Обоснование параметров гидровскрышных работ угольных разрезов с извлечением песка и гравия из гидросмеси

УДК 622.3.002.68 Ю.М. Мишин

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ГИДРОВСКРЫШНЫХ РАБОТ УГОЛЬНЫХ РАЗРЕЗОВ С ИЗВЛЕЧЕНИЕМ ПЕСКА И ГРАВИЯ ИЗ ГИДРОСМЕСИ

Обоснована возможность выделения песка и гравия из вскрышных пород угольных разрезов при их гидромеханизированной разработке. Кроме высокой экономической эффективности добычи этих строительных материалов данная технология обеспечивает комплексное использование минеральных ресурсов и способствует снижению экологической нагрузки в регионе.

Ключевые слова: гидромеханизация, вскрышные породы, песчано-гравийные смеси, гидрогрохот.

Яа угольных разрезах, когда для разработки четвертичных

вскрышных пород применяются гидромониторно-землесосные комплексы, в пляжной зоне гидроотвала отчетливо видны песок и гравий. Геологическая информация в проектах разработки угольных месторождений также подтверждает наличие строительных материалов, при этом их литологический состав, физико-меха-нические свойства и количественная оценка обычно не приводятся. При разведке угольных месторождений геологи не рассматривают возможность добычи песчаногравийных отложений из-за ограниченности запасов или засоренности глинистыми частицами. В таком случае необходимо обосновать параметры технологии ведения гидровскрышных работ с извлечением строительных материалов и оценить ее эффективность. При этом не только решается вопрос о формировании ресурсов, комплексном использовании потенциала недр, но и о снижении экологической нагрузки в регионе, так как не потребуется эксплуатация специального карьера для добычи песка и гравия. Проведенная экспертная оценка

объемов песчано-гравийных пород, находящихся во вскрышных породах ряда угольных разрезов показала наличие там около 800 млн. м3 песка и свыше 500 млн. м3 гравия. Вышеизложенное позволяет считать исследования в данном направлении актуальной научной задачей.

Проблемы комплексного использования ресурсов недр и полноты извлечения запасов при разработке месторождений полезных ископаемых являлись предметом исследования многих представителей научных школ академиков Н.В. Мельникова, В.В. Ржевского, К.Н. Трубецкого и основоположника гидромеханизации открытых горных работ проф. Г.А. Нурока. Опыт использования гидромеханизации при добыче песка и гравия стал отправной точкой в поиске решений по выделению строительных материалов из четвертичных вскрышных пород.

Гидромониторно-землесосный способ разработки четвертичных вскрышных пород является основой эффективности добычи песка и гравия (рис.

1). Подавляющая масса глинистых пород, обволакивающих

с!ср, пл, д=^Нг) д_д

Рис. 1. Гидровскрышные работы с извлечением песка и гравия

<------------ В забой Водовод

Рис. 2. Схема опытно-промышленной установки по выделению песка из гидросмеси вскрышных пород на разрезе «Бачатский»

Рис. 3. Взаимосвязи горнотехнических факторов, процессов и параметров технологии

отдельные зерна песка или гравия, диспергируется. Этот факт подтверждают результаты эксперимента, проведенного на разрезе «Бачатский» в Кузбассе (рис.

2). В результате гидроклассификации в шнековом сгустителе глинистая фракция направлялась в зумпф, а высококонцентрированная гидросмесь песка забиралась гидроэлеватором 2, перемывалась чистой водой и поступала на сгущение в гидроциклон 3. Там происходило повторное разделение гидросмеси

- слив направлялся в зумпф, а песчаная фракция 0,16-5,0 мм складировалась. Испытания показали, что глинистые частицы полностью диспергируются. В результате, с помощью примененного оборудования удалось выделить песчаную фракцию, однако этот песок был представлен частицами известняка (не соответствовал требованиям ГОСТа).

Анализ горнотехнических факторов, процессов и параметров технологии ведения гидровскрышных работ с извлечением строительных горных пород позволил выявить их взаимосвязи, определяющие возможную величину добычи песка и гравия (рис. 3).

Производительность гидрокомплекса по твердому (по породе) определяется режимом горных работ карьера исходя из требуемой производительности по добыче. С другой стороны, она зависит от таких параметров, как группа (категория) разрабатываемых пород и их физико-механических свойств, давление воды на насадке гидромонитора (и непосредственно связанные с ним - удельный расход воды и концентрация гидросмеси), диаметр пульповода (который определяется величиной критической скорости гидросмеси). Именно производительность гидрокомплекса по твердому, с учетом содержания в массиве песка и гравия, определяет тип и количество основного оборудования, а также

экономические параметры исследуемой технологии. Взаимозависимость основных параметров технологии ведения гидровскрышных работ с извлечением песка и гравия определяет необходимость оценки их комплексного влияния на производительность гидрокомплекса по твердому. В соответствии с существующими нормативными документами для IV, V и VI групп вскрышных пород (в которых присутствуют песок и гравий) были установлены зависимости относительной величины подачи гидросмеси от давления воды на насадке гидромонитора (рис. 4). Выразив величину подачи гидросмеси через расход, соответствующий движению гидросмеси с 10% превышением критической скорости и подставив ее выражение в зависимости, представленные на рисунке 4, после преобразований получим формулы для расчета производительности гидрокомплекса по твердому:

- для IV группы пород

0 = 8,7^?-5г х т ;м3/ч

х

- для V группы пород

0 = 8,7^?-4^5 - Р х т ;м3/ч

х

- для VI группы пород

0 = 8,7^?-4ф - 52 х т ;м3/ч

х

Полученные зависимости позволяют определить изменение производительности гидрокомплекса по твердому и расход гидросмеси при различных

160

150

140

130

120

110

100

1000 0* <2г 1 45,6 * Я, + 76.,1

1000 „ —— 0Х - 35,2 * Н, - Уу ^ 1000  67,6 ^ - 31,6 • Н, + 60,4

"

1,1

1,2

1,3

1,4

1,5

1,6

1,7

1,8

1,9 Нг, МПа

Рис. 4. Изменение отношения 1000 Qт/Qг в зависимости от давления воды на насадке гидромонитора для пород IV, V и VI групп

значениях давления воды на насадке гидромонитора с учетом группы разрабатываемых пород (рисунок 5), что дает возможность осуществить выбор основного и обогатительного оборудования.

Эффективность исследуемой технологии, а также объем добычи песка и гравия во многом зависят от процесса извлечения, одним из главных звеньев которого является гидроклассификация. Опыт гидроклассификации свидетельствует, что для гидросмеси, содержащей песчано-гравий-ные материалы и доставляемой системой напорного гидротранспорта, целесообразно гашение энергии потока и последующую переработку начинать с применения конического гидрогрохота. По этому вопросу наиболее значимыми для решения поставленных задач исследования, являются исследования Ф.Ф. Шаненко. В их основе крупномасштабный эксперимент по исследованию работы конических

грохотов. Преобразовав зависимости, характеризующие процесс гидроклассификации в коническом гидрогрохоте, для условий его работы в составе гидромониторно-землесосного комплекса разреза, получим формулу расчета выхода гравия из гидросмеси вскрышных пород:

О 3

Он = т00 {а-К+р-К'); м/ч,

где а, Р - соответственно содержание гравия и песка во вскрышных породах, разрабатываемых гидрокомплексом, %; От - производительность гидрокомплекса по твердому, м3/ч; Ог - производительность гидрокомплекса по гидросмеси, м3/ч; т - пористость породы, дол. ед.; q - удельный расход воды, м3/м3; К и К' - коэффициенты выхода гравия и песка в надрешетный продукт для соответствующего типоразмера грохота с учетом диаметра

Рис. 5. Графики зависимости расхода гидросмеси и производительности по твердому для условий разреза “Назаровский”

отверстий сита (перфорации), дол. ед.

Для более точных результатов расчета выхода надрешетного продукта Он (т.е. гравия), который фактически является главным критерием эффективности исследуемой комплексной технологии, и исключения достаточно трудоемкого качественно-количест-венного анализа гидроклассификации, была установлена эмпирическая зависимость относительной величины выхода гравия (5) - (рис. 6):

"7,36 - Т0~3 {К - а + Кр) +

Q н= <2,

+9,56 - Т0~5{К-а + Кр)2

3/ ,м /ч

Следует пояснить, почему наибольшую сходимость расчет по установлен-

ным зависимостям достигается при аргументе Ка+К' р. При применении конического гидрогрохота часть песчаной фракции, близкая по величине к значению граничного зерна (5 мм), из песчаной фракции переходит в товарную продукцию - гравий +5 мм. Количество песка, поступающего в гравий, выражается через коэффициент К , а величина К учитывает возможные потери гравия для принятого типоразмера гидрогрохота.

Установленные зависимости Т-5 позволяют оценить влияние основных параметров гидромониторно-зем-лесосных комплексов и свойств пород (подача воды и гидросмеси,

давление воды на насадке гидромонитора, удельный расход воды, пористость и

у=0н/0Е

у=7,36 1 0‘3*х-*-9 ,56*1 О 5*; 2 ^

1 о 2*Х

О

•X

о 1 о 20 30 40 50

Х=СЬСсх-ьЬф)

Рис. 6. Графики аналитической и эмпирической зависимости относительной величины выхода гравия при применении конического гидрогрохота

группа-категория разрабатываемых пород, а также содержание песка и гравия во вскрыше) на величину выхода гравия.

В процессе исследований, для обоснования параметров технологии гидровскрышных работ с извлечением песка и гравия, были рассмотрены три варианта организации обогати-тельных комплексов (рис. 7).

Вариант № 1 (рис. 7, а) является с технологической точки зрения наиболее простым, но при этом дает возможность получить в качестве товарного продукта только гравий фракции +5 мм. Песок, в этом случае, вместе с глинистыми, илистыми и пылеватыми частицами отправляется в гидроотвал.

Вариант № 2 (рис. 7, б) является в технологическом плане более сложным, чем рассмотренный выше. Зато он позволяет получить в качестве товарного продукта не только гравий класса +5 мм, а еще и песок фракции 0,16-5 мм.

Вариант № 3 (рис. 7, в) в технологическом отношении, является наиболее сложным из трех вариантов рассматриваемых технологических схем, но при

этом он дает возможность получить три вида товарной продукции: гравий +20 мм, гравий 5-20 мм и песок 0,165 мм.

Основой всех трех вариантов технологических схем является конический гидрогрохот, который осуществляет гидроклассификацию твердого, поступающего по трубопроводу от системы гидротранспортирования гидромониторно- землесосного комплекса разреза (вариант № 1).

В процессе исследования вариантов технологических схем были установлены их основные параметры, включая тип, количество и характеристику основного оборудования, а также эффективность разделения и выход товарной продукции. Технико-экономическое сравнение вариантов схем извлечения показало, что целесообразным решением является следующее. Сначала вводится в эксплуатацию технологическая схема с использованием только конического гидрогрохота (вариант № 1), имеющая максимальное значение величины прироста прибыли на вложенный капитал.

Затем, после истечения срока ее окупаемости, на средства, вырученные от реализации гравия, докупается оборудование и дальнейшая работа ведется по технологической схеме (вариант №3) с использованием конического гидрогрохота, виброгрохота, гидроциклона и спирального классификатора, имеющей максимальное значение величины прироста прибыли, остающейся на предприятии.

а)-технологическая схема с использованием конического гидрогрохота

б)-технологическая схема с использованием конического гидрогрохота, гидроциклона и спирального классификатора

в)-технологическая схема с использованием конического гидрогрохота, виброгрохота, гидроциклона и спирального классификатора капитал

Рис. 7. Технологические схемы извлечения песка и гравия из гидросмеси вскрышных пород: 1 -

конический гидрогрохот; 2 - гидроциклон; 3 - спиральный классификатор; 4 - консольный транспортер; 5 - виброгрохот; 6 - консольный транспортер

Рассмотренные варианты технологических схем выделения песка и гравия из гидросмеси вскрышных пород угольных разрезов в определенных случаях могут не обеспечить требования ГОСТа к строительным материалам из-за чрезмерного засорения их глинистыми частицами. В этом случае необходим процесс переработки полученной продукции с целью повышения потребительского качества строительных материалов. Очевидно, что он несколько усложнит разработанную технологию и увеличит затраты, но в результате повысится качество бетона или сократится расход цемента на его приготовление. Для осуществления процесса улучшения качества песка и гравия были рассмотрены технические средства, которые, по мнению специалистов, являются самыми эффективными, но не единственными. В частности применение бункера-смесителя позволяет в значительной степени увеличить процесс энергетического воздействия струи воды на песок и гравий по сравнению с вариантом подачи осветленной воды через насадки непосредственно в виброгрохот. Произведены расчеты капитальных и эксплуатационных затрат по этим вариантам схем извлечения (с промывкой), которые позволяют осуществить их техникоэкономическое сравнение и являются основой для определения области применения технологии ведения гидровскрышных работ с выделением песка и гравия.

В соответствии с разработанной методикой определения области эффективного применения исследуемой технологии, укрупненный алгоритм которой приведен на рисунке 9, величину валовой прибыли по рассматриваемому варианту приравниваем к нулю, а объем товарной продукции (строительных материалов) необходимо выразить как

функцию их содержания во вскрышных породах.

Область эффективного применения вариантов технологических схем можно определить и через величину рентабельности. Выразив ее значение в зависимости от содержания песка и гравия во вскрышных породах, получим графическую зависимость изменения рентабельности для исследуемых вариантов технологических схем (рис. 9). Точка пересечения графика с осью абсцисс определяет величину минимального значения аргумента (Ка+К'Р), при котором достигается безубыточная добыча строительных материалов из гидросмеси вскрышных пород и область эффективного применения соответствующего варианта технологической схемы.

Следовательно, область применения вариантов гидровскрышных работ с извлечением песка и гравия, рассчитанная из условия отсутствия прибыли, определяется положительным значением величины рентабельности (см. рис. 9), а величина аргумента (Ка+К'Р), обеспечивающая экономическую целесообразность реализации технологических схем составляет для вариантов: № 1 > 3,7 %, № 2> 3,8 % и № 3> 3,2-3,5 %. При разработке рекомендаций по применению технологии гидровскрышных работ с извлечением строительных горных пород для условий разреза «Назаровский» были рассмотрены три варианта комплектования гидрокомплекса (с промывкой). Выход товарной продукции при подаче гидросмеси 4000 м3/ч и содержании во вскрыше 5,6 % гравия и 8,8 % песка составил: по варианту № 1 -гравий класса +5 мм - 98 тыс. м3/год; по варианту № 2 - гравий класса +5 мм -98 тыс. м3/год, песок фракции 0,16-5 мм

- 69,1 тыс. м3/год (модуль крупности 2,30);

по варианту № 3 - гравий классов 5-20 и +20 мм соответственно 32,7 и 45,2 тыс.

R, % 350

300 250 200 1 50 100 50

0

-50

«Л =75% «Л = 100% 2*

N

«Л =50%

сС- =25% Вар №2

/$> £ ЛГ ✓

Вар №3 Вар №1

(Ка+К'р), %

4 6 8 10 12 13 14 15

а+0,26»р, %

Рис. 9. Рентабельность и область применения вариантов

9,3 тыс.

м3/год и песок класса -5 мм м3/год (модуль крупности 2,74).

Принятая к проектированию на разрезе «Назаровский» гидромеханизированная технология отработки передового уступа по сравнению с экскаваторной разработкой на железнодорожный транспорт значительно уменьшает объем инвестиций и

в 1,5-2 раза величину эксплуатационных затрат (издержек). Диапазон прибыли от реализации строительных материалов в зависимости от варианта технологии извлечения изменяется от 24,5 до 42,9 млн. руб. в год, что снижает затраты на разработку вскрыши на 10-12 %.

СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ

1. Кононенко Е.А., Мишин Ю.М. Добыча строительных материалов при гидромеханизированной разработке вскрышных пород на разрезах // Горный информационноаналитический бюллетень. - 2008. - № 11. -С. 180-185.

2. Артемьев В.Б., Кононенко Е.А., Мишин ЮМ. Добыча песка и гравия из четвер-

тичных вскрышных пород // Уголь. - 2009. - № 4. - С.34-38.

3. Мишин Ю.М. Гидромеханизированная разработка вскрышных пород как способ рационального использования минерального сы-рья//Маркшейдерия и недропользование. -2010. - № 2. - С.30-32. ВШЭ

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ

Мишин Юрий Михайлович - аспирант кафедры «Технологии и комплексной механизации открытых горных работ», Московский государственный горный университет, начальник технического управления открытых горных работ Сибирской угольной энергетической компании (СУЭК), е-таіі: mishinjm@msk.suek.ru .