ЧИСЛЕННОЕ ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ОТВАЛА В КАРЬЕРНОЙ ВЫЕМКЕ С ПРИМЕНЕНИЕМ ДРАГЛАЙНА

УДК 622.271.4

ЧИСЛЕННОЕ ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ОТВАЛА В КАРЬЕРНОЙ ВЫЕМКЕ С ПРИМЕНЕНИЕМ ДРАГЛАЙНА

Н.М. Качурин, Е.В. Курехин

Проведены исследования параметров отвалообразования вскрышных пород в карьерной выемке с применением драглайна. Разработана методика определения устойчивости приоткосного массива в карьерной выемке с размещением экскаватора драглайна. Выполнен расчет устойчивости отвальных работ. Получены зависимости высоты отвала при разгрузке породы в карьерной выемке в зависимости от физико-механических характеристик отвальных пород, углов откоса бортов и торцов карьерной выемки и рабочих параметров драглайна. В результаты выполненных исследований установлено, что с увеличением радиуса разгрузки драглайна высота отвала линейно возрастает, что позволяет повысить эффективность отвальных работ.

Ключевые слова: карьерная выемка, экскаватор драглайн, высота отвала, устойчивость отвальных работ.

Введение

Увеличение добычи угля открытым способом приводит к изъятию земельных ресурсов для размещения вскрышных пород на внешних отвалах. Это обусловлено горно-геологическими условиями разработки угольных месторождений, которые представлены угольными пластами наклонного и крутого падения.

Анализ параметров и показателей разработки угольных месторжде-ний открытм способом показал, что глубина карьерных полей ограниченной длины (до 2 км) составляет 100 - 120 м, ширина 50 - 300 м.

Организация производства отвальных работ должна быть эффективной и обеспечить минимальные затраты на транспортирование вскрышных пород. Оставшиеся после открытой разработки карьерные выемки характеризуются небольшими геометрическими параметрами и располагаются на небольшом расстоянии (1 - 3 км). Следовательно, их можно использовать для размещения вскрышных пород отработанного участка. Засыпку карьерной выемки желательно осуществлять с дневной поверхности одним ярусом на полную глубину выемки. Возможность применения технологической схемы отвалообразования обусловлена глубиной засыпаемой карьерной выемки и физико-механическими свойствами складируемых горных пород.

Накопленный опыт размещения вскрышных пород в карьерной выемке был использован при складировании пород в глубоких карьерах [1]. Землесберегающие технологии в условиях крутопадающих месторождений исследованы в работах [2-8]. Зарубежный опыт применения драглайнов,

бульдозеров на складировании вскрышных пород показал их эффективность на отвальных работ [9, 10].

Засыпка карьерной выемки характеризуется относительно небольшой глубиной (до 100 м) и размещением на верхней площадке тяжелого горно-транспортного оборудования. Для безопасности отвальных работ и повышение устойчивости бортов карьерной выемки, в нижней ее части следует создавать мероприятия, препятствующие сдвигу породы и ее обрушению.

Безопасность отвальных работ обеспечивается отсыпаемой призмы из скальных пород [3]. Выбор схемы засыпки зависит от угла откоса бортов карьерной выемки, ширины дна выемки, параметров и показателей отвального оборудования, направления отвальных работ (продольное, поперечное).

Основным показателем, влияющим на устойчивость приоткосного массива (борт карьера, отвального яруса), является динамическая весовая нагрузка от горного оборудования в процессе работы и перемещения.

Специфика работы горного оборудования заключается в том, что работы по отвалообразованию выполняются в приоткосной зоне, в условиях отсыпанного неуплотненного массива отвальных пород. Поэтому особенно значимым является обеспечение безопасности работ, в том числе правильное определение установки данного оборудования за пределами зоны возможных деформаций пород приоткосного массива. Для этих условий рационально применять горное оборудование с большими линейными параметрами (драглайн), который размещают вне призмы возможного сползания или используют мобильное технологическое оборудование (бульдозеры, автосамосвалы).

Основная часть

Главное условие предельного равновесия на любой площадке скольжения в откосах отвальных пород вытекает из теории прочности (пластичности) Кулона-Мора [11] и заключается в следующем:

т = / К ),

где т и ав - касательные и нормальные напряжения на данной площадке.

В однородном откосе элементарные площадки скольжения возникают с глубины [11]

сто 2С

У У V 4 2)

где С - удельное сцепление отвальных пород, т/м2; у - плотность отвальных пород, т/м3; ф - угол внутреннего трения пород, град.; а0 - нормальная компонента вектора напряжений, действующая на площадке.

Ширина призмы возможного обрушения без нагрузки и при нагрузке горным оборудованием определена по формуле [12]

2Н

а =

1 - ctgatg

г а + фЛ 2

- 2 Н

90

+ tg

г а + фЛ 2

где Н - высота откоса отвального приямка, м; а - ширина призмы возможного обрушения без нагрузки, м; а - угол откоса отвального приямка, град.; Н90 - высота вертикальной трещины отрыва, м; в - угол расположения элементарных площадок скольжения, град.

Высота вертикальной трещины отрыва

2С

Н90 = — ^в.

У

Угол расположения элементарных площадок скольжения

в = 45°. 2

Разгрузка вскрышной породы осуществляется драглайном, который размещается на поверхности в приоткосной зоне массива карьерной выемки, в отвал который расположен в карьерной выемке.

Основными условиями, обеспечивающими безопасность отвальных работ являются: установка драглайна за пределами возможной зоны деформации горных пород в приоткосной зоне карьерной выемки; разгрузка вскрышной породы драглайном, с учетом обеспечения устойчивости борта карьерной выемки.

Для обеспечения безопасности отвальных работ с применением драглайна необходимо выполнить расчет устойчивости:

- приоткосного массива с созданием отвальных заходок в карьерной выемке и установки драглайна (рис. 1);

- отвальной зоны с разгрузкой породы драглайном в отвал с торца карьерной выемки (рис. 2).

Рис. 1. Схема к расчету устойчивости приоткосного массива с созданием отвальных заходок в карьерной выемке и установки

драглайна

Для предотвращения распространения сползающих пород в приот-косной зоне карьерной выемки, драглайн складирует породу первой отвальной заходкой, создавая одновременно эффект упорной призмы в по-цессе отвалообразования (рис. 1). Драглайн складирует вскрышные породы продольной отвальной заходкой, количество которых определяется шириной дна карьерной выемки в зависимости от радиуса разгрузки экскаватора.

Рис. 2. Схема к расчету устойчивости отвальной зоны с разгрузкой породы драглайном в отвал с торца карьерной выемки

Для обеспечения установки драглайна за пределами возможной зоны деформации пород в приоткосной зоне карьерной выемки необходимо решить систему уравнений

Н

А = х + а + 0,5/; х =

tga

кв ; Яр >А;

2Н

а=

1 - ctgatg

Аа + фл 2

- 2Н

90

^ + tg

Аа + фл 2

где х - расстояние от нижней бровки карьера до проекции верхней бровки на горизонтальную площадку, м; А - расстояние от нижней бровки карьера до проекции границы лыжи драглайна на горизонтальную площадку, м; а - ширина призмы возможного обрушения, м; Яр - радиус разгрузки драглайна, м; I - длина лыжи драглайна (1=11 м), м.

В исследованиях приняты следующие исходные данные: экскаватор драглайн, с радиусом разгрузки (Яр=50 - 100 м), угол откоса борта карьерной выемки (а=30...45о); угол откоса торца карьерной выемки (ат=40...45о); глубина карьерной выемки Якв=40 - 100 м; объемный вес породы (плотность) у=1,98.2,98, т/м3; угол внутреннего трения ф=16,4... 18,2, град.; расчетные средневзвешенные характеристики элементов борта приняты при коэффициенте «=1,3.

<

V.

Физико-механические характеристики отвальных пород, представлены в табл. 1.

Таблица 1

Наименование пород у, т/м3 С, т/м2 Ф, град.

Отвальная смесь 1,9 1,5 33

С увеличением радиуса разгрузки драглайна расстояние от нижней бровки карьера до проекции границы лыжи драглайна на горизонтальную площадку (А) составит от 30 до 86,9 м. Результаты расчетов - в табл.2. Для экскаватора драглайн ЭШ-10.70 это расстояние составит 58,4 м.

Таблица 2

Расстояние от нижней бровки карьера до проекции границы лыжи

Радиус разгрузки, м Глубина ка] рьерной выемки (Нкв), м

20 30 40 50 60

50 30,0 44,2 - - -

60 30,0 44,2 58,4 - -

70 30,0 44,2 58,4 - -

80 30,0 44,2 58,4 72,7 -

90 30,0 44,2 58,4 72,7 86,9

100 30,0 44,2 58,4 72,7 86,9

Результаты исследований показали, что между высотой отвала (Но) при разгрузке породы драглайном в карьерную выемку и радиусом разгрузки существует зависимость, следующего вида:

Но = оМП ,

где Но - высота отвала, м; а - регрессионный коэффициент; п - показатель степени; Яр - радиус разгрузки драглайна, м.

Уравнения для определения высоты отвала при разгрузке породы в карьерной выемке, в зависимости от места установки экскаватора: - с приоткосного массива

Н о = (0,0012а2 - 0,0808а + 1,8456)Яр° - с торца карьерной выемки

Но=(0,1558ат-362 ) К^6492 а°,1Э06

0,0006 а2 + 0,0436 а + 0,183

^т ) кр ,

где а - угол откоса бортов карьерной выемки, град.; ат - угол откоса торца карьерной выемки, град. Достоверность аппроксимации уравнений (8) - (9) Я2=0,99 %.

Зависимость высоты отвала от радиуса разгрузке драглайна, при разгрузке породы в карьерную выемку с приоткосного массива (рис. 3, а), с торца карьерной выемки (рис. 3, б).

а

б

Н о, м 70 60 50 40 30 20 10 0

а=30 а=40

а=35 а=45

Н о 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

м

анб=40

анб=45

у> 84

75 > 75

67 '67

58 '5? * 59

44

36

40 50 60 70 80 90 100 Д

Р'

м

40 50 60 70 80

90 100 Др, м

Рис. 3. Зависимость высоты отвала от радиуса разгрузке драглайна при разгрузке породы в карьерную выемку: а - с приоткосного массива;

б - с торца карьерной выемки

Участок «Бунгуро-Листвянский-4 и Михайловский» представляет собой нарушенную горными работами поверхность.

На западе и востоке участка в настоящее время горные работы не производятся в связи с полной отработкой запасов. Западная карьерная выемка имеет размеры в плане 900x350 м, глубину - до 100 м. Параметры восточной выемки составляют 1050x600 м, глубина - до 110 м.

Часть верхних горизонтов отработывалась по бестранспортной технологии экскаватором ЭШ-10/70. Транспортирование горной массы осу-ществляось по скользящему съезду, заложенному по восточному борту от северного торца карьера.

Общий вид участка «Бунгуро-Листвянский-4 и Михайловский» и карьерные выемки представлены на рис. 4.

На фотографии (рис. 5) показано размещение вскрышных пород в карьерной выемке блока № 4 участка «Бунгуро-Листвянский-4 и Михайловский». Высота отвала составила Но=30 м.

На горизонте 300-350 вскрышные породы объемом 2,116 млн.м3 планируется разместить в нижней части карьерной выемки блока № 4, драглайном ЭШ-10.70, на высоту яруса от 19 до 27 м. Длина отвального фронта составляет 100 м. Угол откоса бортов карьерной выемки составляет с северной и южной стороны соответственно 26 и 52°.

Рис. 4. Схема расположения карьерной выемки блока № 4 участка «Бунгуро-Листвянский-4 и Михайловский»

Рис. 5. Размещение вскрышных пород в карьерной выемке блока № 4 участка «Бунгуро-Листвянский-4 и Михайловский»

Средства механизации, принятые для складирования породы в отвале: экскаватор драглайн ЭШ-10.70; автосамосвалы БелАЗ-7555В (55 т); Bell 50D (45,4 т); бульдозера Т-35.01.

Годовая производительность экскаватора ЭШ-10.70 на складировании породы в отвале составит 1,79 млн м3. Расчетный радиус разгрузки при размещении вскрышных пород драглайном ЭШ-10/70 в карьерную выемку с учетом устойчивости борта представлен в табл. 3.

Таблица 3

Радиус разгрузки драглайна ЭШ-10.70 при складировании породы в карьерную выемку блока № 4 в зависимости от высоты отвала

Угол борта карьера, град Высота отвала, м

20 30 40 50 60 70

26 41,0 68,6 - - - -

52 22,5 31,2 39,9 48,6 57,3 65,9

Примечание. Угол внутреннего трения ф=23°-43°; сцепление в куске в сухом состоянии С=0,33-2,31 т/см2 (песчаник, алевролит); плотность породы у=2,35-2,77 т/м3.

Схема к определению объема отвальных заходок для складирования вскрышных пород в нижней части карьерной выемки блока № 4 драглайном ЭШ-10.70 показана на рис. 6.

Рис. 6. Схема к определению объема отвальных заходок для складирования вскрышных пород в нижней части карьерной выемки блока № 4 драглайном ЭШ-10.70

Результаты расчетов параметров отвала в нижней части карьерной выемке представлены в табл. 4.

Таблица 4

Параметры отвала в нижней части карьерной выемки

Параметры Количество отвальных заходок

1 2 3 4 5

Ао, м 140,0 140,0 140,0 140,0 94,0

5, м2 4 415,5 5 759,9 4 740,5 4 462,6 1 786,7

V, м3 441 550,0 575 990,0 474 050,0 446 260,0 178 670,0

V, м3 2 116 520,0

Примечание. Ао - ширина отвальной заходки, м; £ - площадь профиля отвала, м2; V -объем вскрышных пород планируемый для размещения в отвал, м3.

Технологическая схема отвалообразования вскрышных пород в карьерной выемке в блоке № 4 участка «Бунгуро-Листвянский-4 и Михайловский» представлена на рис. 7.

Разрез Б-Б

• - -  У \/ 7! +

ЗМ + А Уш 4 \

V И7 V 71 + зшс 7

Рис. 7. Технологическая схема отвалообразования вскрышных пород в карьерной выемке блока № 4 участка «Бунгуро-Листвянский-4 и Михайловский» с применением драглайна ЭШ-10.70

Технология складирования вскрышных пород драглайном ЭШ-10.70 в нижнюю часть карьерной выемки (гор. 300....350) заключается в следующем.

Вскрышные породы размещаются в карьерной выемке продольными заходками. При ширине карьерной выемке 653 м и с учетом отвальной заходки драглайна от 94 до 140 м количество отвальных заходок составляет пять. Высота яруса первой заходки составляет 27 м.

Высота яруса при складировании породы второй, третьей и четвертой заходки составляет 46.50 м. Высота яруса в последней заходки не превышает 28 м.

Транспортирование породы осуществляется карьерным автосамосвалами до приемной ямы, расположенной на горизонте № 350.

Драглайн первой отвальной заходкой шириной 140 м, осуществляет складирование породы вдоль борта карьерной выемки. Далее второй и последующими заходками драглайн складирует породу до южного борта карьерной выемки.

Время складирования породы с применением драглайна ЭШ-10.70 с годовой производительности в 1,79 млн м3, при длине отвального фронта работ 100 м составит 1,18 года.

Заключение

Результаты исследований процесса отвалообразования показали, что для складирования вскрышных пород в карьерной выемке рекомендуется использовать экскаваторы драглайны с радиусом разгрузки от 70 до 100 м.

При размещении вскрышных пород в карьерной выемке с применением экскаватора драглайна с радиусом разгрузки 70 м высота отвала составит 24 - 48 м, с увеличением радиуса разгрузки равным 100 м высота отвала увеличится на 27.30 % и составит 33 - 69 м.

Разработаны технологические схемы отвалообразования вскрышных пород в карьерной выемке с применением драглайна, бульдозера и автомобильного транспорта, продольными и поперечными отвальными заходками, в зависимости от геометрических параметров карьерной выемки.

Результаты внедрения на участке «Бунгуро-Листвянский-4 и Михайловский» технологической схемы отвалообразования вскрышных пород в карьерной выемке блока № 4 с применением драглайном ЭШ-10.70 с годовой производительностью 1,79 млн м3 показали, что при длине отвального фронта работ 100 м, высоте отвала 27 м, время складирования породы на горизонте 300 - 350 м составляет 1,18 года.

Список литературы

1. Анисимов O.A. Технология строительства и разработки глубоких карьеров: монография. Д.: Национальный горный университет, 2015. 266 с.

2. Коваленко В. С., Николаев А. В. Рациональное использование и охрана природных ресурсов при открытых горных работах: охрана земельных ресурсов: учеб.пособие. M: Изд. Дом НИТУ «MH^O». 2016. - 190 с.

3. Дриженко А.Ю. Восстановление земель при горных разработках. M.: Недра, 1985. 240 с.

4. Ржевский В.В. Открытые горные работы. Ч.2. Технология и комплексная механизация. M.: Недра, 1985. 552 с.

5. Саканцев Г.Г. Исследования факторов, определяющих условия формирования карьерного пространства при разработке глубокозалегаю-щих месторождений ограниченной длины с внутренним отвалообразова-нием // ГИАБ. 2000. № 11. С. 127-133.

6. Габитов РМ., Гавришев С.Е. Бондарева А.Р. Анализ условий формирования внутреннего отвала при реконструкции карьера «Mалый Куйбас» // 2006. С. 333-340.

7. Типовые технологические схемы ведения горных работ на угольных разрезах. Челябинск: НИИОГР, 1992. 328 с.

8. Курехин, Е.В. Технологические схемы отвалообразования вскрышных пород в карьерной выемке смежного участка // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. Томск. 2017. № 5. С. 67-82.

9. Lee BuchBaum. A Landslide victory // Coal Age. 2011. Vol. 116. № 5. Р. 48 - 52.

10. By Ryan Sharp, Charles Constancon. New Options for Dragline Maintenance Optimize Production Performance. Technological innovations can help optimize and in some cases reduce maintenance and inspection workloads. // Coal August. 2016. Vol. 121. № 8. Р. 34.

11. Фисенко Г.Л. Устойчивость бортов карьеров и отвалов. M.: Недра, 1965. 378 с.

12. Mетодические указания по определению углов наклонов бортов, откосов уступов и отвалов строящихся и эксплуатируемых карьеров / Г.Л. Фисенко [и др.]. Л.: ВНИЖИ, 1972.

Качурин Николай Михайлович, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, ecologyjsujula@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Курехин Евгений Владимирович, канд. техн. наук, доц., kev.ormpi@kuzstu.ru, Россия, Кемерово, Кузбасский государственный технический университет имени Т. Ф. Горбачева

NUMERICAL GEOMECHANICAL MODELING PARAMETERS OF THE DUMP IN THE QUARRY EXCAVATION WITH THE USE OF DRAGLINE

N.M. Kachurin, E.V. Kurekhin

Studies of the parameters of overburden formation in a quarry excavation using a dragline have been carried out. A method for determining the stability of a slope array in a quarry excavation with the placement of a dragline excavator has been developed. The calculation of the stability of the dump works was carried out. The dependences of the height of the dump during unloading of rock in the quarry excavation are obtained depending on the physical and mechanical characteristics of the dump rocks, the slope angles of the sides and ends of the quarry excavation and the working parameters of the dragline. In the results of the performed studies, it was found that with an increase in the unloading radius of the dragline, the height of the dump increases linearly, which makes it possible to increase the efficiency of dump operations.

Key words: quarry excavation, excavator dragline, dump height, stability of dump operations.

Kachurin Nikolay Mikhailovich, doctor of technical sciences, professor, head of the chair, ecologyjsujula@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Kurekhin Evgeny Vladimirovich, candidate of engineering sciences, associate professor, kev.ormpi@kuzstu.ru Russia, Kemerovo, Kuzbass State Technical University named after T. F. Gorbachev

Reference

1. Anisimov O.A. Technology of construction and development of deep quarries: monograph. D.: National Mining University, 2015. 266 p.

2. Kovalenko V. S., Nikolaev A.V. Rational use and protection of natural resources in open-pit mining: protection of land resources: textbook.stipend. M: Ed. The house of NUST MISIS. 2016. - 190 p.

3. Drizhenko A.Yu. Restoration of lands during mining. M.: Nedra, 1985. 240 p.

4. Rzhevsky V.V. Open-pit mining. Part 2. Technology and complex mechanization. M.: Nedra, 1985. 552 p.

5. Sakantsev G.G. Studies of factors determining the conditions for the formation of a quarry space during the development of deep-lying deposits of limited length with internal dump formation // GIAB. 2000. No. 11. pp. 127-133.

6. Gabitov R.M., Gavrishev S.E. Bondareva A.R. Analysis of the conditions for the formation of an internal dump during the reconstruction of the "Small" quarry Kuibas" // 2006. pp. 333-340.

7. Typical technological schemes of mining operations at coal mines. Chelyabinsk: NIIOGR, 1992. 328 p.

8. Kuryokhin, E.V. Technological schemes of overburden formation in the quarry excavation of an adjacent site // Proceedings of Tomsk Polytechnic University. Georesource engineering. Tomsk. 2017. No. 5. pp. 67-82.

9. Lee BuchBaum. A Landslide victory // Coal Age. 2011. Vol. 116. No. 5. p. 48 -

52.

10. By Ryan Sharp, Charles Constancon. New Options for Dragline Maintenance Optimize Production Performance. Technological innovations can help optimize and in some

cases reduce maintenance and inspection workloads. // Coal August. 2016. Vol. 121. No. 8. p. 34.

11. Fisenko G.L. Stability of the sides of quarries and dumps. M.: Nedra, 1965.

378 p.

12. Methodological guidelines for determining the angles of slopes of sides, slopes of ledges and dumps of quarries under construction and operated / G.L. Fisenko [et al.]. L.: VNIMI, 1972.

УДК 622.234.8

МОДЕЛИРОВАНИЕ ОТРАБОТКИ ПОРОДОУГОЛЬНЫХ БЛОКОВ СЛОЖНОГО СТРОЕНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИМИ ЭКСКАВАТОРАМИ

Н.М. Качурин, Е.В. Курехин

Сложноструктурные угольные месторождения Кузнецкого бассейна характеризуется наличием угольных пластов малой мощности, доля которых составляет 50 % от всех угольных пластов. Свитовое залегание угольных пластов с породными прослоями обусловливает применение гидравлических экскаваторов с менее мощным ковшом, что позволит повысить полноту выемки месторождений. Применение технологических схем и селективного способа отработки угольных пластов, который не подлежит обогащению, повысит эффективность открытой угледобычи. Для этих условий предлагается методика, позволяющая определить время отработки породо-угольного блока при селективной выемки угольных пластов малой мощности. Установлены зависимости времени отработки угольных пластов мощностью от 1 до 3 м и вскрышных пород от угла падения с отработкой гидравлической обратной лопатой с вместимостью ковша от 1 до 3 м3.

Ключевые слова: маломощный угольный пласт, время отработки блока, гидравлический экскаватор, селективная выемка угля.

Введение

Разработка угольных месторождений Кузбасса характерна сложно-структурным строением пластов. Маломощные угольные пласты (до 10 м) составляют 50 % от всех пластов [1, 2].

По отношению ко всей горной массе способ выемки в соответствии с терминологией акад. В.В. Ржевского может быть либо валовым, либо раздельным. По отношению к угольному пласту выделяют валовый, селективно-валовый и селективный способ отработки [3].

Валовый способ выемки горной массы и валовый способ отработки пласта: из забоя поступает только разубоженный уголь, подлежащий дальнейшему обогащению [4]. Этот способ приводит к дальнейшему увеличению эксплуатационных затрат и стоимости 1 т угля.