Селективная система разработки известняков -перспектива расширения ассортимента продукции горного предприятия

УДК 622

СЕЛЕКТИВНАЯ СИСТЕМА РАЗРАБОТКИ ИЗВЕСТНЯКОВ -ПЕРСПЕКТИВА РАСШИРЕНИЯ АССОРТИМЕНТА ПРОДУКЦИИ

ГОРНОГО ПРЕДПРИЯТИЯ

В.П. Сафронов, Ю.В. Зайцев, В.В. Сафронов, А.В. Панкратов

Предлагается горным предприятиям, разрабатывающих месторождения известняков или доломитов, расширить ассортимент товарной продукции. Для этого требуется внедрить селективную систему разработки, основанную на рациональной раскройке полезной залежи на геометризованные блоки со стабильными значениями качественно-количественных показателей, отвечающих требованиям к сырью для производства той или иной товарной продукции. Значения качественно-количественных показателей, характеризующих породный массив, предлагается получать фоточисловым методом. Фоточисловой метод позволяет решать задачи по обоснованию технологических схем селективной разработки залежи. Для оценки технологической системы селективной разработки, состоящей из технологических модулей, предлагается комплексный показатель эффективности недропользования.

Ключевые слова: известняк, карьер, селективная система разработки, проектирование.

Получение дополнительной прибыли за счет расширения ассортимента продукции требует применения гибких технологий, позволяющих наиболее эффективно использовать запасы полезного ископаемого и получать качественную продукцию в востребованных рынком объемах. Для этого требуются технологии разработки месторождений, сохраняющие природные показатели качества полезного ископаемого, значения которых оказывают влияние на ассортимент конкурентоспособной продукции карьера.

Работа карьеров, разрабатывающих месторождения известняков (доломитов), считается рентабельной и эффективной при условии применения безотходных технологий с селективной выемкой полезного ископаемого и по возможности с использованием всех горных пород, составляющих полезную толщу, вскрышу и подстилающий слой. При этом необходимо учитывать, что вскрышные породы являются исходным материалом для производства горно-технической рекультивации земель, нарушенных открытыми горными работами.

Узкая специализация карьеров по выпуску товарной продукции снижает эффективность недропользования и влечет за собой неоправданное увеличение нарушаемых земельных площадей. Только комплексное освоение месторождений, гибкие технологии добычи и переработки добытого сырья с расширенным ассортиментом товарной продукции, позволяют превратить карьеры в конкурентоспособные горные предприятия, отвечающие товарной продукцией на запросы рынка.

Использование карбонатных пород в народном хозяйстве можно разделить по нескольким направлениям: для строительной индустрии, сельского хозяйства, энергетики, металлургии и химии.

В строительной индустрии карбонатные породы являются сырьем для производства белого цемента, строительной кальциевой воздушной извести, при изготовлении сварочных материалов, в глиноземном производстве, в производстве стекла и в производстве минеральной ваты.

В сельском хозяйстве карбонатные породы используется для производства кормового преципитата, минеральной подкормки для животных и птицы, для известкования кислых почв, при производстве сахара.

В энергетике карбонатная мука используется для связки серного колчедана при сжигании бурого угля в топках тепловых электростанций. Используется также при изготовлении промывочной извести для бурения нефтяных и газовых скважин, утяжелителя промывочных жидкостей (гидролизная промышленность).

Карбонатная порода используется в производстве ферросплавов, в мартеновском производстве, в агломерационном производстве, в доменном производстве, в производстве флюсов для выплавки олова, для производства никеля, в производстве литейного чугуна, в производстве меди, в качестве флюса при плавке сурьмяных руд.

В химии карбонатные породы используется в приготовлении гидрата окиси кальция, химически осаждаемого мела, хлорной извести, наполнителей для красок, кальцинированной соды, сульфатной целлюлозы башенным способом.

По химическому составу чистые известняки приближаются к составу кальцита, содержащего 56,04 % СаО и 43,96 % С02. Кальций - бесцветный минерал плотностью 2,7...2,73 г/см , твердость по шкале Мооса 3, мелкозернистый.

Чистые доломиты по химическому составу близки минералу доломит, получившему свое название по имени французского ученого Доломье и содержащему СаО - 30,41 %, МgО - 21,6 % и СО2 - 47,73 %. Минерал доломит - бесцветный или серовато-белый с различными оттенками, плотностью 2,8 .2,9 г/см , твердость по шкале Мооса 3,5-4, разнозернистый.

Мергель - переходная степень от известняков и доломитов к глинистым породам, содержит от 30 до 90 % СаС03 и MgC03 и от 10 до 70 % глинистого материала, содержащего А12О3, 8Ю2 и Бе203.

В последнее время интенсивно занимают место на рынке стройин-дустрии изделия из природного блочного камня карбонатных пород - это фасадная и тротуарная плитка, маршевые лестницы, высокохудожественная облицовка каминов, бассейнов и многое другое.

Из общего количества разрабатываемых и разведанных месторождений карбонатных пород до 90 % ориентированы как источники сырья для производства щебня различных фракций. По различным оценкам 50 %

производимого в России щебня различных фракций получается из известняков и доломитов. Об этом свидетельствуют результаты анализа производственной деятельности карьеров, например, Тульской области (табл.1).

Таблица 1

Примеры результатов производственной деятельности карьеров

Тульской области

Наименование карьеров Объем отходов от производства технологического продукта из добытого сырья, % Наименование технологического продукта

Гурьевский карьер 37.41 Щебень фракций 5-20, 20-40, 4070, 70-120 мм, сырая карбонатная мука и минеральный порошок.

Карьер «Берники» 31.38 Щебень фракций 5-20, 20-40, 4070, 70-120 мм и минеральный порошок.

Дубенский карьер 25.30 Щебень разных фракций, бутовый камень, минеральный порошок.

Пореченский карьер 30.33 Камень для отбеливания сахара, щебень различных фракций и карбонатная мука.

В осточно-Пятницкий карьер 34.39 Технологический камень для химического производства, щебень различных фракций.

Карьер «КНИ - 464» 31.39 Щебень различных фракций.

Из табл. 1 следует, что многие эксперименты по расширению номенклатуры товарной продукции не являются успешными. Отходы производства достигают в среднем 31...39 %. Основной причиной столь значительного выхода отходов - непостоянство качественно-количественных характеристик полезной залежи и вмещающих ее пород в границах не только месторождения, но и в пределах горизонта и даже уступа. Практика показывает, что максимальная величина отходов приходится на весну и осень. Это связано с примазками переувлажненных глинистых пород.

Решение задачи по снижению отходов производства по-прежнему является актуальной задачей. В основу ее решения следует изначально положить схему рациональной раскройки залежи на геометризованные блоки со стабильными значениями качественно-количественных показателей, отвечающих требованиям к сырью для производства той или иной товарной продукции. Каждый геометризованный блок должен разрабатываться по

индивидуальной технологической схеме от добычи до получения товарной продукции. Для этого необходимо создать систему вскрытия геометризованных блоков недр с технологическими модулями их отработки, что потребует изменения структуры горного предприятия.

В структуру горного предприятия, разрабатывающего месторождение известняков или доломитов, входят: карьер (цех открытых горных работ), перерабатывающее производство (дробильно-сортировочный цех по производству щебня, помольный цех для производства известняковой и доломитовой муки, а иногда присутствует цех для пассировки каменных блоков (негабаритов) с последующей их распиловкой на доски, облицовочную плитку). В связи с тем, что по качественному составу известняки и доломиты могут быть пригодны для производства извести, то в технологическую линию могут быть включены мельницы тонкого помола и печи для обжига сырья.

Технологии и оборудование, используемое в карьерах, как правило, одного типа. На производственных процессах по вскрыше используются бульдозеры при снятии плодородного слоя, одноковшовый экскаватор типа «обратная лопата» и автотранспорт (самосвалы). На добычных работах используется взрывная или безвзрывная технология подготовки массива к экскавации, а также одноковшовые экскаваторы типа «прямая лопата» или «обратная лопата», бульдозеры для зачистки рабочей площадки уступа и автотранспорт - самосвалы.

Выбор системы вскрытия геометризованных блоков с технологическими модулями добычи сырья и выпуска товарной продукции зависит от решения задач по совершенствованию взрывной и безвзрывной технологий подготовки породных массивов к экскавации. Результат по совершенствованию взрывной и безвзрывной технологий подготовки породных массивов к экскавации в первую очередь зависит от уровня достоверности информации о свойствах породного массива и слагающих его горных породах.

Структуру массива известняков (доломитов) задают системы трещин и последовательность напластований разнопрочных пород. Для количественной оценки породных массивов используют такие показатели, как модуль трещиноватости, коэффициент трещиноватости, предел прочности породных образцов на сжатие, растяжение. Одни слои карбонатного массива требуют только рыхления, а другие, которые способны «выдать» крупно-габаритные блоки, требуют их дробления. Главное в технологии подготовки породного массива к экскавации соблюдать принцип «Не дроби в породном массиве ничего лишнего».

Массивы карбонатных пород являются прогнозируемыми по структурным и прочностным свойствам. Для прогнозной оценки карбонатного массива требуется не только геологоразведочный отчет по месторождению, но и разрезная траншея, выполняющая роль выработки эксплуатаци-

онной разведки. В этом случае прочностную характеристику и структуру породного массива выемочного блока можно устанавливать методом фоточислового анализа свободных поверхностей, определяющих конструкцию разрезной траншеи. Фоточисловой анализ свободных поверхностей породного массива позволяет получать информацию о системах трещин, слоевой структуре, геометрии отдельностей и цвете сколов отдельностей в породном массиве. Шкала цветов сколов отдельностей сопоставляется со шкалой прочностных показателей породы слоя породного массива, что позволяет оценивать прочность горной породы.

Изучение цвета свежего скола породы дает информацию о составе и происхождении осадочных пород, их постседиментационных преобразованиях (рисунок).

Фотография откоса уступа разрезной траншеи с идентифицированными палитрами оттенков цветов слоев

В цветовой гамме пород различаются ахроматические тона: черный, белый и серый; хроматические тона: красный, оранжевый, коричневый, желтый, зеленый, синий, фиолетовый, образующие всевозможные взаимопереходы. В генетическом отношении все окраски подразделяются на первичные и вторичные. Первичные окраски, в свою очередь, могут быть унаследованными или сингенетическими. Унаследованные окраски определяются цветом терригенного материала. К типичному представителю подобных пород относятся белые карбонатные песчаники. Интенсивность их окраски зависит от содержания окрашенных минеральных зерен и закономерно связана с гранулярной и гравитационной сортировкой обломочного материала. Выявление первичного характера этой окраски сомнения обычно не вызывает. Сингенетическая окраска обусловлена цветом цемента, либо окраской аутогенных минералов, возникающих при осадконакоп-лении и диагенезе пород. Вторичные окраски возникают в постдиагенети-ческие стадии изменения пород [1].

Базовой прочностной характеристикой горной породы является предел ее прочности на одноосное сжатие осж. Соотношения между максимальными и минимальными значениями пределов прочности карбонатных пород при сжатии в среднем изменяются от 2 до 10 МПа и более. Предел прочности образцов карбонатных пород зависит от размера зерен цементируемого материала. С увеличением размера зерен цемента предел прочности образцов пород на одноосное сжатие уменьшается и, наоборот, при уменьшении размера зерен цемента предел прочности образцов пород на одноосное сжатие увеличивается.

По цвету (оттенку) свежего скола образцов породы для конкретного месторождения составляется шкала цветов с соответствующими им значениями предела прочности пород на сжатие осж. База данных значений оттенков цветов и соответствующих им пределов прочности карбонатных пород на сжатие осж позволяет автоматизировать процесс получения информации о прочностных свойствах природных отдельностей массива карбонатных пород. Фоточисловой метод сканирования свободных поверхностей разрезной траншеи позволяет получить не только характеристики прочностных свойств карбонатных пород, но и произвести геометризацию массива (табл.2).

Таблица 2

Показатели, получаемые по результатам фоточислового анализа __поверхности откоса_

Мощность п-слоя, м

1' Расстояние между трещинами системы первого порядка, м

1 сл Ч max Максимальны размер открытой плоскости отдельности, м

псл птр Количество вертикальных трещин в слое, шт

_ сл ° сжат Предел прочности породы! слоя на одноосное сжатие, МПа

Прочностные характеристики породного массива определяются контактными связями взаимно расположенных природных естественных отдельностей. Поэтому информации о свойствах породного массива и слагающих его горных породах, получаемая фоточисловым методом, позволяет решать задачи обоснования технологических схем селективной разработки залежи.

Во многих случаях горные технологические задачи решаются предварительным безрасчетным указанием экспертами-специалистами известных вариантов с последующим детальным расчетом каждого из них, а именно определяются следующие элементы: ориентировочная производительность карьера, длина фронта добычных работ, длина уступа, ширина заходки, высота уступа, количество уступов, количество забоев (фронтальных, торцевых, площадных), ширина рабочей площадки, гранулометрический состав полезной массы, параметры способа выемки и др. параметры.

Количество одновременно работающих забоев определяется производственной программой горного предприятия по выпуску реализуемого объема товарной продукции.

Для определения высоты добычного уступа необходимым является задание мощности и количества вынимаемых слоев (группы слоев). Ограничение на высоту добычного уступа накладывает мощность группы выемочных слоев, количество выемочных слоев, порядок их отработки, конструктивные параметры исполнительного органа выемочно-погрузочного оборудования, устойчивость откоса уступа и регламентация правил техники безопасности ведения открытых горных работ.

Для определения ширины рабочих площадок на уступах задаются количество одновременно отрабатываемых уступов, количество и тип горного и транспортного оборудования по процессам извлечения и доставки до пунктов разгрузки и переработки полезного ископаемого, основные технологические параметры комплекса оборудования. Задаются пропускная и провозная способности внутрикарьерных транспортных коммуникаций, расстояния от забоев до пунктов разгрузки, ширина транспортных коммуникаций и их продольные уклоны.

Для оценки основных показателей, влияющих на выбор параметров технологической системы селективной разработки массива карбонатных пород, служит комплексный показатель эффективности недропользования [2]

То =

где Эн, ЭЛН - показатели эффективности недропользования в натуральном (т/м ) и денежном (руб.) выражении соответственно; Кз- коэффициент замкнутости технологической системы.

Показатель эффективности недропользования в натуральном выра-

2

жении (т/м2) определяется по формуле

К • ЪМг

Эн =---!-,

Крк • Ет(52 + 53)-52 • Иср

1

где Иср - средняя мощность пород вскрыши в пределах контура извлечения

п

запасов полезного ископаемого, м; ЕМг - масса товарной продукции. т;

1

3 3

к1рк - средневзвешенный контурный коэффициент вскрыши, м /м ; Б2 -площадь поверхности тела залежи в пределах контура извлечения запасов, м2; 53 - площадь дна карьера в пределах контура извлечения запасов по-

2п

лезного ископаемого, м ; Е тг - суммарная мощность слоев полезной за-

1

лежи (без прослоек пустых пород), м.

Показатель эффективности недропользования в денежном (руб.) выражении Элн определяется по формуле

ср

К • Е м

Эн =т-Л-1-,

! П П \

с - С.

Е тг (^2 + £3 )-£2 • К

т .„., . „.,, „., ..

/ < г\ 2 3) 2 ср ч Св ) 1 п

где ЕМ - масса товарной продукции, оцененной в рублях; Ск - экономи-

1

3

чески допустимая коммерческая себестоимость добычи из недр 1 м полезной массы (при условии кр = кг, где кг - граничный коэффициент вскры-

33

ши), руб./м ; Сд - себестоимость добычи 1 м полезного ископаемого без

3

учета вскрышных работ, руб./м .

Коэффициент замкнутости технологической системы определяется по формуле

кр • Ем

К = 0,5 • Иср £ - £) ,

где ¿1 - площадь нарушаемой земной поверхности в пределах контура ведения вскрышных работ для обеспечения готовых к выемке запасов площадью £ 2, м2.

Физический смысл Кз заключается в соотношении совокупной массы товарной продукции и совокупной добытой массы, из которой произведена продукция. Если Кз = 0,9.1,0, то технологический процесс безотходный, в случае Кз = 0,5 . 0,9 технология малоотходная, при Кз < 0,5 считается технологический процесс открытым.

Комплексный показатель Т0 (1) включает: экологические параметры

- площадь и глубину нарушений земной поверхности; технологические параметры - мощность пород вскрыши, мощность продуктивных слоев полезной толщи, извлеченный из недр объем полезной массы, объем выработанного пространства; экономические параметры - массу товарной продукции, себестоимость вскрыши и себестоимость добычи.

Экономическая эффективность технологической схемы селективной разработки полезной залежи известняков или доломитов тем выше, чем больше получается выход с 1 м2 земельного отвода под карьерное поле блочной продукции и полезной массы с природным гранулометрическим составом при коэффициенте замкнутости производства Кз >0,5.

Список литературы

1. Справочник по литологии. / Н.Б. Вассоевич, В.Л. Либрович, Н.В. Логвиненко, В.И. Марченко. // М.: Недра, 1983. 510 с.

2. Сафронов В.П. Модульный подход в оценке технологических схем ведения открытых горных работ // Геотехнологии, проблемы и перспективы: материалы 2-й Международной научно-практической конференции / ТулГУ. Тула, 2001. С. 58 - 61.

Сафронов Виктор Петрович, д-р техн. наук, проф., Safronov-vpalist.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Зайцев Юрий Владимирович, канд. техн. наук, доц., yura.zaytsev. 1975@Jist.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Сафронов Вадим Викторович, канд. техн. наук, гл. инженер, pankrat@,drummer.ru, Россия, Тула, ОАО «Тулагипрохим»,

Панкратов Антон, асп., pankrat@drummer.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

SELECTIVE SYSTEM OF DEVELOPMENT LIMESTONES - PROSPECT OF EXPANSION OF ASSORTMENT OF PRODUCTION OF THE MINING ENTERPRISE

V.P. Safronov, Y. V. Zaytsev, V. V. Safronov, А. V. Pankratov

In clause it is offered to the mountain enterprises developing deposit limestones or dolomites, to expand of assortment of commodity production. For this purpose it is required to introduce selective system of development based on rational division of a useful deposit on blocks with stable meanings of qualitative - quantitative parameters, adequate to raw material for manufacture of this or that commodity production. It is offered to receive meanings of qualitative - quantitative parameters describing a file of breeds, photonumerical method. The photonumerical method allows to decide tasks on a substantiation of the technological circuits of selective development of a deposit. For an estimation of technological system of selective development consisting of technological modules, the complex parameter of efficiency of usage by resources is offered.

Key words: limestone, mine, selective system of development, designing.

Safronov Viktor Petrovich, doctor of technical sciences, professor, Safronov-vp@,list.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Zaytsev Yurii Vladimirovich, candidate of technical sciences, docent, yura.zaytsev. 19 75@list. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Safronov Vadim Viktorovich, main engineer, Russia, Tula, Open JSC «Tulagipro-

him»,

Anton Pankratov, postgraduate, pankrat@drummer. ru, Russia, Tula, Tula State University