ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВСКРЫШНЫХ РАБОТ ПРИ РАЗРАБОТКЕ ПОЛОГИХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ

УДК 622 https://doi.org/10.21440/2307-2091-2021-3-107-112

Повышение эффективности вскрышных работ при разработке пологих угольных пластов

Борис Николаевич ЗАРОВНЯЕВ* Наталья Николаевна САВВИНОВА**

Северо-Восточный федеральный университет им. М. К. Аммосова Аннотация

Актуальность.На Северо-Востоке России расположено множество сложноструктурных угольных месторождений с горизонтальными и пологими углами залегания, такие как Эльгинское, Нерюнгринское, Чульмаканское, Денисовское, Кабактинское и др. Анализ технологии ведения вскрышных работ в условиях многолетней мерзлоты показал возможность расширения области применения бестранспортной технологии вскрышных работ с применением взрывного перемещения пород во внутренний отвал. В связи с этим оптимизация областей применения транспортной и бестранспортной систем со сбросом части вскрыши взрывом во внутренний отвал является актуальной научно-технической задачей.

Цель исследования. Повышение эффективности открытой разработки сложноструктурных месторождений с горизонтальными и пологими углами залегания в условиях многолетней мерзлоты со сбросом части вскрыши взрывом во внутренний отвал.

Результаты. Для повышения эффективности разработки сложноструктурных угольных месторождений целесообразно увеличение высоты уступа для бестранспортной технологии с некоторым увеличением объемов вторичной экскавации с целью повышения емкости отвала путем перераспределения объемов с транспортной вскрыши на бестранспортную, что приведет к снижению общей себестоимости вскрышных работ. Результаты выполненных исследований эффективности сброса пород вскрыши во внутренний отвал при нисходящей разработке пластов с разными углами падения и изменении ширины заходки показывают уменьшение коэффициента сброса с увеличением ширины заходки, так как имеется предельно эффективное значение коэффициента сброса, установленное при ширине заходки 25-30 м. Дальнейшее увеличение ширины заходки при использовании взрыва на сброс неэффективно.

Выводы. Эффективность разработки сложноструктурных угольных месторождений может быть обеспечена повышением высоты уступа для бестранспортной технологии с некоторым увеличением объемов вторичной экскавации с целью повышения емкости отвала. При этом приращение дополнительных объемов переэкскавации может составить от 15 до 60 %, что компенсируется перераспределением объемов с транспортной вскрыши на бестранспортную и обеспечивает снижение общей себестоимости вскрыши.

Ключевые слова: сложноструктурные месторождения, разрез, внутреннее отвалообразование, экскавация, коэффициент сброса, вместимость отвала.

Введение

Для развития угольной отрасли необходимо создание и совершенствование эффективных технологий, способных значительно повысить экономическую целесообразность разработки угольных месторождений. При разработке сложноструктурных пологих месторождений из всех систем разработки наиболее высокие технико-экономические показатели имеет бестранспортная система разработки, при которой трудоемкость вскрышных работ в 3-3,5 раза, а затраты на один кубометр вскрыши в 1,5-2,5 раза меньше, чем при транспортной системе, что и определяет необходимость значительного расширения области применения бестранспортной системы разработки [1-3].

Технологические схемы отвалообразования вскрышных пород при разработке горизонтальных и пологих месторождений сплошными и углубочно-сплошными системами разработки с поперечным и продольным размещением фронта горных работ представлены в работах [4-7].

Sbn.zarovnyaev@s-vfu.ru "mine_academy@mail.ru

При этом используется землесберегающий способ отвалообразования, который значительно повышает эффективность открытой угледобычи. Как показывает практика, использование карьерной выемки смежного участка также позволяет повысить эффективность транспортирования вскрышных пород средствами автотранспорта. Такие технологические схемы могут быть использованы при проектировании и эксплуатации новых участков открытой добычи угля, а также со смежным расположением карьерного поля. Когда два соседних карьера одновременно разрабатываются в одном и том же направлении с определенным соотношением времени и пространства, схема горных работ на бывшем карьере будет сильно влиять на план развития горных работ и экономические показатели открытой разработки месторождений.

Что касается рекультивации карьерного поля, выполнены большой объем вычислительных, проектных,

экспериментальных работ и оценка устойчивости откоса отвала [8-13]. Таким образом, основной задачей работы является повышение эффективности вскрышных работ с использованием технологии бестранспортной вскрыши с частичным сбросом пород вскрыши во внутренний отвал.

Вторым, наиболее эффективным путем ресурсосбережения при бестранспортных системах разработки является использование энергии взрыва для частичного перемещения вскрышных пород в выработанное пространство. Актуальность применения взрывов на сброс при бестранспортной системе разработки возрастает пропорционально усовершенствованию методов и параметров взрывания. В результате значительно повышается экономическая целесообразность технологии вскрышных работ, которая позволяет увеличить объемы и интенсифицировать темпы вскрышных работ. С другой стороны, это позволяет сократить дополнительные капитальные затраты и освободить парк экскаваторной и транспортной техники за счет частичного сброса вскрыши в выработанное пространство, уменьшить объем экскавации, исключить переэкскавацию и тем самым повысить эффективность вскрышных работ.

Результаты исследований механизма сброса вскрышных пород в выработанное пространство представлены в работе [14], где приведены результаты экспериментальных массовых взрывов скважинными зарядами. При порядном взрывании такие взрывы обеспечивают направленный выброс горной массы и высокий коэффициент сброса пород вскрыши.

Для увеличения коэффициента сброса пород рекомендуется применять наклонные парно-сближенные скважины, как правило, параллельные откосу уступа, с порядным короткозамедленным взрыванием [15]. При этом эффект сброса зависит от удельного расхода ВВ.

Таким образом, эффект сброса достигается за счет двух главных факторов: усиленных скважинных зарядов с повышенным до qp = 1,2-1,5 кг/м3 и более удельным расходом ВВ и наклонным расположением скважин с усилением котловыми зарядами или парно-сближенными скважина-

ми в тыльной части взрываемого блока. Для формирования развала взорванной горной массы скважины бурят параллельно откосу уступа. При бестранспортной технологии используется взрывание с частичным сбросом породы в выработанное пространство. Это дает преимущество, так как с увеличением ширины развала увеличивается объем сбрасываемой в отвал породы. Таким образом, для еще большего усиления взрыва в последнем ряду используются парно-сближенные скважины.

При этом на месторождении, согласно существующему состоянию горных работ, верхние горизонты отрабатываются транспортной системой разработки с применением гидравлических экскаватора Коша18ц РС-1250-8 с погрузкой горной массы в автосамосвал.

Недостатками этого способа являются высокая себестоимость вскрышных работ и увеличение вредных выбросов в атмосферу. В связи с этим на месторождении рекомендуется бестранспортная система разработки на нижнем горизонте с использованием взрыва на сброс.

К примеру, рассмотрим технологию ведения горных работ на Чульмаканском месторождении, где характерной особенностью технологии является повышенный удельный расход ВВ до 1,5 кг/м3 при глубине скважины 15 м, линия сопротивления по подошве W = 7 м. При этом ширина развала взорванной горной массы для многорядного взрывания составляет 72 м. Ширина заходки при перевалке вскрыши в отвал шагающим экскаватором ЭШ-25/90 составляет 47 м. Объем взрываемого блока составляет 76 986 м3. Объем сбрасываемой горной массы 26 176,2 м3, при этом коэффициент сброса по Н. Я. Репину составляет 0,34.

Как показывает практика эксплуатации пологих и наклонных месторождений с большим объемом вскрыши, наибольшую эффективность показали комбинированные технологии, включающие транспортную вскрышу на верхних горизонтах, бестранспортную - на нижних горизонтах и частичный сброс пород вскрыши на нижних горизонтах. Основная принципиальная схема работ представлена на рис. 1.

Рисунок 1. Принципиальная технологическая схема разработки горизонтальных и наклонных пластов угля со сбросом части вскрыши

Figure 1. Process flow schematic of the development of horizontal and inclined coal seams with the discharge of a part of the overburden

Кс

сбр

0,45 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0

0 10 20 30

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55 Шз

Рисунок 2. Зависимость коэффициента сброса от ширины заходки Figure 2. Dependence of the fault ratio on the bench width

5

При этом границей разделения технологических схем являются их технико-экономические показатели: необходимая скорость перемещения фронта горных работ, себестоимость, параметры оборудования, емкость внутреннего отвала, условия перехода от одной технологической схемы к другой. Как правило, скорость перемещения горных работ определяет производительность разреза по углю. При этом определяющую роль играет выбор шагающего экскаватора, работающего на нижнем горизонте, и возможность сокращения объемов экскавации в результате применения взрыва на сброс. Последнее является очень важным процессом в технологической цепочке, так как от этого зависят объем и себестоимость экскавации в целом. В связи с этим были рассмотрены конструктивные технологические схемы с применением взрыва на сброс при различной ширине заходки при разных углах наклона пласта (0о, 10о, 20о, 30о) при следующих постоянных условиях ведения взрывных работ: коэффициент крепости пород по М. М. Протодьяконову принимался равным 7-10, удельный расход ВВ - 1,3 кг/м3, мощность пласта 4 м, ширина заходки изменялась от 15 до 55 м, высота уступа 15 м, диаметр скважин 200 мм. Рассматривалось изменение коэффициента сброса Ксбр от ширины заходки при разных углах наклона пласта при нисходящей схеме отработки.

Были рассмотрены коэффициенты сброса Ксбр при углах наклона пласта 0о, 10о, 20о, 30о и изменении ширины заходки от 10 до 50 м. Полученные графики показывают уменьшение коэффициента сброса Ксбр с увеличением ширины заходки. Чрезмерное уве-

личение угла наклона пласта при его нисходящей отработке также уменьшает коэффициент сброса Ксбр. В связи с этим чрезмерное увеличение ширины за-ходки нецелесообразно.

Таким образом, для эффективной разработки сложноструктурных угольных месторождений необходимо обеспечить максимальную высоту уступа для бестранспортной технологии с некоторым увеличением объемов вторичной экскавации с целью повышения емкости отвала. При этом приращение дополнительных объемов переэкскавации может составить от 15 до 60 %, что компенсируется перераспределением объемов с транспортной вскрыши на бестранспортную и обеспечивает снижение общей себестоимости вскрыши.

Выводы

1. Анализ технологии вскрышных работ горизонтальных и пологих месторождений в условиях многолетней мерзлоты показал возможность расширения области применения бестранспортной технологии вскрышных работ с применением взрывного перемещения пород во внутренний отвал.

2. Эффективность разработки сложноструктур-ных угольных месторождений может быть обеспечена повышением высоты уступа для бестранспортной технологии с некоторым увеличением объемов вторичной экскавации с целью повышения емкости отвала. При этом приращение дополнительных объемов переэкскавации может составить от 15 до 60 %, что компенсируется перераспределением объемов с транспортной вскрыши на бестранспортную и обеспечивает снижение общей себестоимости вскрыши.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ческидов В. И., Норри В. К. Бестранспортная технология вскрышных работ на разрезах Кузбасса: состояние и перспективы // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2016. № 4. С. 109-116.

2. Селюков А. В. О технологической значимости внутреннего отвалообразования при открытой разработке угольных месторождений Кемеровской области // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2015. № 5. С. 23-34.

3. Kolesnikov V. F., Martyanov V. L. Methods and schemes of quarry fields opening-up under various conditions of deposits occurrence // Metallurgical and Mining Industry. 2016. No. 10. P. 53-60. URL: http://nbuv.gov.ua/UJRN/metmi_2016_10_10

4. Курехин Е. В. Технологические схемы отвалообразования вскрышных пород в карьерной выемке смежного участка // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2017. Т. 328. № 5. С. 67-82.

5. Hongge Peng, Ding Zhang. Research on Inpit Dumping Height during Tracing Mining Period between Two Adjacent Surface Coal Mines // Advances in Civil Engineering. Special Issue: Rock Mechanics in Energy Resources Exploitation. 2018. Vol. 2018. Р. 1-8. Article ID 3450584. https://doi.org/10.1155/2018/3450584

6. Ortiz J. P. Methodology for a dump design optimization in large-scale open pit mines // Cogent Engineering. 2017. Vol. 4. No. 1. P. 1-11. https:// doi.org/10.1080/23311916.2017.1387955

7. Cheskidov V. I., Norri V. K. Stripping with direct dumping in Kuzbass open pit mines: the current state and prospects // Journal of Mining Science. 2016. Vol. 52. No. 4. P. 725-731. https://doi.org/10.1134/S1062739116041130

8. Verma D., Kainthola A., Gupte S. S., Singh T. N. A finite element approach of stability analysis of internal dump slope in Wardha valley coal field, India, Maharashtra // American Journal of Mining and Metallurgy. 2013. Vol. 1. No. 1. P. 1-6. https://doi.org/10.12691/ajmm-1-1-1

9. Kainthola A., Verma D., Gupte S. S., Singh T. N. A coal mine dump stability analysis - A case study // Geomaterials. 2011. Vol. 1. No. 1. P. 1-13. http://dx.doi.org/10.4236/gm.2011.11001

10. Zarovnyaev B. N., Shubin G. V., Budikina M. E., Sobakina M. P., Koroleva S. I. Development of environmental geotechnologies in the conditions of cryolitzone // 20th International Multidisciplinary Scientific Geoconference SGEM 2020: Conference Proceedings. 2020. Vol. 20. P. 59-64. https://doi.org/10.5593/sgem2020/1.2/s03.008

11. Зеньков И. В., Нефедов Б. Н., Нефедов Н. Б., Заяц В. В. Применение космических технологий в оценке экологического состояния объектов горнопромышленного ландшафта на Коршуновском железорудном месторождении // Горный журнал. 2017. № 12. С. 101-104. https://doi.org/10.17580/gzh.2017.12.20

12. Strunk S., Houben B., Krudewig W. Controlling the Rhenish opencast mines during the transition of the energy industry // World of Mining - Surface & Underground. 2016. Vol. 68. No. 5. P. 289-300.

13. Трубецкой К. Н., Захаров В. Н., Галченко Ю. П., Калабин Г. В. Технологическое обеспечение экологической стратегии освоения минеральных ресурсов в криолитозоне // Горный журнал. 2019. № 6. С. 39-44. https://doi.org/10.17580/gzh.2019.06.04

14. Шевкун Е. Б., Лещинский А. В. Взрывное дробление с направленным перемещением горных пород // ГИАБ. 2013. № S4. C. 137-144. https://www.elibrary.ru/item.asp?id=21189848

15. Заровняев Б. Н., Киприянов Г. О., Зарубин В. А. Повышение эффективности взрывного перемещения многолетнемерзлых пород в выработанное пространство на вскрыше Кангаласского угольного разреза // ГИАБ. 2007. № S5. С. 145-150.

Статья поступила в редакцию 13 июля 2021 года

УДК 622 https://doi.org/10.21440/2307-2091-2021-3-107-112

Increasing the efficiency of surface mining in the development of flat dipping coal beds

Boris Nikolaevich ZAROVNYAEV* Natalya Nikolaevna SAVVINOVA**

M. K. Ammosov North-Eastern Federal University

Abstract

Relevance. In the North-East of Russia there are many complex-structured coal deposits with horizontal and gentle angles of occurrence, such as Elginskoye, Neryungrinskoye, Chulmakanskoye, Denisovskoye, Kabaktinskoye, etc. works with the use of explosive movement of rocks into the inner dump. In this regard, the optimization of the areas of application of transport, non-transport systems, with the discharge of a part of the overburden by an explosion into the internal dump is an urgent scientific and technical task.

Target.Increasing the efficiency of opencast mining of complex-structured deposits with horizontal and gentle angles of occurrence in permafrost conditions with the discharge of a part of the overburden by an explosion into an internal dump. Results.To increase the efficiency of the development of complex-structured coal deposits, it is advisable to increase the bench height for non-transport technology with a slight increase in the volume of secondary excavation in order to increase the dump capacity by redistributing volumes from transport overburden to non-transport, which will lead to a decrease in the total cost of overburden. The results of the studies performed on the efficiency of overburden discharge into the inner dump during downward development of seams with different dip angles and change in the entry width show a decrease in the release factor with an increase in the entry width, since there is an extremely effective value of the discharge factor established with a entry width of 25-30 m A further increase in the width of the run-in when using an explosion for a discharge is ineffective.

Conclusions.The efficiency of the development of complex-structured coal deposits can be ensured by an increase in the bench height for a non-transport technology with a slight increase in the volume of secondary excavation in order to increase the dump capacity. At the same time, the increment in additional volumes of overexcavation can be from 15 to 60%, which is compensated by the redistribution of volumes from transport overburden to non-transport and provides a reduction in the total cost of overburden.

Keywords: complex-structured deposits, coal mining, internal dumping, excavation, discharge coefficient, dump capacity

REFERENCES

1. Cheskidov V. I., Norri V. K. 2016, Stripping with direct dumping in Kuzbass open pit mines: the current state and prospects. Fiziko-tekhniches-kiye problemy razrabotki poleznykh iskopayemykh [Journal of Mining Science], no. 4, pp. 109-116.

2. Selyukov A. V. 2015, Technological significance of internal dumping in open pit coal mining in the Kemerovo region. Fiziko-tekhnicheskiye problemy razrabotki poleznykh iskopayemykh [Journal of Mining Science], no. 5, pp. 23-34.

3. Kolesnikov V. F., Martyanov V. L. 2016. Methods and schemes of quarry fields opening-up under various conditions of deposits occurrence. Metallurgical and Mining Industry, no. 10, pp. 53-60. URL: http://nbuv.gov.ua/UJRN/metmi_2016_10_10

4. Kurekhin E. V. 2017, Flow diagrams of overburden dumping in borrow excavation of the adjacent area. Izvestiya Tomskogo politekhnicheskogo universiteta. Inzhiniring georesursov [Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Assets Engineering], vol. 328, no. 5, pp. 67-82.

5. Hongge Peng, Ding Zhang. 2018, Research on Inpit Dumping Height during Tracing Mining Period between Two Adjacent Surface Coal Mines. Advances in Civil Engineering. Special Issue: Rock Mechanics in Energy Resources Exploitation, vol. 2018, pp. 1-8. Article ID 3450584. https:// doi.org/10.1155/2018/3450584

6. Ortiz J. P. 2017, Methodology for a dump design optimization in large-scale open pit mines. Cogent Engineering, vol. 4, no. 1, pp. 1-11. https:// doi.org/10.1080/23311916.2017.1387955

7. Cheskidov V. I., Norri V. K. 2016, Stripping with direct dumping in Kuzbass open pit mines: the current state and prospects. Journal of Mining Science, vol. 52, no. 4, pp. 725-731. https://doi.org/10.1134/S1062739116041130

8. Verma D., Kainthola A., Gupte S. S., Singh T. N. 2013, A finite element approach of stability analysis of internal dump slope in Wardha valley coal field, India, Maharashtra. American Journal of Mining and Metallurgy, vol. 1, no. 1, pp. 1-6. https://doi.org/10.12691/ajmm-1-1-1

9. Kainthola A., Verma D., Gupte S. S., Singh T. N. 2011, A coal mine dump stability analysis - A case study. Geomaterials, vol. 1, no. 1, pp. 1-13. http://dx.doi.org/10.4236/gm.2011.11001

10. Zarovnyaev B. N., Shubin G. V., Budikina M. E., Sobakina M. P., Koroleva S. I. 2020, Development of environmental geotechnologies in the conditions of cryolitzone. 20th International Multidisciplinary Scientific Geoconference SGEM 2020: Conference Proceedings, vol. 20, pp. 59-64. https://doi.org/10.5593/sgem2020/1.2/s03.008

11. Zen'kov I. V., Nefedov B. N., Nefedov N. B., Zayats V. V. 2017, Application of space-based processing technologies to estimating environmental conditions of mining landscape objects in Korshunov iron ore field information about authors. Gorniy zhurnal [Mining Journal], no. 12, pp. 101-104. (In Russ.) https://doi.org/10.17580/gzh.2017.12.20

12. Strunk S., Houben B., Krudewig W. 2016, Controlling the Rhenish opencast mines during the transition of the energy industry. World of Mining - Surface & Underground, vol. 68, no. 5, pp. 289-300.

Sbn.zarovnyaev@s-vfu.ru

**mine_academy@mail.ru

13. Trubetskoy K. N., Zakharov V. N., Galchenko Yu. P., Kalabin G. V. 2019, Technological backup for ecological strategy of mineral mining in the permafrost zone. Gorniy zhurnal [Mining Journal], no. 6, pp. 39-44 (In Russ.) https://doi.org/10.17580/gzh.2019.06.04

14. Shevkun E. B., Leshchinskiy A. V. 2013,Explosive crushing with the directed moving of rocks. Gorniy informatsionno-analiticheskiy byulleten'[Mining informational and analytical bulletin], no. S4, pp. 137-144. (In Russ.) https://www.elibrary.ru/item.asp?id=21189848

15. Zarovnyayev B. N., Kipriyanov G. O., Zarubin V. A. 2007, Increasing the efficiency of the explosive movement of permafrost into the goaf in the overburden of the Kangalassky coal mine. Gorniy informatsionno-analiticheskiy byulleten' [Mining informational and analytical bulletin], no. S5, pp. 145-150.

The article was received on Julay 13, 2021