СПОСОБ ПЕРЕУКЛАДКИ ГИДРООТВАЛА
HYDRAULIC FILL RE-LAYING METHOD

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при открытой разработке полезных ископаемых, в частности для переукладки на новое место четвертичных вскрышных пород, уложенных ранее в гидроотвал средствами гидромеханизации, с целью обеспечения доступа к георесурсам, которые залегают под гидроотвалом.
Известен способ переукладки гидроотвала, включающий применение гидромониторно-землесосных комплексов для разработки четвертичных вскрышных пород, которые были уложены в гидроотвал, и их перемещение по трубопроводу в горную выработку, формирование разделительной дамбы (Федосеев, А.И. Опыт отработки намывных четвертичных пород с площади бывшего гидроотвала №3 ОАО «Разрез Кедровский» / А.И. Федосеев, В.Р. Вегнер, С.И. Протасов, С.П. Бахаева // Горный информационно-аналитический бюллетень. - М.: Изд-во МГГУ. - 2004. - №3, - С. 268-273). Разделительную дамбу формируют для исключения переукладки той части пород гидроотвала, которая не препятствует отработке запасов угля.
Недостатки известного способа:
- в процессе гидромониторной разработки пород неконсолидированной зоны гидроотвала, неоднократно происходили оползневые явления, которые приводили к авариям и потерям оборудования;
- весь массив намытых пород гидроотвала разрабатывают и перемещают одним гидромониторно-землесосным комплексом без учета их физико-механических свойств.
Известен способ переформирования гидроотвала, включающий применение землесосных снарядов для рекультивации гидроотвалов вскрышных пород (Мироненко, А.Т. Применение землесосных снарядов для рекультивации гидроотвалов вскрышных пород // Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности: Труды междунар. науч.-практ. конф. - Кемерово: ННЦ ГП (ИГД им. А.А. Скочинского), ИУУ СО РАН, КузГТУ, ЗАО КВК «Экспо-Сибирь» (30.08-02.09.05). - 2005. - С. 86-91). Он предусматривает применение земснаряда для разработки несвязных намытых пород в целях рекультивации гидроотвала при формировании рекреационных зон по традиционной технологии, которая включает процессы подводной разработки пород всасыванием гидросмеси, ее гидротранспортирования, намыва и возврата отработанной воды в забой (водоснабжение).
Недостатком известного способа является его высокая энергоемкость из-за сравнительно низкой концентрации твердого в гидросмеси, которая резко возрастает при разработке плотных консолидированных пород и усугубляется необходимостью возврата осветленной воды.
Наиболее близким к заявляемому способу по технической сущности и достигаемому результату является способ переформирования гидроотвала (А.с. СССР №1465573, МПК Е21С 41/02, опубл. 15.03.1989, бюл. №10), включающий формирование траншеи на границе подлежащих и не подлежащих отработке намытых в гидроотвал пород, формирование оградительной дамбы и перемещение намытых в гидроотвал пород драглайном за оградительную дамбу.
Недостатки этого способа:
- применение экскаватора (драглайна) для «выемки намывных пород на всю их мощность» для создания траншеи на границе подлежащих и не подлежащих отработке намытых в гидроотвал пород и формирования дамбы на поверхности гидроотвала с целью укладки за нее намытой породы из переукладываемой части гидроотвала возможно при весьма значительном «времени отдыха» уложенных в гидроотвал пород или только непосредственно у дамбы гидроотвала, с которой проводился намыв, т.е. в зоне намыва песчано-супесчаных пород;
- необходимость формирования насыпей из специально привезенных на гидроотвал скальных и полускальных пород «в объеме, достаточном для обеспечения замещения намывных пород насыпными на глубину, равную диаметру базы применяемого экскаватора (драглайна), и создания устойчивой конструкции нового откоса гидроотвала»;
- не определены технология и технические средства для разработки тех зон гидроотвала, где намыты обводненные неконсолидированные глинистые и суглинистые породы;
- массив намытых пород гидроотвала разрабатывают без учета их физико-механических свойств.
Технический результат заявляемого способа - обеспечение безопасного доступа к георесурсам, которые залегают под гидроотвалом, открытым способом их разработки, снижение затрат на переукладку гидроотвала.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе переукладки гидроотвала, включающем формирование траншеи на границе подлежащих и не подлежащих отработке намытых в гидроотвал пород, формирование оградительной дамбы, перемещение намытых в гидроотвал пород за оградительную дамбу, согласно заявляемому изобретению гидроотвал разделяют на три зоны с характерными физико-механическими свойствами пород каждая, для отработки которых применяют комплекс гидромеханизированных технологий, при этом сначала задействуют по меньшей мере один землесосный снаряд для разработки обводненных неконсолидированных глинистых пород третьей зоны, после того, как глубина горных выработок в третьей зоне намыва позволит обеспечить самотек гидросмеси от гидромонитора к земснаряду, производят гидромониторный размыв суглинистых пород второй зоны, далее для отработки песчано-супесчаных пород первой зоны, включая породы дамб обвалования, используют гидрокомплекс с экскаваторной выемкой пород и перемещением их в навал с последующим размывом струей гидромонитора, гидросмесь от которого используют для формирования разделительной дамбы и оградительной дамбы на не подлежащей перемещению части гидроотвала при недостаточной степени консолидации ранее намытых пород, затем землесосным снарядом формируют разделительную дамбу, для чего по линии, которая разделяет намытые в гидроотвал породы на подлежащие и не подлежащие отработке, земснарядом формируют прорезь-траншею, которую замывают гидросмесью пород первой зоны гидроотвала, а извлеченную при этом породу в виде гидросмеси намывают за оградительную дамбу, которую при достаточной степени консолидации ранее намытых пород в не подлежащей перемещению части гидроотвала формируют из их поверхностного слоя.
Указанный технический результат достигается также тем, что в способе переукладки гидроотвала при возведении разделительной дамбы прорезь-траншею заполняют привезенными полускальными вскрышными породами из карьера или теми, из которых сформирована дамба обвалования гидроотвала, но разработку которых осуществляют экскаваторно-автотранспортным комплексом, причем из этих пород строят оградительную дамбу и призму упора.
Указанный технический результат достигается также тем, что в способе переукладки гидроотвала при отсутствии в дамбе обвалования полускальных пород или когда дамба обвалования не подлежит переукладке, для отработки песчано-супесчаных пород первой зоны применяют гидромониторно-землесосный комплекс вместо гидрокомплекса с экскаваторной выемкой пород и перемещением их в навал с последующим размывом струей гидромонитора.
Заявляемый способ поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана схема переукладки гидроотвала; на фиг. 2 - продольный разрез гидроотвала; на фиг. 3 - схема проведения прорези-траншеи и ее заполнения гидросмесью пород из первой зоны намыва для формирования разделительной дамбы на полную глубину; на фиг. 4 - схема проведения прорези-траншеи и ее заполнения гидросмесью пород из первой зоны намыва для послойного формирования разделительной дамбы на полную глубину.
Заявляемый способ осуществляют следующим образом.
В гидроотвале при намыве гидросмеси четвертичных вскрышных пород формируются три основные зоны с определенными физико-механическими свойствами пород: первая зона I, непосредственно у дамбы, с которой проводился намыв - зона песчано-супесчаных пород. За ней следуют соответственно вторая зона II - суглинистых пород и третья зона III - обводненных неконсолидированных глинистых пород (см. фиг. 1, 2). Для песчано-супесчаных пород первой зоны характерен грубо дисперсионный состав намывных отложений мягко пластичной консистенции (угол внутреннего трения ϕ=17-27°). Вторая зона суглинистых пород характеризуется наличием отложений текучей и мягкопластичной консистенции (ϕ=13-16°), а третья зона обводненных неконсолидированных глинистых пород - отложениями текучей и мягкопластичной консистенции (ϕ=5-10°).
Следует учитывать особенность традиционного способа гидроотвалообразования (при намыве пород со стороны дамбы обвалования), заключающуюся в том, что в результате намыва образуется контруклон поверхности гидроотвала по отношению к уклону тальвега долины J (см. фиг. 2), в которой он расположен. При этом в ядерной зоне формируется замкнутое понижение, подпитываемое водой естественного долинного стока, что способствует заболачиванию верховьев гидроотвала 1 (см. фиг. 1) и препятствует консолидации пород.
2
2
В зависимости от мощности намыва, литологического состава пород, коэффициента консолидации и степени уплотнения грунта необходимо так называемое «время отдыха» для достижения определенной степени их уплотнения, которое позволяет вести горные работы на намытых породах. Степень уплотнения 30%, как правило, соответствует несущей способности поверхности в 1,5 кг/см, достаточной для применения гусеничной техники, а при степени уплотнения 50%, ее величина приблизительно равна 2,0 кг/см, что позволяет использовать некоторые виды колесной сельскохозяйственной техники. Величина «времени отдыха» изменяется в широких пределах от 5 до 30 лет и более.
Каждую зону гидроотвала в целях обеспечения безопасности ведения горных работ разрабатывают соответствующими техническими средствами. Обводненные неконсолидированные глинистые породы третьей зоны - землесосными снарядами (далее - земснарядами) 2 (см. фиг. 2); суглинистые породы второй зоны - гидромониторным размывом 3 (см. фиг. 2); песчано-супесчаные породы первой зоны, включая породы дамб обвалования 4 (см. фиг. 1, 2), гидрокомплексом 5 (см. фиг. 2) с экскаваторной выемкой пород и перемещением их в навал с последующим размывом струей гидромонитора.
При этом безопасность ведения горных работ обеспечивается не только за счет использования комплекса гидромеханизированных технологий, каждая из которых применяет технические средства, которые соответствуют физико-механическим свойствам пород разрабатываемых зон гидроотвала, но и последовательностью их применения и сочетания.
На первом этапе работ производят разработку пород третьей зоны III обводненных неконсолидированных глинистых пород земснарядом 2 (см. фиг. 2). Для этого осуществляют строительство котлована, который заполняют водой и в него спускают землесосный снаряд, один или несколько, в зависимости от требуемой производительности и срока выполнения работ по переукладке пород гидроотвала на новое место. Разработка землесосным снарядом обводненных неконсолидированных глинистых пород гидроотвала в третьей зоне обеспечивает безопасность работ.
После того как в третьей зоне гидроотвала выработанное пространство 6 позволит обеспечить самотечный гидротранспорт пульпы от гидромониторов, производят гидромониторный размыв 3 пород второй зоны (см. фиг. 2). В этом случае гидросмесь по пульповодной канаве 7 с уклоном i (см. фиг. 2) перемещается в выработанное пространство 6, откуда ее забирают землесосным снарядом 2 и транспортируют к месту складирования, сначала по плавучему пульповоду 8 (см. фиг. 2), а затем по магистральному пульповоду в новый гидроотвал. Такая последовательность и сочетание гидромеханизированных технологий исключает возможность возникновения аварии и выхода из строя гидротранспортного оборудования при оползнях или выпорах, которые образуются в результате размыва гидромониторами неконсолидированной части пород гидроотвала. Функцию землесосов по транспортированию пульпы из гидромониторного забоя выполняют землесосные снаряды, количество которых должно соответствовать суммарной производительности гидрокомплекса по породе, которая складывается из объемов, разрабатываемых земснарядами 2 и гидромониторным размывом 3. Кроме того, предлагаемая совместная разработка пород земснарядами и гидромониторным размывом исключает необходимость системы возврата воды в забой земснаряда, как это бывает при традиционном способе их применения.
В результате гидросмесь пород переукладываемого гидроотвала перемещают по трубопроводу и укладывают в новый гидроотвал, обеспечивая доступ к георесурсам. Учитывая потенциальное плодородие входящих в ее состав пород, возможен также ее намыв на нарушенные горными работами земли после проведения там горнотехнического этапа рекультивации.
В том случае, когда полезное ископаемое залегает в недрах только одной части гидроотвала, экономически целесообразна частичная его отработка, которая требует формирования разделительной дамбы. Створ 9 разделительной дамбы, подлежащие А и не подлежащие Б отработке части гидроотвала, а также границы зон гидроотвала 10 в плане показаны на фиг. 1. Для создания разделительной дамбы, створ которой 9 показан на фиг. 1, 3, 4, используют гидросмесь из песчано-супесчаных пород первой зоны гидроотвала, которые разрабатывают гидрокомплексом 5 (см. фиг. 2) с экскаваторной выемкой пород и перемещением их в навал с последующим размывом струей гидромонитора.
Формирование разделительной дамбы (створ которой 9 показан на фиг. 1, 3, 4) осуществляют следующим образом. Предварительно на поверхности оставляемой части гидроотвала строят оградительную дамбу 11 (см. фиг. 1) путем намыва гидросмеси с применением сгустителя (см., например, патент РФ №2078172. Способ намыва грунтового сооружения. Опубл. 27.04.1997) из песчано-супесчаных пород первой зоны гидроотвала или из намытых ранее пород поверхностного слоя при достаточной степени их консолидации. Затем землесосным снарядом 2, в намеченном месте формирования разделительной дамбы по створу 9 (см. фиг. 1, 3), проходят прорезь-траншею 12 (фиг. 3). Породы из прорези-траншеи 12 в виде гидросмеси укладывают за оградительную дамбу 11 (см. фиг. 1), расположенную на поверхности оставляемой части гидроотвала. Вода после осветления самотеком возвращается в прорезь-траншею 12. Выработанное пространство №1-1 (см. фиг. 3) заполняют гидросмесью из песчано-супесчаных пород первой зоны гидроотвала, включая породы дамб обвалования.
В том случае, когда мощность намытых пород превышает возможности земснаряда по формированию прорези-траншеи 12 на полную глубину до основания гидроотвала 13 (фиг. 3), разделительную дамбу по створу 9 (см. фиг. 1) строят послойно (фиг. 4). Для первого слоя проходят прорезь-траншею 12 (см. фиг. 4), выработанное пространство которой №1-1 (см. фиг. 4) заполняет гидросмесь из песчано-супесчаных пород первой зоны гидроотвала, включая породы дамб обвалования 4. Когда на этом же горизонте освобождается место, формируют прорезь-траншею 12 на втором слое (см. фиг. 4), выработанное пространство которой №2-1 (см. фиг. 4) также заполняют гидросмесью из песчано-супесчаных пород первой зоны гидроотвала, включая породы дамб обвалования.
Разделительную дамбу по створу 9 (см. фиг. 1), при необходимости, укрепляют путем намыва призмы упора 14 (см. фиг. 4) из гидросмеси песчано-супесчаных пород первой зоны гидроотвала, включая породы дамб обвалования, которые намывают с применением сгустителя (Патент РФ №2078172. Способ намыва грунтового сооружения. Публикация патента: 27.04.1997).
Пример конкретного применения способа
3
В условиях разреза «Черниговец» ОАО «УК «Кузбассразрезуголь» для обеспечения доступа к отработке открытым способом угольных пластов, которые залегают под гидроотвалом №2, реализуется предлагаемый способ переукладки намытых там четвертичных вскрышных пород на новое место - в гидроотвал №1 (см. фиг. 5). Расстояние транспортирования гидросмеси от переукладываемого до нового места укладки изменяется от 4,5 км (на первом этапе) до 5,8 км. Сначала, с целью обеспечения безопасности ведения горных работ для разработки обводненных неконсолидированных глинистых пород третьей зоны поочередно вводятся два фрезерных земснаряда ДФС 1900/58 со свайным ходом 15 (см. фиг. 5) и производительностью по пульпе 1900 м/ч каждый. Геодезическая высота подъема гидросмеси - 56,0 м (отметки пляжа места укладки гидроотвала №1 +262,0 м и зеркала воды гидроотвала №2 +206,0 м) и транспортирование гидросмеси по пульповоду 16 (см. фиг. 5) на расстояние 4,5 км потребовали организации перекачивающей землесосной станции 17 (см. фиг. 5), которая оснащена двумя параллельно работающими землесосами Гру2000/63. На этом этапе функционирования гидрокомплекса осветленная вода из гидроотвала №1 насосной станцией 18 (см. фиг. 5), оснащенной двумя параллельно работающими насосами Д 2000-100, по трубопроводу 19 (см. фиг. 5) подается в забой земснарядов. Общий объем переукладываемых пород составляет порядка 40 млн м, в т.ч. объем обводненных неконсолидированных глинистых пород третьей зоны - не менее половины. В таком случае целесообразно, для сокращения времени переукладки пород гидроотвала, ввести в эксплуатацию еще два аналогичных земснаряда, однако это решение принимает собственник.
После отработки земснарядами обводненных неконсолидированных глинистых пород третьей зоны, когда глубина горных выработок в ней позволит обеспечить самотек гидросмеси от гидромонитора к земснаряду, вводится гидромониторный размыв суглинистых пород второй зоны. При этом землесосы не задействуют, их функцию по транспортированию пульпы из гидромониторного забоя выполняют землесосные снаряды и исключают также систему возврата воды в забой земснаряда. Возможность реализации совместной работы земснаряда и гидромониторов изложена в публикации (Ялтанец, И.М. Вопросы организации разработки месторождений с погружными грунтовыми насосами / И.М. Ялтанец, С.А. Иванов // Горный информационно-аналитический бюллетень. - М.: Изд-во МГГУ. - 2005. - №9, - С. 216-221). Цель авторов публикации состояла в том, чтобы исключить возможность заваливания обрушившейся породой всасывающего патрубка земснаряда.
На стадии завершения переукладки, для отработки песчано-супесчаных пород первой зоны, включая породы дамб обвалования, будет задействован гидрокомплекс с экскаваторной выемкой пород и перемещением их в навал с последующим размывом струей гидромонитора. Возможность реализации такого гидрокомплекса и многолетняя высокоэффективная работа позволила рекомендовать его для широкого применения (Типовые технологические схемы ведения горных работ на угольных разрезах. - М.: Недра, 1982. - 405 с.).
Совместная разработка пород земснарядами и гидромониторным размывом исключает необходимость системы возврата воды в забой земснаряда, как это бывает при традиционном способе их применения. Заявляемое техническое решение обеспечивает снижение затрат на переукладку гидроотвала. В результате сочетания разработки пород земснарядами и гидромониторным размывом повышается плотность гидросмеси пород переукладываемого гидроотвала, которая транспортируется по трубопроводу и намывается в новый гидроотвал, т.к. вместо осветленной воды в выработанное пространство к земснаряду подается гидросмесь из гидромониторного забоя. Известно, что при подводной разработке пород всасыванием удельный расход воды больше, чем при размыве струей гидромонитора. Таким образом, значительно уменьшается количество воды, находящейся в кругообороте, что сокращает затраты на переукладку гидроотвала для обеспечения доступа к георесурсам.
Дополнительным фактором эффективности является использование вместо пород, привезенных из карьера, песчано-супесчаных пород первой зоны, включая породы дамб обвалования, из гидросмеси которых формируют разделительную дамбу и оградительную дамбу на не подлежащей перемещению части гидроотвала при недостаточной степени консолидации ранее намытых там пород.
Предлагаемый способ позволяет обеспечить безопасный доступ к георесурсам, которые залегают под гидроотвалом, открытым способом их разработки, а применение гидромеханизации вносит значительный вклад в снижение затрат на переукладку гидроотвала.