Особенности перепускных процессов на карьерах и рудниках при планировании горных работ

© Г.М. Еремин, 2013

УДК 622.271 Г.М. Еремин

ОСОБЕННОСТИ ПЕРЕПУСКНЫХ ПРОЦЕССОВ НА КАРЬЕРАХ И РУДНИКАХ ПРИ ПЛАНИРОВАНИИ ГОРНЫХ РАБОТ

Приведено обоснование для выбора типа рудоперепускных схем на карьерах с применением рудоспусков. Показано, то учёт только комплекса факторов горнотехнического и горно-геологического плана может обеспечить их эффективную работу в течение длительного периода с большей производительностью и меньшим разрушением стволов и бункеров рудоспусков.

Ключевые слова: рудоспуск, вертикальный, наклонный, параметры рудоспуска, бункер, негабарит, снег, смерзание руды, дробильная установка, наклонный конвейер.

В настоящее время на карьерах и рудниках как у нас в стране, так и за рубежом широко применяются рудо- и породоперепу-скные системы [1—4]. Чаще всего это сборочные выработки (артерии), по которым руда (порода) с вышележащих горизонтов перепускается самотёком под действием силы тяжести на концентрационные горизонты, с которых она мощным производительным способом может транспортироваться на поверхность.

Такие системы всё чаще предлагается применять и использовать при разработке глубоких горизонтов карьеров, когда единичное транспортирование отдельными сосудами (например, автосамосвалами) становится затратным из-за потери производительности, и необходимо, и достаточно накопить в определённом объёме требуемое количество рудной (породной) массы, а затем более производительным способом доставить её на поверхность, например, применением циклично-поточной технологии (ЦПТ) или скиповым стволом.

Как известно, в основе перепускных систем при разработке нагорных

и глубоких карьеров использование рудоспусков и породоспусков. Такие же системы применяются при разработке месторождений (рудных тел) подземным способом, особенно при системах с подэтажным обрушением (рудо- и породоспуски).

Рудоспуски на рудниках и карьерах могут быть различной глубины, сечения, наклона и способа примыкания к аккумулирующему устройству и подачи материала на конвейер или в скип. По способу использования энергии падения кусков руды (породы) или её гашения и обеспечения сохранности стенок рудоспуски бывают: вертикальные, наклонные, зигзагообразные (коленчатые — карьерные рудоспуски, и в подземных условиях — между горизонтами), а также со спиральными съездами к рудоспускам.

По местоположению рудоспуски на карьерах бывают с расположением вблизи контура карьера (внешние), внутри контура, пересекающие рудное тело, и потому срезаемые периодически, в подземных условиях — чаще всего с расположением в лежачем боку залежи (при небольшой мощности рудных тел) и обслуживаю-

ших этажи и подэтажи (при наклонном залегании рудного тела). При разработке мошных месторождений они могут быть блоковые и обслуживать блоки при ведении отработки от висячего бока залежи к лежачему.

На открытых горных разработках при ведении отработки мошных кру-топадаюших рудных тел, особенно нагорного типа, рудоспусками вскрываются центральные зоны, и рудоспуски могут стать концентрируюшим и разделяюшим звеном, на которые будут вестись выемочно-погрузочные работы на горизонтах, а руда транспортироваться по периодически срезаемым рудоспускам.

Глубина рудоспусков чаше всего зависит от горно-геологических и горнотехнических условий залегания и отработки рудных тел, и может изменяться в широких пределах: в подземных условиях (подэтажные) до 200-300 м, обслуживаюших добычные горизонты, а капитальные (несколько горизонтов) — до 500 и более метров. На открытых разработках — от 100-200 до 500-600 м (нагорный карьер Центрального рудника ОАО «Апатит») и, очевидно, их глубина (высота) зависит от мошности рудного тела (рудных тел) и к какому типу генезиса оно приурочено: нагорное, платформенное или глубинное.

Сечение рудоспусков и форма сечения может быть круглой, овальной, квадратной и прямоугольной. В основном, она связана с тем или иным представлением об устойчивости стенок ствола рудоспуска, способа проходки. В последнее время работники горнорудного профиля и проектных институтов склонны признать целесообразность применения круглого сечения рудоспусков, особенно при применении производительных спосо-

бов их проведения выбуриванием стволов специальными механизмами (машинами). Размеры поперечного сечения рудоспусков зависят от их производительности, крупности перепускаемой руды (породы), длительностью (сроком) эксплуатации этажа, месторождения и др. По данным практики работ на карьерах и рудниках диаметр карьерных рудоспусков составлял 3— 6 м (последнее характерно для глубоких рудоспусков апатит-нефелиновых месторождений в Хибинах), и 2— 2,5(3) м — в подземных условиях.

Расположение ствола рудоспуска и бункера может быть соосным или со смешением. Первый случай особенно характерен для глубоких рудоспусков в Хибинах и некоторых рудоспусков в подземных условиях, когда ствол рудоспуска используется как аккумули-руюшее устройство.

В зависимости от климатических и горнотехнических условий (прочностных свойств горных массивов пород и их нарушенности), длительная и надёжная эксплуатация рудоспусков зависит от особенностей их проведения и правил их эксплуатации.

По данным различных исследователей и практики работ нормальная и ритмичная работа рудоспусков зависит от ряда причин и влияюших факторов:

— от особенностей и качества подготовки горной массы взрывным способом;

— от особенностей и закономерностей перемешения горной массы в стволе и бункере рудоспуска;

— от параметров выпускных окон рудоспуска;

— от способа срезки рудоспусков;

— от способов ликвидации негабаритов, попадаюших в рудоспуски при их срезке;

— от интенсивности и количества попадаюших в рудоспуск трешинных и паводковых вод, заснеженности руды и её температуры;

— от режима выпуска руды.

Вследствие влияния комплекса

факторов на эффективную работу рудоспусков не всегда удаётся учесть влияние тех или иных из них, и потому одни из них быстро разрушаются, другие работают не ритмично, с перерывами, требуют ремонта (из-за ликвидации зависания руды в них (в стволе) или в выпускных окнах (течках) при применении ВВ).

В настояшее время в связи с тем, что применение рудоспусков планируется в ряде проектов, в том числе при разработке глубоких горизонтов Сор-ского карьера, Коашвинского и Центрального рудников ОАО «Апатит» и железорудного рудника «Железный» ОАО «Ковдорский ГОК» и др. при разработке режима эксплуатации рудоспусков и их проведении целесообразно учитывать следуюшие особенности и закономерности их эффективной работы. Длительные наблюдения за работой рудоперепускных систем на карьерах и рудниках и исследования, проведённые в последнее время, позволили установить, что при применении наклонных рудоспусков происходит меньшее разрушение стволов и бункеров рудоспусков, чем при вертикальной их конструкции. Кинетическая энергия падаю-ших кусков при этом может снижаться на 1-2 порядка в зависимости от угла наклона ствола рудоспусков. Опыт эксплуатации наклонных рудоспусков на рудниках Канады, США, Южной Африки, Чили и др. показали высокую их работоспособность и эффективность их применения.

Особенностью движушегося потока горной массы в виде «облака» в

вертикальном рудоспуске является то, что все куски имеют при ударе максимальную скорость по периметру ствола и при падении очередных порций эти куски имеют максимальную вероятность к расклиниванию друг друга. Поэтому в стволах рудоспусков, как на карьерах, так и в подземных условиях могут образовываться трудноликвидируемые пробки (своды равновесия). Во втором случае это может происходить гораздо чаше из-за меньшего диаметра ствола рудоспуска. Например, при диаметре рудоспуска 2,5 м и кондиционном кусков 0,6 м, а остальных кусках размером 0,1-0,2 м и до 0,6 м чаше, чем в других случаях могут образовываться сочетания из кусков, способствую-шие образованию устойчивого расклиненного свода.

При применении наклонного ствола рудоспуска такое сочетание кусков маловероятно, поскольку они движутся по траектории полёта, рикошета и смешаются, не перекрывая сечения ствола при перерывах в выпуске руды. Единственной проблемой в этом случае является возможность разрушения нижней стенки (дниша) ствола. Однако, даже при сушествуюших способах проходки стволов бурением и взрыванием породы, имеются случаи длительной эксплуатации наклонных рудоспусков без их разрушений (наклонные рудоспуски рудника Каула-Котсельварра ОАО ГМК «Печенгани-кель»). Эта проблема практически снимается при проведении стволов выбуриванием до диаметра 2,5 м. В практике известен случай, когда ствол диаметром 2 м был пробурен до глубины 800 м.

Применение способа на карьерах и рудниках (кроме рудника «Северный» ОАО «Печенганикель», где этот

способ широко применяется) могло бы позволить получить стволы или бункер сечением 8-10 м при проведении 2-х параллельных стволов диаметром 2 м, с последующей их сбойкой. Такие стволы рудоспусков были бы устойчивы даже в породах средней прочности (мрамор, аргиллиты и др.), поскольку известно, что при ведении буровзрывных работ даже оконтуриванием строчкой шпуров нарушение приконтурного слоя стенок существенно, и стенки бункеров и рудоспусков постепенно разрушаются при ударе кусков о них, особенно при породах средней прочности.

Как отмечалось, в ряде источников, связанных с проблемой рудоспусков, существенное влияние на их устойчивую работу оказывает попадание негабаритов в рудоспуск. Как правило, даже при среднем качестве взрыва в карьере может образоваться от 2-3 до 5-6 % негабаритов, их отсортировка на карьерах пока не решена, так как устья рудоспусков при срезке имеют расширение от 7-8 до 10-12 м (в зависимости от диаметра рудоспуска) и их перекрытие решёткой, как в подземных условиях, сложно.

Кроме негабаритов, поступающих из карьера, негабариты образуются и при срезке рудоспусков (сколе крупных кусков в боковых зонах). Разрушение люковых устройств является следствием взрывного разрушения негабаритов. При крупных размерах кусков применяется большая величина зарядов ВВ, следствием чего является раскрытие трещин в стенках бункеров, затем следуют вывалы кусков из них, и этот процесс постепенно захватывает и окружающий массив, околоствольное пространство рудоспусков. Так были постепенно разрушены глубокие вертикальные

рудоспуски Центрального рудника ОАО «Апатит».

Решением проблемы может быть применение рудоспусков меньшего диаметра соответственно их производительности (до 2,5-3 м), изменение способов подготовки горной массы на карьерах (патент РФ), когда высота забойки достигает 6-7 и более метров, повышение угла откоса уступов в скальных породах до 75-80 градусов (снижение на 2-3 м) линии наименьшего сопротивления ЛНС, важно изменение способа срезки рудоспусков, исключающие раздувы их устьев. Целесообразно применение колосников со щелью 1000-1200 мм и дробильного звена для передачи горной массы размером до 300-400 мм на конвейер.

При применении рудоспусков в подземных условиях при диаметрах около 2,5 м, когда ствол используется как аккумулирующее устройство, вероятность образования свода равновесия повышается при доработке секции и поступления в рудоспуск при максимальном разубоживании кусков руды и породы повышенной крупности, что часто не учитывается и служит причиной многих перерывов в выпуске руды. По данным исследований для улучшения работы рудоспусков на рудниках кроме применения наклонного ствола (60-70 градусов) целесообразно применение щековых дробилок, устанавливаемых ниже подэтажа, когда подготовленный таким способом материал поступает в рудоспуск и в бункер с последующим ритмичным выпуском в транспортные сосуды или на конвейер. Среди других факторов, требующих учёта при планировании работ с применением рудоперепускных систем следует учитывать влияние климата, особенно для заполярных карьеров, когда попадание

Рис. 1, а, б, в. Схема конструктивного устройства бункерной части рудоспусков, используемых в проектах (а) предлагаемого (б): а, б — <<1, <2 — диаметры рудоспусков <2 < <<1; О1,О2,О3 и О \,0'2,0з — соответственно ширина потока рудной массы при вертикальном заложении бункера и относительно наклонным: Нр — высота руды в бункере; 11, 12 — соответственно длина выпускной части в традиционном исполнении и предлагаемом; а1, а2, а3 — углы наклона участков стенки бункера; Ьб — высота слоя руды в бункере («подушка») и её минимальная величина Ьт!п; в — рудоспуск с дробильным звеном по патенту РФ № 2249697; 1 — ствол рудоспуска; 2 — откос уступа; 3 — участок срезки рудоспуска; 4 — слои срезки; 5 — дробильное звено; 6 — плита; 7 — основание дробильного звена; 8 — бункер дробленой руды (породы); 9, 10 — соответственно дробилка и питатель; 11 — выдачной питатель; 12, 13 — соответственно наклонный конвейер и камера дробилки; 14 — вспомогательная выработка; 15 — наклонная выработка

в рудную массу повышенного процента снега приводит не только к повышению её связности, но и при ударном падении кусков в стволах она уплотняется до критического состояния, а при перерывах в выпуске руды может смерзаться (сцепление возрастает до 1-2 МПа и более). При этом образуются трудноликвидируемые пробки. Их ликвидация на практике привела к постепенному разрушению рудоспусков в Хибинах.

Решение проблемы обеспечения ритмичной работы рудоспусков на карьерах с производительностью 3-4

млн. т руды в год заключается в следующем. Кроме изменения наклона ствола (до 60-70 градусов) для резкого снижения кинетической энергии падающих кусков размером до 1-1,2 м необходимо обеспечить плавное перемещение потока руды в бункерное пространство с целью создания в нём малоуплотнённой разрыхлённой среды с высоким коэффициентом сыпучести. Это обеспечит стабильный и ритмичный её выпуск. Достичь этого можно смещением ствола относительно оси бункерного устройства (рис. 1, 2).

а

6

Рис. 2. Схема расположения рудоспусков относительно рудного тела с различным примыканием к бункеру: а, б — 1, 2 — рудное тело и рудоспуски; 3 — выдочной ствол; б — 2 — наклонный ствол; 3 — транспортная выработка; 4 — переходная выработка; 5 — бункер; 6 — днище бункера; 7 — выпускной люк; 8 — конвейер; 9 — вагонетка; р — угол падения рудного тела; 1Р — расстояние от центра рудного тела до рудоспуска; 1Т — расстояние транспортирования руды за контуром карьера; Н1 — глубина вывода рудоспусков в рабочую зону; Нп — высота переподъёма руды до выдачной выработки на конец отработки

Особенно это важно на карьерах при доработке глубоких горизонтов, когда руда после дробления в дро-бильно-перегрузочных узлах поступает в рудоспуск, и за тем в бункерные устройства, и из них с помощью питателей на конвейеры с углом наклона 15-16 градусов до перегрузочных пунктов или фабрику. Такие схемы применяются на ряде зарубежных карьеров.

Целесообразность применения таких схем в Заполярье с рудоспусками объясняется тем, что при этом коренным образом меняется процесс транспортирования руды с включением снега, поскольку исключается её уплотнение, а поточность процесса предотвращает смерзание рудной массы (рис. 2).

Ввод рудоспусков в рабочую зону карьера необходимо планировать та-

ким образом, чтобы при вхождении их в рабочую зону по мере срезки рудоспусков снижение расстояния транспортировки руды до них составляло 3-3,5 км. Это позволяет достичь получения прибыли по сравнению с применением только автотранспорта в размере 1,5-2 млн. долларов США в год, что обеспечивает сравнительно быструю окупаемость затрат на проведение наклонной транспортной выработки и рудоспусков.

Для улучшения процесса перепуска руды (породы) по рудоспускам с их срезкой целесообразно использовать технологическую схему, включающую применение колосников для отделения негабаритных кусков и их дробления вблизи устья рудоспуска, и пластинчатого питания для транспортирования рудной массы в рудоспуске (рис. 3). Несмотря на некоторое удо-

6

Рис. 3. Схема срезки рудоспуска при вертикальном и наклонном его положении при применении дробильного устройства с колосником и питателем:

а, б — 1, 2, 3 — соответственно рудоспуск, скважины и откос устья рудоспуска; 4

— рудная масса при срезке рудоспуска; в

— 1 — рудоспуск; 2 — колосник; 3 — питатель; 4 — негабарит; 5 — дробильное устройство

рожание процесса при этом исключается попадание негабаритов в бункерную часть рудоспуска как при их срезке, так из карьера, и, следовательно, снижается возможность их разрушения и достигается повышение производительности перепускных работ. Технологическая схема с транспортирование рудной массы из бункера при разработке думпкаров применением пластинчатых питателей успешно функционирует на обогатительной фабрике АНОФ-2 ОАО «Апатит» в течение многих десятков лет.

Заключение

В современных условиях при увеличении глубины карьеров до 600-

800 и более метров перспективными схемами при отработке руд глубоких горизонтов являются технологические схемы как с использованием крутонаклонных конвейеров (KHK), так и применение рудоспусков и наклонных стволов для передачи руды (породы) в пункт перегрузки или на фабрику.

Эффективная эксплуатация рудо (породо)-перепускных систем на карьерах и рудниках зависит от ряда факторов, среди которых как способы рационального учёта использования энергии падающих кусков, устойчивости массивов пород, так и обеспечение состояния рудной массы в бункере, близкое к разрыхлённому, этому способствует снижение до минимума поступление негабаритов при подготовке горной массы в карьере и срезке рудоспусков.

Выбор того или иного варианта проходки вспомогательных и основной выработки-ствола рудоспуска и его участка на уровне бункера может быть установлено при составлении проекта с учётом имеющегося оборудования и минимального нарушения стенок ствола и бункера при его создании. Это связано с обеспечением длительной и безопасной эксплуатации ствола и бункера рудоспуска во времени.

Соблюдение регламента на выполнение работ по предложенному комплексу научно-методических положений по разделению транспорта руды по стволу рудоспуска и в бункере для аккумулирования и выпуска руды, а также принятого способа проходки выработок позволит обеспечить эффективную и безопасную работу рудоспусков на карьерах и рудниках в различных условиях регионов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ржевский В.В., Арсентьев А.И., Пермяков P.C. Карьерные рудоспуски / М.: Недра, 1969. — 208 с.

2. Козырев А.А., Мальцев В.А., Епима-хов Ю.А. Глубокие рудоспуски / Изд. Кольского науч. центра. Апатиты, 1997. — 196 с.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

3. Патент РФ № 2249697 Способ открытой разработки месторождений полезных ископаемых. Опубл. 10.04.2005. Бюл.10.

4. Патент РФ № 2421617 Способ открытой разработки месторождений полезных ископаемых. Опубл. 20.06.2011. Бюл.17. гттте

Еремин Георгий Михайлович — кандидат технических наук, научный сотрудник, eremin@goi.kolasc.net.ru

Горный институт Кольского научного центра Российской академии наук.

- ОТДЕЛЬНЫЕ СТАТЬИ

ГОРНОГО ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКОГО БЮЛЛЕТЕНЯ

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТРУДНОФОРМАЛИЗУЕМЫХ ОБЪЕКТОВ

Халкечев Руслан Кемалович — кандидат физико-математических наук, докторант кафедры «Физика горных пород и процессов», syrus@list.ru,

Халкечев Кемал Владимирович — доктор физико-математических наук, доктор технических наук, профессор, h_kemal@mail.ru,

Халкечева Лидия Кемаловна — аспирантка кафедры «Организация и управление в горной промышленности», kyzy@bk.ru,

Халкечев Олег Муратович — аспирант кафедры «Высшая математика», onhalk@mail.ru, Московский государственный горный университет.

Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). — 2012. — № 7. — 72 с.— М.: Издательство «Горная книга».

Специальный выпуск научного журнала посвящен актуальной научной проблеме — математическому моделированию трудноформализуемых объектов, для которых фундаментальные законы, вариационные принципы и иные общие и математически строгие утверждения либо неизвестны, либо вообще не существуют. Первая часть специального выпуска посвящена исследованию и разработке математических моделей таких трудноформализуемых объектов как газосо-держащие геоматериалы однородной и неоднородной текстуры. Вторая — построению математических моделей и алгоритмов функционирования экономических систем, являющихся типичными представителями трудноформализуемых объектов.

Ключевые слова: мультифрактальная модель, газонаполненная пора, поликристалл, неоднородное поле давлений, постоянное внешнее поле, упругая среда.

MATHEMATICAL MODELING HARD TO BE FORMALIZED OBJECTS

Khalkechev R.K., Khalkechev K.V., Khalkecheva L.K., Khalkechev O.M. In the presented work, the polycrystal with gas-filled pores is represented as a set of subsystems - a polycrystal and grains with gas-filled pores. Developing mathematical models for each of subsystems, the multifractal model allowing at action of a constant external deformation field to define a field of pressure in gas-filled pores of the polycrystal has been received. Key words: multifractal model, gas-filled pore, polycrystal, inhomogeneous pressurefield, constant external field, elastic medium.