СПОСОБ РАЗРАБОТКИ СМЕРЗАЮЩИХСЯ ВСКРЫШНЫХ ПОРОД
DEVELOPMENT METHOD OF FREEZING OVERBURDEN ROCK

Изобретение относится к горнодобывающей промышленности и может быть использовано при открытой разработке пластовых месторождений криолитозоны на базе бестранспортной системы разработки вскрышных пород.
Известен способ разработки вскрышных пород, в котором посредством специальной организации работ и путем ограничения длины экскаваторного блока в зависимости от определяющих факторов можно значительно снизить или даже полностью исключить влияние вторичного смерзания породы на работу оборудования [1].
Данная технология включает: бурение и взрывание верхнего подуступа, экскавацию взорванных пород с кровли нижнего подуступа в предотвал, бурение и взрывание нижнего подуступа и экскавацию взорванных пород в конечный контур отвала.
Способ осуществляют следующим образом.
Вначале, двумя заходками отрабатывают взорванные на сброс породы верхнего подуступа. При выполнении первой заходки драглайн готовит площадку стояния, снимая верхнюю часть развала, расположенного на кровле нижнего подуступа. Двигаясь вдоль фронта работ, он экскавирует часть объемов верхнего подуступа в направлении выработанного пространства, создавая предотвал. По окончании работ на первой заходке драглайн переходит на предварительно спланированный предотвал. Работая здесь, он перемещает предотвал и породы верхнего подуступа, не попавшие в конечный контур отвала в пределы этого контура.
Затем организуются работы на нижнем подуступе. После его взрывания на поверхность откоса отвала драглайн, выполняя третью заходку, готовит себе площадку стояния и одновременно экскавирует объемы второго подуступа в конечный контур отвала.
Экскавационные работы в блоке должны быть выполнены до завершения процесса смерзания, при этом длина экскаваторного блока должна быть не более:
э
где Q - эксплуатационная производительность экскаватора;
п
Т - температура породы;
cp
d - средний размер куска;
а
- температуропроводность породы;
в
Т - температура воздуха;
В - ширина экскаваторной заходки;
h - высота подуступа;
р
с
п
K, K, K - соответственно коэффициенты разрыхления, сброса и переэкскавации.
Данный принцип ограничения длины взрываемого блока успешно применяется и при отработке одного вскрышного уступа.
Недостатком этого способа является то, что он не учитывает формирование температурных полей в развале взорванных многолетнемерзлых пород вскрышного уступа, определяющих зоны смерзания.
Процесс формирования температурного режима в развале взорванных многолетнемерзлых пород сложен и определяется многими факторами, такими как: теплофизические характеристики пород, фазовые переходы влаги, изменение температуры атмосферного воздуха, температура, влажность и плотность пород, мощность вскрыши, углы формируемых откосов, а также качество взрывной подготовки. При этом даже определение истинной температуропроводности отдельного куска породы расположенного в различных областях развала представляет собой очень трудоемкую задачу.
С точки зрения практики горных работ наиболее рациональным явилось бы определение зон устойчивого смерзания породы в развале, и выбор превентивной технологии отработки блока, обеспечивающей экскавацию породы без значительного снижения производительности драглайна.
Определить такие зоны устойчивого смерзания взорванной породы, с высокой степенью вероятности, можно, зная динамику температурных полей в массиве многолетнемерзлых пород в различные периоды года и характер распределения кусков породы в развале после взрыва.
Характерные колебания температуры массива многолетнемерзлых пород в годовом цикле для условий Кангаласского буроугольного месторождения представлены в работе [2]. Указанная взаимосвязь температуры массива пород с глубиной и периодом года характерна и для других месторождений зоны распространения многолетнемерзлых горных пород.
При взрывании вскрышного уступа, распределение кусков в развале происходит в соответствии с известной схемой деформации массива при взрывных работах [3], из которой также очевидно, что слой разрушенной породы с устойчивой отрицательной температурой находится в самой нижней части развала.
Таким образом, для обеспечения стабильной работы драглайна без значительного снижения производительности в течение всего периода отработки блока необходимо в первую очередь экскавировать породы с верхней части развала на определенную глубину, по всей длине блока, выкладывая их в предотвал и конечный контур отвала. При этом на кровле пласта полезного ископаемого в переделах экскаваторной заходки оставляют слой породы с отрицательной температурой. Это позволяет вскрыть зону устойчивого смерзания и обеспечить растепление взорванной породы в блоке с соответствующим снижением ее прочности. Оставленный слой породы экскавируется в конечный контур отвала после уборки верхней части развала по всей длине экскаваторного блока.
Усилить эффект растепления зоны устойчивого смерзания можно:
1) путем рыхления ее поверхности бульдозером-рыхлителем, создавая дополнительные поверхности усиливающие воздействие солнечной инсоляции;
2) обработкой поверхностно-активными веществами, понижающими температуру и прочность смерзания кусков породы.
Предлагаемый способ разработки вскрышных пород, включающий бурение блока и взрывание вскрышного уступа, экскавацию взорванных пород с кровли пласта полезного ископаемого в предотвал и конечный контур отвала, последующую экскавацию предотвала и оставшихся объемов породы в конечный контур отвала, отличающийся тем, что экскавацию взорванных пород вскрышного уступа в пределах экскаваторной заходки осуществляют драглайном послойно и по всей длине блока с оставлением некоторого слоя породы с отрицательной температурой на кровле пласта полезного ископаемого, чем достигается растепление и разупрочнение этого слоя под воздействием солнечной инсоляции в процессе отработки блока и обеспечение стабильной работы драглайна без значительного снижения производительности в течение всего периода отработки блока.
Оставляемый слой породы с отрицательной температурой на кровле пласта полезного ископаемого рассчитывается по следующей формуле [4]:
о
ср
о
о.н.
о
3
3
где t - время оттаивания, ч; Т - средняя за рассматриваемый промежуток времени t температура поверхности, °C; h - глубина оттаивания в начальный момент, м; Q - затраты тепла на оттаивание 1 м мерзлой породы, ккал/м; λ - коэффициент теплопроводности пород, ккал/м·ч·°C.
Все это говорит о том, что предлагаемое изобретение обладает новизной и изобретательным уровнем.
Предлагаемая технология имеет следующие преимущества по сравнению с прототипом:
- под воздействием солнечной инсоляции в процессе отработки блока достигается растепление и разупрочнение зоны смерзания и обеспечивается стабильная работа драглайна без значительного снижения производительности в течение всего периода отработки блока;
- увеличивается фактическая длина взрываемого блока за счет стабильной работы драглайна и увеличения его производительности;
- сокращается количество взрывных блоков, чем обеспечивается снижение простоев на перегоны экскаватора.
На фиг.1 и 2 показан способ разработки смерзающихся вскрышных пород. На фиг.1 - разрез по фронту работ, вдоль экскаваторного блока, на фиг.2 - поперечное сечение экскаваторной заходки.
Способ осуществляется следующим образом. После производства буровзрывных работ на вскрышном уступе экскаватор начинает экскавацию развала взорванной породы с кровли пласта полезного ископаемого в предотвал и конечный контур отвала.
При этом экскавацию взорванных пород вскрышного уступа в пределах экскаваторной заходки и по всей длине блока осуществляют драглайном послойно, с оставлением некоторого слоя породы с отрицательной температурой на кровле пласта полезного ископаемого, чем достигается разупрочнение этого слоя под воздействием солнечной инсоляции в процессе отработки блока и обеспечение стабильной работы драглайна без значительного снижения производительности в течение всего периода отработки блока.
Оставляемый слой породы с отрицательной температурой на кровле пласта полезного ископаемого рассчитывается по формуле (2).
Для примера выполним расчет накопления талого слоя при следующих условиях:
Таблица 1
Накопление талого слоя h<sub>om</sub>, λ<sub>m</sub>=1,7 Вт/(м·град) (песок), Q<sub>уд</sub>=59,74 мДж/м<sup>3</sup> (льдистость 150 кг/м<sup>3</sup>), начальная температура пород t<sub>n0</sub>=-5°C.
Т, час
Температура воздуха, °C
5
10
15
20
25
30
1
0.017
0.024
0.029
0.034
0.038
0.041
6
0.041
0.058
0.072
0.083
0.092
0.101
12
0.058
0.083
0.101
0.117
0.131
0.143
24
0.083
0.117
0.143
0.165
0.185
0.202
Таблица 2
Накопление талого слоя h<sub>om</sub>, λ<sub>m</sub>=1,2 Вт/(м·град) (суглинок), Q<sub>уд</sub>=59,74 мДж/м<sup>3</sup> (льдистость 150 кг/м<sup>3</sup>), начальная температура пород t<sub>n0</sub>=-5°C.
Т, час
Температура воздуха, °C
5
10
15
20
25
30
1
0.014
0.020
0.025
0.028
0.032
0.035
6
0.035
0.049
0.060
0.069
0.078
0.085
12
0.049
0.069
0.085
0.098
0.110
0.120
24
0.069
0.098
0.120
0.139
0.155
0.170
Таблица 3
Накопление талого слоя h<sub>om</sub>, λ<sub>m</sub>=0,9 Вт/(м·град) (супесь оторфованная), Q<sub>уд</sub>=59,74 мДж/м<sup>3</sup> (льдистость 150 кг/м<sup>3</sup>), начальная температура пород t<sub>n0</sub>=-5°C.
Т, час
Температура воздуха, °С
5
10
15
20
25
30
1
0.012
0.017
0.021
0.025
0.027
0.030
6
0.030
0.043
0.052
0.060
0.067
0.074
12
0.043
0.060
0.074
0.085
0.095
0.104
24
0.060
0.085
0.104
0.120
0.134
0.147
3
3
Тогда, например, (по таблице 1) при ширине экскаваторной заходки 60 м, длине блока 100 м, температуре воздуха 20°С объем талого слоя за сутки составит 50X100X0,165=990 м. Этот объем будет соответствовать устойчивой работе драглайна с производительностью 990 м/смену.
Источники информации
1. Авторское свидетельство №1624152, кл. E21C 41/00. Способ разработки вскрышных пород / И.И. Заудальский, А.С. Марченко, С.Н. Петров и др. (СССР); Заявл. 17.10.1998; Опубл. 01.10.1990. // Открытия, изобретения. - 1991. №4. - С.89.
2. Панишев, С.В. Влияние температурного режима на эффективность разработки вскрышных пород криолитозоны / С.В. Панишев, С.А. Ермаков // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 2013. - №2. - С.132-138.
3. Гальюнов А.В., Рождественский В.Н., Блинов А.Н. Трансформация структуры горных массивов при взрывных работах на карьерах. - Екатеринбург: ИГД УрО РАН, 1999. - 140 с.
4 Потемкин С.В. Разупрочнение мерзлых и сцементированных пород россыпных месторождений. - М.: Московская государственная геологоразведочная академия, 1995. - 120 с.