Анализ влияния технологических схем выемки горной массы на показатели качества при открытой разработке месторождений полезного ископаемого

РАЗРАБОТКА ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

УДК 681.142.2:622.271.3

Зарубин М.Ю., Фионин Е.А., Данилец Е.В.

АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ ВЫЕМКИ ГОРНОЙ МАССЫ НА ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА ПРИ ОТКРЫТОЙ РАЗРАБОТКЕ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНОГО ИСКОПАЕМОГО

Аннотация. Рассмотрены актуальные для горнодобывающей промышленности вопросы влияния технологических схем выемки горной массы на показатели качества добываемого полезного ископаемого. В зависимости от типа сложности забоев выделены технологические схемы простой и селективной выемки. Рассмотрено влияние схем валовой, простой и сложной селективной выемки горной массы применяемыми электрическими экскаваторами типа прямой мехлопаты на параметры стабилизации качества полезного ископаемого и затраты.

Ключевые слова: полезное ископаемое, выемочно-погрузочные работы, простая валовая выемка, простая селективная выемка, сложная селективная выемка.

Результаты информационного поиска по вопросам технологии выемочно-погрузочных работ в режиме стабилизации качества полезного ископаемого показали, что данной проблемой занимались в целом ряде научных центров известные специалисты в области горного дела, что обусловлено актуальностью задачи стабилизации качества полезного ископаемого. Большой вклад в решение этих задач внесли В.В. Ржевский, Б.Р. Ракишев, Ф.Г. Грачев, П.П. Ба-стан, В.Ф. Вызов и др.

Технологические схемы выемки рыхлого полезного ископаемого и вскрыши в настоящее время детально проработаны для разных видов вые- а мочного оборудования. На карьерах Казахстана и стран СНГ наибольшее распространение получили технологические схемы с использованием в качестве выемочного оборудования электрических экскаваторов типа ^

«прямая мехлопата». В основном это различные модели экскаватора ЭКГ с ковшами емкостью Е = 5, 6.3, 8, 10, 12.5 м3 и в последнее время появились экскаваторы с Е = 15 м3.

Для экскаваторов разработаны методы расчета основных параметров элементов системы разработки -высота уступа, ширина заходки, ширина рабочей площадки. Для скальных пород при проведении буровзрывных работ (БВР) кроме этого должны соблюдаться определенные требования к высоте развала в зависимости от параметров БВР.

Целесообразно вести работы с минимальными по ширине рабочими площадками, поскольку в этом случае угол наклона рабочего борта увеличивается. Поэтому расчет ми-

нимально возможной ширины рабочей площадки выполняется из условия совмещения процессов выемки и транспортирования горной массы.

Забои разделяют на простые и сложные.

В простых забоях осуществляется валовая выемка, при которой рабочий цикл состоит только из черпания, поворота, разгрузки и обратного поворота выемочного оборудования. Он не содержит никаких дополнительных операций и поэтому является самым коротким по времени, что соответственно обеспечивает максимальную производительность выемочного оборудования (рис. 1).

А

С1

Рис. 1. Схема рабочих площадок с простыми забоями: а, б - схема рабочей площадки на рыхлых и скальных породах;

, С2......Сб - элементы рабочих площадок; А - ширина заходки (забоя);

В - ширина развала; а - ширина защитного вала

с

С

С

в

С

в

в

В сложном забое может встречаться несколько типов или сортов горной массы. Обычно в сложных забоях полезное ископаемое перемежается с прослойками пустой породы.

Степень сложности забоя может быть определена: мощностью рудного или породного включения; числом прослоек полезного ископаемого или пустой породы; формой и углом падения рудных или породных включений; количеством типов или сортов полезного ископаемого в забое, требующих раздельного извлечения.

Условно из всего разнообразия можно выделить четыре типа сложных забоев при отработке рыхлой горной массы [1]. На рис. 2, а, б, в, г отображены их варианты.

Рис. 2. Основные типы сложных забоев при отработке рыхлой горной массы: а, б, в, г - варианты сложных забоев;

А - ширина заходки

Схема а - по высоте забоя наблюдаются два слоя рудных разновидностей (типов или сортов) или только один слой руды и один слой породы; это наиболее простая структура сложного забоя, и при разработке его обеспечивается почти полное извлечение руды при незначительном разубоживании.

Схема б - забой многократно перемежается слоями руд и пород небольшой мощности (до 5 м) горизонтального или слабонаклонного падения; в таких забоях потери и разубоживание тем выше, чем чаще перемежаемость прослоев.

Схема в - забой часто перемежается прослоями руд и пород вертикального или крутонаклонного падения (подобные сложные забои встречаются на Алтын-Топканском, Кара-Тауском, Кайрактинском карьерах).

Схема г - в забоях различные типы или сорта руд и пород представлены телами неправильной или гнездообразной формы (например, Кальмакырский и

ряд железорудных карьеров Урала).

То же самое можно сказать и про расположение полезного ископаемого относительно продольной оси забоя.

Технология выемочно-погрузочных работ в сложных забоях в сочетании с буровзрывным рыхлением оказывает решающее влияние на качество добываемого полезного ископаемого. Валовая выемка здесь не допустима, поскольку приводит к существенному увеличению разубоживания и выходу некондиционного полезного ископаемого, а также и общему увеличению потерь. Это предопределило применение на карьерах различных методов селективной выемки и погрузки.

Различают простую и сложную селективную выемку [2]. Первая состоит в обособленной выемке и погрузке разнотипных горных пород (полезных ископаемых различных типов и сортов, вмещающих пород) по фронту уступа без их сортировки в вертикальной плоскости. Сложная селективная выемка заключается в сортировке разнородной горной массы по высоте уступа, обеспечивая при этом обособленную выемку и погрузку различных типов пород в самых сложных условиях их залегания.

Конкретные технологические схемы селективной выемки весьма разнообразны и определяются типом сложного забоя, применяемым выемочным оборудованием и видом транспорта. В рамках работы, проводимой на грант Министерства образования и науки Республики Казахстан по теме «Разработка ИС поддержки принятия решений по формированию эффективных технологических схем стабилизации качества полезного ископаемого» (№ госрегистрации 0112РК02423) [3], рассмотрены наиболее распространенные схемы.

Схема селективной выемки маломощных крутых и наклонных пластов залежи определяется положением пласта в контурах заходки. При погрузке пород в средства железнодорожного транспорта в этих случаях нашли применение схемы с частичным складированием части пород внутри заходки [4]. Одна из возможных схем приведена на рис. 3.

Экскаватор устанавливается как можно ближе к железнодорожному пути, отрабатывая забой узкой заходкой. При этом полезное ископаемое 1 отгружается прямо в думпкары, а часть вскрыши 2 отсыпается в навал внутри заходки 2 у откоса уступа. После отработки горной массы из узкой заходки на величину максимального радиуса черпания экскаватор отходит назад и отгружает вскрышные породы из навала 2 и из оставшейся части заходки 3.

При отработке сложного забоя с залеганием пласта полезного ископаемого под углом до 30° может быть использована схема с подработкой верхней рыхлой породной части бульдозером [4]. На рис. 4 отображена такая технологическая схема выемочно-погрузочных работ.

Рис. 3. Простая селективная выемка при крутом падении пласта с погрузкой в железнодорожный транспорт: 1, 2, 2', 3 - последовательность отработки узких заходок и навала; - радиус разгрузки;

^.т1п - минимальный радиус разгрузки; - радиус черпания; Рч.тах - максимальный радиус разгрузки; Ну - высота уступа

А-А

Рис. 4. Простая селективная выемка наклонного пласта с бульдозерной подвалкой и временным складированием породы в штабель: 1 - бульдозер; 2 - мехлопата; 3 - железнодорожный вагон

Простая селективная разработка осуществляется узкими заходками, нормальными заходками, выборочной погрузкой, ступенчатым уступом.

При автомобильном транспорте простая селективная выемка осуществляется без процесса отсыпки навала, поскольку объем полезного ископаемого или вскрыши, отгружаемой в один технологический автомобиль, позволяет отгрузить его из забоя без отдельной отсыпки в навал другого типа пород. В этом случае сначала отрабатывается по фронту вдоль уступа узкая заходка с одним типом горной породы, а затем при необходимости экскаватор возвращается и отрабатывает так же узкой заходкой другой тип пород.

При простой селективной выемке с погрузкой в автотранспорт производительность выемочного оборудования снижается ориентировочно на 10% [5-7]. При погрузке в железнодорожный транспорт снижение более существенно и зависит от положения слоев, а также технологии погрузки.

Более редко применяемой на железорудных карьерах является сложная селективная выемка, при которой не удается отработать забой простыми (однородными) заходками. Если высота забоя не превышает высоту черпания экскаватора, то селективная выемка слоев может иметь разные варианты последовательности отработки забоя, в зависимости от параметров слоев и физико-механических свойств пород. На рис. 5 приведены возможные варианты последовательности отработки слоев.

В случае селективной отработки высоких забоев применяют схемы с управляемым оборудованием. Отработка забоя начинается, как правило, с верхних слоев.

Рис. 5. Варианты отработки слоев при сложной селективной выемке: а, б - варианты отработки слоев;

1, 2, 3 - последовательность отработки слоев

На рис. б показана схема отработки забоя при раздельной выемке полезного ископаемого трех сортов: первого, второго и третьего.

Раздельная выемка выполняется с регулированием толщины стружки и степени наполнения ковша. Отработка забоя начинается, как правило, с верхних слоев.

Впервые сложная селективная экскавация была применена на Магнитогорском руднике. При сложной селективной экскавации приемы внутризабойной сортировки рудной массы сочетаются с попутной отгруз-

кой требуемых руд. Внутризабойная экскаваторная сортировка состоит из подготовки и собственно сортировки. Подготовка к сортировке включает подготовку забоя, а также выбор места для размещения отсортированной массы и негабаритов. При подготовке забоя удаляются нависи, козырьки, заколы, чем предупреждается самопроизвольное обрушение и смешивание отдельных разнородных участков.

Сама сортировка заключается в обособленной выемке и погрузке разнородной массы или предварительном внутризабойном смешивании разных по качеству руд в штабели перед погрузкой. Сортировка может осуществляться методами управляемого обрушения или раздельной выемкой.

Управляемое обрушение осуществляется подработкой нижней части забоя в порядке, зависящем от расположения полезного ископаемого в забое или развале.

Величина количественных и качественных потерь полезного ископаемого при отработке сложных забоев зависит от вместимости ковша используемого экскаватора. Так, для условий Центрального Кузбасса с увеличением вместимости ковша экскаватора с 4-5 до 8 м2 потери увеличиваются на 14-15% при разработке маломощных пластов и на 11-12% на пластах средней мощности. Поэтому на добычных работах, особенно при отработке сложноструктурных залежей, принимают экскаваторы с меньшей вместимостью ковша, чем на вскрышных работах.

Механические лопаты не обеспечивают качественной селективной выемки в сложных условиях. Большие возможности в этих условиях имеют прямые и обратные гидравлические лопаты, которые благодаря поворотности ковша и другой траектории его движения могут отрабатывать забои различной конфигурации. На ряде зарубежных карьеров находят применение машины для тонкослоевой выемки.

Наиболее легко селективная разработка сложных забоев достигается при использовании автотранспорта как за счет погрузки разнокачественной горной массы в разные автосамосвалы непосредственно из забоя без промежуточного складирования, так и благодаря удобству изменения параметров экскаваторных забоев и заходок. При железнодорожном транспорте раздельная добыча полезного ископаемого часто связана с дополнительным штабелированием горной массы по типам и сортам в призабойном про-

странстве, увеличением времени погрузки составов за счет необходимости набора большого объема однородной массы, расформированием составов или сокращением их полезной массы.

При селективной выемке горной массы производительность выемочно-погрузочного оборудования зависит от структуры забоя и квалификации машиниста. Чем сложнее забой, тем больше времени требуется на подготовку горной массы к отгрузке. Затраты времени вызываются дополнительными подъездами и отъездами оборудования, зачисткой забоя, обособленной выемкой и погрузкой различных типов и сортов полезного ископаемого, временным складированием их в забое.

По данным [8], это время составляет на рудных карьерах 22-67% от времени погрузки. По наблюдениям на карьере Джанатас время погрузки автосамосвала при селективной выемке увеличивается на 28-33%, а сменная производительность экскаватора снижается на 2830%. Производительность экскаватора при селективной выемке во многом зависит от организации работ в забое, здесь желательно максимально совмещать подготовку забоя со временем отсутствия транспорта и обмена составов. В среднем производительность экскаваторов снижается при простой селективной выемке на 10-25%, а при сложной - на 30- 35% и более.

Широкий круг вариантов расположения контактов залежи полезного ископаемого обусловливает необходимость выбора соответствующей схемы простой или сложной селективной выемки со своими особыми приемами выемочно-погрузочных и сортировочных работ. В рамках проводимого исследования разработаны методы определения границ валовой и селективной выемки полезного ископаемого при разных условиях расположения контактов залежи, определена возможность стабилизации качества полезного ископаемого в различных схемах выемочно-погрузочных и сортировочных работ, влияние селективной выемки на производительность выемочного оборудования и стоимостные показатели выемочно-погрузочных работ.

В рамках предстоящих исследований планируется дать оценку эффективности известных технологических схем выемочно-погрузочных работ в сложных забоях по критериям стабилизации качества полезного ископаемого, технико-экономическим показателям, исследовать зависимость показателей схем от исходных условий их применения с целью определения областей их эффективного использования. Результаты исследований позволят на следующем этапе с помощью информационных технологий обеспечить оперативный поиск эффективных технологических решений по стабилизации качества полезного ископаемого, получить оптимальные параметры этих решений.

Рис. 6. Схема отработки забоя при раздельной выемке: 1-1,5- толщина стружки; Н - высота уступа; Нь №, № - толщина слоев горных пород

Список литературы

1. Технология открытой разработки месторождений полезных ископаемых. Ч. 1 / М.Г. Новожилов, Ф.И. Кучерявый, B.C. Хохряков B.C. и др. М.: Недра, 1971. 510 с.

2. Справочник открытых горных работ / К.Н. Трубецкой, М.Г. Трубецкой, К.Е. Винницкий, Н.В. Мельников и др. М.: Горное дело, 1994. 590 с.

3. Разработка ИС поддержки принятия решений при формировании эффективных технологических схем стабилизации качества полезного ископаемого по программе 055 «Научная и/или научно-техническая деятельность»: отчет о НИР / РИИ. № ГР 0112РК02423. Рудный, 2012. 113 с.

4. Ильин С.А., Коваленко B.C., Манкевич В.В. Ресурсосбережение при открытых горных работах. М.: МГИ, 1995. 149 с.

5. Цай Л.А. Современные способы ведения взрывных работ при проведении горных выработок // Горный журнал Казахстана. 2007. №7. С. 9-11.

6. Хохряков B.C. Проектирование карьеров. М.: Недра, 1991. 392 с.

7. Фионин Е.А. Определение области селективной выемки при отработке контактов маломощных запежей // Сборник докладов седьмой международной научной конференции «Топорковские чтения». Вып. 7. Т. 2. Рудный: РИИ, 2006. С. 130-137.

8. Грачев Ф.Г. Теория и практика управления качеством минерального сырья. М.: Недра, 1985. 215 с.

Сведения об авторах

Зарубин Михаил Юрьевич - канд. техн. наук, доц., зав. кафедрой автоматизации и информационных систем Руднен-ского индустриального института, респ. Казахстан. Тел.: 8 (71431) 5-04-01-103. E-mail: zarubin_mu@mail.ru.

Фионин Евгений Александрович - канд. техн. наук, старший преподаватель кафедры металлургии и горного дела Рудненского индустриального института, респ. Казахстан. Тел.: 8 (71431) 5-04-01-132. E-mail: fioninea@mail.ru.

Данилец Екатерина Валерьевна - магистр, ст. преподаватель кафедры автоматизации и информационных систем Рудненского индустриального института, респ. Казахстан. Телефон: 8 (71431) 5-04-01-103. E-mail: danilets_kate@mail.ru

INFORMATION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH

ANALYSIS OF THE IMPACT OF ROCK MASS EXCAVATION TECHNOLOGICAL SCHEMES ON QUALITY INDEXES IN MINERAL DEPOSIT OPEN MINING

Zarubin Mikhail Yuryevich - Ph.D. (Eng.), associate professor, Head of Automation and Information Systems department, Rudny Industrial Institute, Kazakhstan. Phone: 8 (71431) 5-04-01-103. E-mail: zarubin_mu@mail.ru.

Fionin Evgeny Aleksandrovich - Ph.D. (Eng.), assistant professor, Metallurgy and Mining department, Rudny Industrial Institute, Kazakhstan. Phone: 8 (71431) 5-04-01-132. E-mail: fioninea@mail.ru

Danilets Ekaterina Valeryevna - M.Se., assistant professor, Automation and Information Systems department, Rudny Industrial Institute, Kazakhstan. Phone: 8 (71431) 5-04-01-103. E-mail: danilets_kate@mail.ru.

Abstract. Questions relevant to the mining industry concerning the impact of rock mass excavation engineering schemes on quality indexes in mineral deposit open mining have been considered. Depending on the face type, simple and selective extraction engineering schemes have been highlighted. The impact of the schemes of gross, simple and complex selective rock mass mining applied by power shovels on the parameters of quality stabilization of the mineral and costs has been considered.

Keywords: minerals, excavating and loading, simple gross mining, simple selective mining, complex selective mining.

References

1. Novozhilov M.G., Kucheryavy F.I., Khokhryakov V.S. The technology of mineral open-cast mining. Part 1. Moscow: Subsoil, 1971. 510 p.

2. Trubetskoy K.N., Trubetskoy M.G., Vinnitsky K.E., Melnikov N.V. Directory of open mining operations. Moscow: Mining, 1994. 590 p.

3. Report on the research project on the "Development of IC decision support in the formation of effective technological schemes stabilize the quality of the mineral" by the Program 055 «Scientific and / or scientific and technical activities». No. of state registration. 0112RK02423. Rudny, 2012, 113 p.

4. Ilyin S.A., Kovalenko V.S., Mankevich V.V. Resource-saving at open mining operations. Moscow: MGI, 1995, 149 p.

5. Cai L.A. Modern ways of conducting explosive works when carrying out excavations. The Mountain magazine of Kazakhstan. 2007, no. 7, pp. 9-11.

6. Hokhryakov V.S. Design of pits. Moscow: Subsoil, 1991, 392 p.

7. Fionin E.A. Definition of area of selective dredging at working off of contacts of low-power deposits. The Collection of reports of the seventh international scientific conference «Toporkovsky Readings». Release. 7, vol. 2. Rudny, RII, 2006, pp. 130-137.

8. Grachev F.G. Theory and practice of quality management of mineral raw materials. Moscow: Subsoil, 1985. 215 p.