
Выбор рациональных параметров технологических схем отвально-рекультивационных работ и рациональных параметров навесного бульдозерного оборудования х 55
3.2. Комплекс прикладных программ для планирования и расчета бульдозерных работ на микроэвм
3.3. Экспериментальные исследования по проверке надежности установленных теоретических зависимостей комплекса Задных программ 68
3.4. Экспериментальные исследования по определению безопасных условий работы бульдозеров вблизи отвальной бровки 76
Выводы 80
4. Разработка конструкций навесного бульдозерного оборудования работ 83
4;1. Бульдозерное оборудование для отвалообразования и рекультивации БОРО-3,8 .83
4.2 Оборудование террасер-трашеедеттель БТК-0,8 93 .
4.3. Устройство для планировки породных отвалов УН0-3,5М 99
Выводы 5. Совершенствование и разработка тегошшешх схш отвалбно-ржультивационных работ при использовании прдаожешого оборудования 107
5.1. Способ совмещенного селективного одноразовая 107
5 2. Технология формирования рекультивационного слоя в условиях дефицита потенциально-плодородных пород 125
5.3. Способ формирования конечного контура породного отвала 134
5.4. Способ рекультивации крутых откосов 145
5.5. Совершенствование технологии горных работ на карьерах Верхнеднепровского горно-металлургического комоината хох
Выводы 159
Заключение .161
Список использованных источников 163
- Разработка методики выбора рационального технологического комплекса выемочно-отвально-рекультивационных работ
- Комплекс прикладных программ для планирования и расчета бульдозерных работ на микроэвм
- Устройство для планировки породных отвалов УН0-3,5М
- Технология формирования рекультивационного слоя в условиях дефицита потенциально-плодородных пород
Разработка методики выбора рационального технологического комплекса выемочно-отвально-рекультивационных работ
Вскрышные, отвальные и рекультивационные работы имеют многосторонние связи. Это предопределяет необходимость проектирования и планирования их как единой системы. В работе /67/, на основании анализа и обобщения горно-геологических особенностей месторождений и структур комплексов рекультивации,была составлена структурная схема формирования возможных комплексов рекультивации, В основу классификации положена технология вскршннх работ, используемый вид оборудования и последовательность выполнения всех технологических операций технической рекультивации. Указывается,что на выбор рационального комплекса рекультивации влияет совокупность факторов, главнейшими из которых являются горно-геологические условия месторождения, технология вскрышных работ, вскрытие месторождения, рабочие параметры и технико-экономические показатели работы машин,
В качестве критерия эффективности комплекса рекультивации принята сумма средневзвешенных удельных приведенных затрат. Многовариантная задача выбора рационального комплекса рекультивации решена с использованием сетевого графа.
В работе /52/ указывается, что на современном этапе наибольшее развитие научных исследований наблюдается в области технической рекультивации. При этом особое внимание учеными и специалистами уделяется разработке схем и технологических приемов рекультивации, обеспечивающих тесную увязку процессов восстановления с применяемой технологией открытых горных работ. Установлено, что определяющими факторами при выборе технологии являются географические, экологические и горно-геалогические условия, а также способ разработки местороадения, физико-механические и агрохимические свойства выносимых на отвальную поверхность грунтов и направление рекультивации. В свою очередь, способ разработки местороадения обусловливает систему разработки, которая оказывает решающее влияние на характер нарушений земной поверхности и на механизацию рекультивационных работ.
По признаку связи технологических процессов с системой раз работки местороадения технологические схемы классифицированы на совмещенные, раздельные, комбинированные и представлены в виде матрицы. \
Учет взаимосвязей технологии открытых горных работ с технологией рекультивации позволяет достичь наибольшей мероприятий по восстановлению земель и позволяет регламентировать деятельность предприятия на всех стадиях строительства и эксплуатации с целью сохранения и восстановления ландшафта.
В работе установлено, что при составлении календарного плана технического этапа рекультивации следует учитывать период формирования конечной поверхности отвала, ее планировку, сроки укладки потенциально-плодородных и плодородных грунтов, время их усадки, период проведения химической мелиорации.
В работе /НО/ указывается, что серьезную проблему для рекультивации представляет неравномерное распределение во времени объемов выемки потенциально-плодородных пород. В связи с этим исследована динамика выхода потенциально-плодородных пород по мере отработки крутопадающей зале»,.
Рассмотрен порадок формирования трехъярусногочртвала при экскаваторном отвалообразовании с поярусной отсыпкой и отсыпкой на полную высоту с учетом динамики выхода потенциально-плодородных пород. Исследованы структурные схемы разработки потенциально-плодородных и плодородных пород при совмещении отвальных и ре-культивавдонных работ, при.поэтапной рекультивации и одновременно-поэтапной рекультивации. Разработана методика определения эффективности технологических схем рекультивации и метод установления оптимальных технологических схем. Определены области их эффективного применения.
Установлено, что затраты на рекультивацию зависят не только от границ применения схемы, но и от условий выемки почвенного слоя и потею льно-шодородных пород, степени совмещения во времени вскрышных и отвально-рекультивационных работ, типа применяемого оборудования. Указывается, что минимальные эксплуатационные затраты на рекультивацию достигался при применении совмещенных технологических схем и использовании основного технологического оборудования.
Эффективность схем развития отвалов и вариантов заложения пио нерной насыпи исследована в работе /76/ с учетом динамики поступ ления на отвалы потенциально-плодородных пород и темпов рекульти вации. Для отвалов Курского К Ка построены планы рекультивации и отторжения земель при выполнении отвальных и рекультивационных работ по совмещенной схеме основным отвальным оборудованием, что позволило уменьшить объемы временного складирования потенциально плодородных пород и уменьшить объемы работ по выполаживанию и рекультивации откосов,
Комплекс прикладных программ для планирования и расчета бульдозерных работ на микроэвм
Для решения поставленных задач использованы: анализ ранее выполненных научных исследований и обобщение опыта отвально-рекультивационша работ; патентные исследования; экономикочйатематическое моделирование и симплекс-метод при выборе рациональной технологии выемочно-отаушно-рекультивапдонных работ; экспериментальные исследования при оценке надежности полученных аналитических зависимостей и разработанного комплекса прикладных программ для определения рациональных параметров технологических схем; тензометрирование и осц ографирование при определении напряжений вблизи призмы возможного обрушения под опорной поверхностью гусениц бульдозера; методы теории вероятностей и математической статистики при обработке результатов экспериментов, аналитический и графо-аналити-ческий при определении рациональных параметров технологических схем; технико-экономический анализ при определении эффективности предложенных технических решений.
Экономико-математическая модель выбора рациональной технологии выемочно-отвально-рекуль работ реализована на ЭВМ ЕС-Ю20. На этой же ЭВМ выполнена обработка полученных экспериментальна данных. Расчеты рациональных параметров технологических схем и их исследование выполнены на программируемом микрокалькуляторе "Электроника БЗ-21 и на микро-ЭВМ "Электроника" ДЗ-28.
В данной главе выполнен анализ и систематизация технологических связей вскрышных, отвальных и рекультивационных работ. Разработана методика выбора рационального технологического комплекса выемочно-отвально-рекультивационных работ. Экономико-математическая модель выбора технологического комплекса реализована на ЭВМ EG-I020 с использованием системы линейного программирования, в основу которой положен модифицированный симплекс-метод с мультипликативным представлением обратной матрицы. Исс довано влияние динамики вскрышных работ и темпов рекультивации на выбор рационального технологического комплекса.
Исследование ж систематизация технологических связей вскрышных, отвальных и рекультивационных работ
Технологические схемы отвально-рекультивавдонных работ предопределяются необходимостью выполнения работ по выемке плодородных и потенциально-плодородных пород (ЇЇП) и непригодных для биологической рекультивации пород (НП); формирования из "них тела отвала, покрывающего и рекультивационного слоев; выполнения мелиоративных, противоэрозионных и других мероприятий.
Схемы с совмещением отвальных и ревультивационных работ характеризуются использованием основного технологического оборудования а общим фронтом работ. Частично совмещенные схемы характеризуются формированием рекультивационного слоя специальными средствами
Наиболее эффективными и экономически целесообразными в настоящее время являются технологические схемы рекультивации с использованием основного технологического оборудования и совмещением отвальных и рекультивационных работ /110, 89/. Однако практика и накопленный опыт проектирования технического этапа рекультивации показали, что применение постоянной технологической схемы на протяжении всего времени ведения вскрышных, отвальных и рекультивационных работ не всегда эффективно. При значительном изменении во времени объемов вскрыши и доли в ней Ш породх то может привести к отставанию или полной остановке выполнения рекультивади-онных работ по причине дефицита Ш пород в отделе периоды разработки карьера. Неравномерное распределение во времени объемов выемки ШІ пород представляет серьезную проблему для рекультива-ционных работ,
Тенденция к неравномерному распределению доли ШП пород в общем объеме вскрыши имеет место при разработке большинства наклонных и крутопадающих месторождений. Это обусловливает важность исследования технологической связи вскрышных, отвальныхи рекультивацион-ных работ.
Для выявления технологической связи вскрышных, отвальных и ре-культивационных работ были проанализированы календарные графики вскрышных работ ряда карьеров Украины, Урала и Казахстана /76, НО/ (рис.2.2, 2.3)) Характерной чертой календарных графиков вскрышных работ являются значительные колебания плановых объемов выемки Ш пород во времени и несоответствие в отдельные периоды объемов выемки ШП пород и потребности в них.
Выполненный в настоящей работе анализ позволил систематизиро-вать технологическую связь вскрышных, отвальных и рекультивацион-ных работ. В основу систематизации положена динамика текущего соотношения плановых объемов выемки и потребности в ШП породах. По этому признаку режимы выемочно-отвально-рекультивационных работ отнесены к четырем группам (табл.2.1).
Систематизация технологической связи может служить РЇКОВОДСТ-вом при обосновании и выборе технологии вскрышных, отвальных и рекультивационных работ, при календарном планировании этих работ,
Устройство для планировки породных отвалов УН0-3,5М
Текущее соотношение ПП и НП пород для совмещенных схем отва-лообразования и рекультивации при заданной высоте яруса и мощности покрывающего слоя К = 0,066. Принято: приемная способность временного отвала Ц/ = 1000 тыc.м3/гoд; производительность погрузочного оборудования на временном отвале Q3= 1000 тыс.м3/год; производительность оборудования на укладке рекультивационного слоя по раздельным схемам Q = 1000 тыс.м /год.
Эти данные приняты в качестве исходных при реализации предложенной экономико-математической модели на ЭВМ ЕС-2020. Результаты решения целевой функции приведены в табл.2.4, 2.5, 2.6, 2.7.
Рациональный календарный план, полученный в результате реализации расчетной модели для I группы календарных графиков (табл.
Рациональный календарный план рекультивационнных работ для выемочно-отвально- Таблица 2.4 I группы календарных графиков иоказатели Годы выполнения выемочно-отвально-рекультивационных работ показал, что в первые четыре года и в 6-й год выполнения выемочно-отвально-рекультивационных работ потенциально-плодородные и непригодные породы рационально отсыпать селективно, по совмещенной схеме, с использованием основного оборудования. При этом ІШ породы укладывают в объемах минимальной мощности покрывающего слоя, о неполным удовлетворением потребности в Ш породах. В пятый и седьмой годы рациональна комбинация схем отсыпки пород по совмещенной и раздельной схемам, причем по раздельной схеме укладываются ПИ породы, необходимые для ремонта рекульти-вированной поверхности. В эти годы удовлетворяшсяХдотребности в ШП породе, оставшиеся от предыдущих лет.
Результаты реализации расчетной модели имеют широкие возможности для анализа полученного рационального решения. Так, на печать ввдаются значение коэффициента целевой функции при каздой переменной и величина изменения целевой функции при ослаблении на единицу границы переменной. Последняя величина подсказывает постановщику задачи возможность улучшения значения целевой функции за счет увеличения верхней или уменьшения нижней границы в тех случаях, когда переменная в решении достигла этой границы.
Так, дая I группы календарных графиков рационально уменьшение потребности в потенциально-плодородных породах. Уменьшение потребности в Ш породах на каждый I м позволяет снизить общие затраты на 0,3 коп.
Рациональный календарный план, полученный в результате реализации расчетной модели для П группы калевдарных графиков (табл.2.5), показал, что в первые два года выполнения отвально-рекультивационных работ рациональна комбинация схем отсыпки ПП пород по совмещенной схеме и отсыпки ПП пород во временный отвал. В третий и четвертый годы рациональна отсыпка пород по совмещен Рациональный календарный план выемочно-отвально- Таблица 2.5 рекультивационных работ для П группы календарных графиков
Годы выполнения выемочно-отвально-рекультивационных работ шказатели I 2 3 4 5 6 7 Объемы вскрыш, тыс.м Объемы выемки ШИ пород, тыс.м Потребность в Ш породе, тыс.м 10271,92054,4719,0 11212,92242,6784,9 12398,72479,7867,9 14643,0 2928,6 1025,0 13943,02788,6976,0 13679,1 957,5 14092,3 986,5
Распределение объемов работ по схемам и годам, тыс.м Vrt Выемка Ш пород Транспорт Отсыпка посовмещеннойсхеме 8692,4 9627,0 11623,8 13727,8 12481,5 13679,1 14092,3 Vat Выемка ШИ пород Транспорт Отсыпка по раздельной схеме — — — - - - V5t Выемка Ш пород Транспорт Укладка посовмещеннойсхеме 579,5 641,8 774,9 915,2 832,1 — V4t Выемка Ш пород Транспорт Укладка по раздельной схеме - — — — 629,4 - — Vrt Выемка ІШ пород Транспорт Отсыпка вовременныйотвал 1000,0 943,0 «at — - / - Vet Погрузка Ш пород из врем. отвала Транспорт Укладка по раздельной схеме — - — — - 32,0 60,5 ной схеме с использованием основного технологического оборудования. В пятый год необходимо часть объемов Ш пород укладывать по совмещенной схеме, а другую часть, с целью ремонта рекультивированной поверхности, по раздельной схеме, В шестой и седьмой годы комбинация схем с совмещением и раздельным выполнением отвальных и рекультивационных работ с выемкой ЇЇП пород из временного отвала.
Для П группы календарных графиков также рационально уменьшение потребности в Ш породах. Уменьшение потребности здесь оказывает значительно большее влияние на величину целевой функции по сравнению с I группой. На каждый I м уменьшения потребности возможна экономия 10,7 коп текущих затрат. Основное отрицательное влияние на экономические показатели оказывает необходимость временного складирования Ш пород для расхода их в период дефицита. Кроме того,имеется возможность улучшения экономических показателей путем увеличения приемной способности временного отвала в первый год. На каждый I м /год увеличения приемной способности возможна экономия 1,3 коп затрат.
Реализация расчетной модели для Ш группы календарных графиков (табл.2.6) показала, что в первые два года все вскрышные породы необходимо отсыпать по раздельной схеме. В третий и четвертый годы - по совмещенной схеме с селективной укладкой ПП пород по фронту отвальных работ основным отвальным оборудованием. В пятый, шестой и седьмой годы часть объемов Ш пород отсыпается по совмещенной схеме, а другая часть по раздельной. Работы, выполняемые по раздельной схеме, обеспечивают рекультивацию конечной поверхности отвала, сформированной в первые два года, а также ремонт рекультивированной поверхности отвала.
Технология формирования рекультивационного слоя в условиях дефицита потенциально-плодородных пород
Анализ практики ведения рекультивационных работ США /51/ показывает целесообразность неполного выравнивания поверхности при ее рекультивации и необходимость создания машин для формирования микрорельефа на поверхности и откосах породных отвалов, который способствует повышению эрозиоустойчивости.
С целью повышения эффективности технического этапа рекультивации путем создания профилированной во взаишо-перпендикулярных направлениях поверхности рекультивационного слоя предложено устройство для. планировки породных отвалов,
Устройство для планировки содержит раму I, выполненную в виде салазок со стойкой 2, исковыми роликами-грунтозацепами 3, установленный на раме шарнирно основной двухсторонний отвал 4, лебедки (не показаны) с рабочей 5 и холостой 6 ветвями канатов, дополнительный отвал 7, жестко закрепленный на кронштейне 8, установленном на стойке 2 рамы I при помощи шарнира 9, Кронштейн при этом опирается нижней кромкой на эксцентрики 10, установленные на дисковых роликах х нтозацепах 3, Имеются также блоки II, установленные на стойке 2 рамы I, на которых расположены рабочая 5 и холостая 6 ветви канатов. При этом обе ветви закреплены на дополнительном отвале 7 и пропущены по блокам II под шарниром 9, а холостая ветвь 6 огибает полупетлей шарнир 9,
Устройство работает следующим образом. Лебедки через рабочую ветвь 5 канатов передают тяговое усилие на дополнительна отвал 7 и о него через кронштейн 8 и шарнир 9 на стойку 2 и раму-салаз-ки I, которая начинает движение по поверхности отвала, вызывая вращение роликов-грунтозацепов 3, с закрепленными на них эксцен ф тршсами 10. При этом отвал 4 планирует поверхность и образует породные валики, параллельные направлению движения за счет схода породы с отвала 4 в боковые валики. Дополнительный отвал 7 под действием собственного веса и вертикальной составишь от тягового усилия лебедки заглубляется в спланированную основным отвалом поверхность, набирает призму порода, затем под действием вращающихся эксцентриков 10 нанижн» кромку кронштейна 8 выглубля-ется, разгружается, образует валик порода, перпендикулярный направлению движения и снова заглубляется. Эти операции дополнитель отвал 7 циклически повторяет. Так при движении устройства по поверхности породного отвала производится планировка и создается микрорельеф в виде сети породных валиков.
При реверсировании проводит натяжение ветви 6 канатов, которая теперь становится рабочей ветвью и отпускание ветви 5 канатов, которая становится холостой. Возникают силы, переворачивающие отвал .7 относительно основного отвала 4 вокруг шарнира 9, при этом дополнительный отвал 7 принимает положение за основным от-валом относительно направления движения, а холостая ветвь 5 огибает шарнир 9 по блокам П. Работа устройства аналогична работе в прямом направлении.
Дополнительный отвал имеет возможность фиксирования в нерабочем положении. В этом случав осуществляется работа по принципу известных устройств для планировки породных отвалов.
Предложенная система крепления канатов на планировочном устройстве позволяет не только переворачивать отвал при реверсировании, но и обеспечивает равномерную нагрузку на канаты при циклическом движении дополнительного отвала. Постоянная по величине сила сопротивления перемещению устройства для планировки достигается перераспределением нагрузки между основным 4 и вспомога 104 тельным 7 отвалами А именно: опускание и заглубление отвала 7 (увеличение сопротивления) вызывает уменьшение длины части рабочей ветви каната, расположенной мегду точкой кремния каната к дополнительному отвалу 7 и нижним блоком Пі В результате рама I со стойкой 2 замедляет скорость и сила сопротивления на отвал 4 уменьшается. Когда отвал 7 выглубляется и сила сопротивления резанию породы на нем падает, длина рабочей части каната между от-валом 7 и блоками II увеличивается, скорость рамы I увеличивается, сила сопротивления на отвале 4 возрастает. В процентном отношении перераспределение нагрузок на отвалы зависит от расстояния между шарниром 9 дополнительного отвала 7 и осью нижнего блока II,
Предложенное устройство для планировки породных отвалов позволяет повысить эффективность рекультивации путем создания профилированной во взаимно перпендикулярных направлениях поверхности ре-культивационного слоя, которая в плане представляет собой сеть породных валиков, что создает благоприятные условия для роста растений при биологическом этапе рекультивации, Такая поверхность позволяет интенсифицировать процессы восстановления нарушенных земель.
