Комплексный способ подготовки к выемке скальных и полускальных горных пород на карьерах и разрезах

Е.А. Кудряшов, В.И. Мирошников, Е.В. Нигай,

Д.Г. Данильченко, А.В. Гладырь

КОМПЛЕКСНЫЙ СПОСОБ ПОДГОТОВКИ К ВЫЕМКЕ СКАЛЬНЫХ И ПОЛУСКАЛЬНЫХ ГОРНЫХ ПОРОД НА КАРЬЕРАХ И РАЗРЕЗАХ

Эффективность открытой разработки месторождений ^-^твердых полезных ископаемых и их переработки в целом в значительной мере определяется уровнем как самой технологической подготовки горных пород к выемке, так и вызванных ею издержек производства, включая экологические.

Ныне подготовка горных пород к выемке осуществляется главным образом их разрушением взрыванием или механическим способом, редко - с применением физических способов и предварительного ослабления поверхностно активными веществами (ПАВ).

При этом, как правило, разрушается весь объем прочных горных пород (независимо от структурных и прочностных особенностей массива), что приводит к значительному расходу энергии, высокому уровню эксплуатационных затрат, увеличению издержек производства и снижению безопасности ведения горных работ с применением взрывного разрушения зарядами ВВ большого и среднего диаметров (243-320 и 180-220 мм).

В то время как практически нет массивов горных пород, слагающих месторождения скального и полускального типа, которые были бы изотропными в структурном отношении и однородными по петрологическому и вещественному составам и прочностным свойствам. Вследствие этого массивы горных пород в пределах карьерного поля, отрабатываемых горизонтов и уступов, а также эксплуатационных блоков и даже их отдельных частей подвержены не только образованию и развитию трещиноватости, но и расчленению на блоки различные по форме, прочности, параметрам (от нескольких сантиметров до десятков и более метров) и пространственному положению.

В качестве характерных примеров можно сослаться на множество отечественных и зарубежных рудных и нерудных месторождений и месторождений строительных горных пород. Даже,

казалось бы, однородное по структуре, прочности и вещественному составу Корфовское месторождение строительных горных пород, добываемых в качестве дорожного строительного материала, при детальном рассмотрении предстает сложенным относительно трещиноватым и блочным массивом гранодиоритов. Еще более расчлененным на элементарные блоки (вследствие воздействия на массив взрывных работ, т.е. техногенных динамических воздействий) предстает массив горных пород в пределах отрабатываемых уступов (рисунок).

Прямые эксплуатационные затраты на разрушение горных пород при открытой разработке месторождений твердых полезных ископаемых обычно составляют 20-30 % от общих эксплуатационных затрат на горные работы. Однако, влияние данного подготовительного технологического процесса на общую эффективность минерального производства, и, прежде всего,- горнопромышленного, в целом весьма значительно. И выражается оно во всех основных аспектах: экологическом, социальном, технологическом, техническом и нормативно-правовом.

Особенно значительно это влияние при разработке и освоении месторождений, сложенных крепкими и весьма крепкими горными породами скального типа.

К числу таких месторождений относится Корфовское магматическое месторождение гранодиоритов, расположенное в 23 км к югу от г. Хабаровска. Горные породы месторождения, перекрытые дресвой гранодиоритов мощностью 0,3-11,0 м, представлены главным образом, гранодиоритами, прорванными маломощными дайками порфиров, гранит-порфиров, аплитов, пор-фиритов и аплитовидных гранитов мощностью 0,3-1,0 м. Порфировые дайки имеют мощность до 10-12 м.

Месторождение разрабатывается открытым способом. Рыхление горных пород производится с помощью буровзрывных работ. Бурение взрывных скважин осуществляется шарошечными станками СБШ-200 с диаметром скважин 215 мм и станками ударно-вращательного бурения фирмы Атлас Копко (коронки диаметром 110 мм). Расстояние между скважинами порядка 25 их диаметров.

Физико-механические свойства горных пород и применяемая технология буровзрывных работ предопределяет высокий выход негабарита: по отчетным данным он составляет 5-6%, а фактически - гораздо больше.

Гранодиориты относятся к группе очень крепких и крепчайших горных пород с коэффициентами крепости от 15 до 20 баллов по шкале М.М. Протодьяконова. Высокая их прочность обусловлена геологическими особенностями формирования щелочноземельных гранодиоритовых магм на значительных глубинах.

Структура гранодиоритов, как правило, среднезернистая гранит-порфировая.

Как объекты производственного воздействия при горнопромышленном освоении, горные породы в целом нами подразделяются на категории, выделяемые в следующей иерархической последовательности:

Горные породы как исходные объекты освоения:

Геологоразведочных работ Проектирования горнопромышленных производств Строительства карьеров и разрезов

Разработки

Разрушения, осуществляемого в процессе ведения различных горных работ

Выемочно-пог^узочных работ Перемещения (главным образом, транспортирования) Отвалообразования Минеральной подготовки или обработки и первичной переработки

С позиций их разрабатываемости и обрабатываемости данные горные породы следует систематизировать исходя из следующих признаков, расположенных в иерархическом порядке:

Классификационные признаки горных пород:

Природа горных пород, т.е. их генезис Агрегатное состояние горных пород Строение массивов горных пород

I

Структура годных пород Текстура годных пород Вещественный состав горных пород Физико-механические свойства горных пород

I

Технические свойства горных пород

Технологические свойства горных пород

К основным свойствам горных пород месторождения с технологических позиций его разработки открытым способом целесообразно отнести нижеследующие.

I. Свойства и особенности массива горных пород в пределах карьерного поля:

1) относительная однородность его петрологического состава, представленного серыми гранодиоритами в пределах весьма крупного магматического тела - батолита.

2) весьма маломощная верхняя часть (от 0,5 до 10 м) массива, представленная существенно разрушенной горной породой.

3) наличие в массиве батолита маломощных (от 0,5 до 10-12 м) даек крутого и наклонного падения, сложенных в основном аплитовидными гранитами и порфиритами, которые имеют близкие физико-технические свойства, характеризующиеся, главным образом, крепостью пород коэффициент (крепости f = 15-18 по шкале проф. М.М. Протодьяконова).

II. Свойства главных горных пород (в массиве) месторождения гранодиоритов, которые имеют не только существенное, но и большое значение в деле обеспечения общей эффективности эксплуатации карьера.

Это - основные физико-технические свойства: хрупкость, крепость горных пород, их твердость, вязкость, дробимость, абразивность;

структурные: блочность, трещиноватость, структура и текстура горных пород месторождения.

Выделяемые нами свойства горных пород месторождения с позиций основных технологических процессов открытых горных работ представлены ниже.

I. При буровзрывном способе подготовки горных пород к выемке.

1. К основным свойствам горных пород при бурении скважин относим наиболее общее, интегральное свойство горных пород - их буримость, или трудность бурения.

В этом аспекте все горные породы В.В. Ржевским подразделяются на пять классов: легкобуримые; средней трудности бурения; труднобуримые; весьма труднобуримые и исключительно труднобуримые.

2. Аналогично оценке пород по буримости их оценка по разрушаемости взрыванием осуществляется с использованием наиболее общего критерия - трудности взрываемости, или взрываемость горных пород.

II. При выемочно-погрузочных работах.

Экскавация взорванной горной массы производится как при выемке из взорванного массива, представляющего чаще всего развал различной компактности (в зависимости от характера взрыва), так и при отгрузке ее из навала (у подошвы уступа), образовавшегося вследствие обрушения взорванной горной массы в забое, либо при отсыпании в процессе экскавации.

Следовательно, целесообразно выделять и оценивать свойства горной массы взорванного массива (в развале) и находящейся в навале.

К основным свойствам горной массы в массиве взорванного уступа относятся:

1) разрыхляемость, характеризуемая главным образом коэффициентом разрыхления (Кр), которая оказывает значительное влияние на производительность самого экскаватора (в отдельности) и горно-транспортного оборудования в целом. Как показывают наблюдения, коэффициент разрыхления горной массы во взорванном массиве находится (преимущественно) в пределах 1,20-1,40 - при взрывании горных пород на обнаженную плоскость откоса уступа, т. е. на подобранный забой;

2) кусковатость взорванной горной массы, которая на карьере изменяется в относительно широком диапазоне - от крупных (негабаритных) отдельностей (1-3м) до весьма мелких фракций, измеряемых несколькими миллиметрами; диаметр среднего куска горной массы изменяется в основном в пределах 320-410 мм (при взрывании скважин диаметром 215-220 мм); при данной кусковатости взорванной горной массы ее влияние на производительность выемочно-погрузочных работ выше, чем даже влияние коэффициента разрыхления;

3) плотность горной породы, которая изменяется в пределах отрабатываемого горизонта несущественно и составляет в среднем порядка 2,71-2,73 м3/т;

4) абразивность горной породы, которая значительно влияет на износ зубьев и самого ковша в целом; абразивность граноди-оритов месторождения весьма высокая;

5) форма кусков горной массы, которая оказывает существенное влияние как на продолжительность операций черпания и разгрузки, так и на заполнение ковша (снижая или повышая

коэффициент разрыхления горной массы в ковше экскаватора и коэффициент его наполнения).

Как показывает проведенные нами наблюдения, форма кусков взорванной горной массы не отличается разнообразием и характеризуется в основном неправильной призмой.

Основные свойства горной массы в навале при выемочнопогрузочных работах, как в количественном, так и в качественном отношении в принципе те же, что и во взорванном массиве, за исключением одного весьма существенного - разрыхления горной массы, которое в навале значительно выше. Оно характеризуется коэффициентом разрыхления 1,4-1,58.

III. Свойства горной массы, учитываемые при ее транспортировке.

На эффективность эксплуатации транспортных средств, в данных рассматриваемых условиях - автосамосвалов, существенное влияние оказывают:

1) кусковатость загружаемой и транспортируемой горной массы;

2) плотность горной породы;

3) абразивность горной породы;

4) влажность горной массы, которая значительно возрастает против естественной (природной) в период выпадения осадков в виде дождя и мокрого снега, становясь в несколько раз выше естественной.

Количество горной массы, доставляемой и размещаемой в отвалы вскрышных пород, весьма незначительно и составляет не более 7 % от общего количества горной массы, добываемой на карьере в количестве от 200 до 350 тыс. м3 в год (в зависимости от запросов потребителей).

Несколько иной комплекс свойств горной массы составляет их совокупность при механическом дроблении. Однако основные свойства горных пород при механическом их разрушении в карьере и дроблении на дробильно-сор-тировочном комплексе -предмет специального рассмотрения.

В целом, в условиях существенной, а тем более - значительной параметрически переменной блочности массивов горных пород, свойственной почти всем месторождениям твердых полезных ископаемых скального и полускального типов, широкое применение для разрыхления горных пород взрывных скважин

большого (243-320 см и более) и даже среднего диаметра (180220 см) часто не обеспечивает необходимого качества дробления горных пород, характеризуемого главным образом размером средней кусковатости горной массы и выходом негабарита. В частности, использование взрывных скважин шарошечного бурения диаметром 215 мм на Корфовском карьере предопределило значительный выход негабарита (рисунок).

В целях существенного снижения издержек производства, включая энергозатраты, а также повышения качества подготовки горных пород к выемочно-погрузочным работам на карьерах и разрезах нами предложен комплексный (он же и комбинированный) способ рыхления разноблочных и разнопрочных горных пород, на который получено положительное решение ФИПС.

Данный способ рыхления (разрушения) скальных и полус-кальных, а также весьма плотных горных пород включает следующие основные технологические операции, выполняемые в определенной последовательности:

• получение исходной информации об основных структурно-прочностных свойствах всех типов и видов горных пород, слагающих массив карьерного поля и характеризующих их раз-рушаемость;

• детальное районирование горных пород в пределах отрабатываемого горизонта или его отдельных участков;

• выделение эксплуатационных блоков в пределах отрабатываемых уступов, а в эксплуатационных блоках - элементарных блоков, представленных однородным (по основным свойствам) горными породами;

• разработку и отладку компьютерной программы, позволяющей в автоматизированном режиме принимать и обрабатывать поступающую информацию о свойствах и особенностях горных пород, задавать рациональные параметры, режимы и последовательность выполнения технологических операций, связанных с обеспечением эффективного разрушения горных пород;

• непосредственное рыхление (разрушение) горных пород при отработке рабочих уступов как основного, по существу, технологического процесса во всем комплексе комбинированной

подготовки горных пород к массовым выемочно-погрузочным работам;

• вспомогательную экскавационную выемку, выполняемую в малых объемах при осуществлении разрыхления горной породы, слагающих промежуточные элементарные блоки.

При данном комбинированном способе подготовки горных пород к выемке их рыхление (разрушение) осуществляется глубоко избирательно и в полном соответствии со структурнопрочностными свойствами горных пород, слагающих отрабатываемый горизонт карьерного поля или эксплуатационный блок. Рыхление (разрушение) горной породы каждого элементарного блока осуществляется одним из технологических способов, входящих в общий комплекс способов, который может быть реализован универсальным мобильным агрегатом.

Данный комплекс включает следующие способы: буровзрывной, механический, пневматический, физический (физические), гидравлический, комбинированный.

При этом плотные и относительно непрочные полускальные горные породы подвергаются механическому разрушению с использованием каких-либо следующих технических средств рыхления:

- технического устройства, оборудованного одним, двумя или тремя зубьями (по типу традиционного навесного рыхлителя, но более портативного и технически эстетичного и эргономичного);

- устройства с пластинчатыми металлическими штырями, внедряемые в горную породу гидроцилиндрами, и с захватами, с помощью которых можно отделять горную породу от слагаемого ею массива уступа путем расклинивания.

Относительно крепкие полускальные и средней крепости скальные горные породы предусматривается разрушать с помощью энергии сжатого воздуха.

Крепкие полускальные и скальные горные породы, слагающие элементарные блоки или в целом эксплуатационные блоки, в большинстве случаев целесообразнее разрушать буровзрывным способом. При этом предусматривается бурение скважин или шпуров (в зависимости от конкретных геологических и горнотехнических условий) диаметром 16^ 150 мм.

Бурение таких скважин и шпуров может осуществляться вращательным, либо вращательно-ударным, либо ударновращательным или комбинированным способом - в зависимости от буримости пород. Соответствующие буровые машины размещаются в специальной секции мобильного агрегата.

Взрывание шпуров и скважин малого диаметра осуществляется детонирующим шнуром или патронированные низкобризантным взрывчатым веществом. Низкобризантное ВВ инициируется при взрывании лазерным импульсом.

При этом разрушение горных пород взрыванием осуществляется под локальным укрытием мобильного агрегата.

Небольшие включения более крепких пород в менее крепких (например, песчаников или известняков в алевролитах и аргиллитах), а также негабаритные куски предусматривается разрушать механическим способом - ударом, в частности, - гидроударником. Выемка и погрузка образовавшейся при этом горной массы производится вспомогательным экскавационным устройством мобильного агрегата.

Мобильный агрегат, оборудованный комплексом технических устройств для осуществления избирательного рыхления горных пород, представляет собой относительно сложную конструкцию и, естественно, его стоимость будет существенно выше, чем машины (например, легкого бурового станка) для выполнения той или иной отдельной технологической операции. Однако такой агрегат, в конечном счете, может обеспечить целый ряд положительных результатов, поскольку позволяет:

1) снизить эксплуатационные затраты на подготовку горной породы к выемке, на выемочно-погрузочные и транспортные расходы;

2) существенно сократить энергозатраты;

3) снизить нагрузку на окружающую среду, т.е. повысить экологичность открытых горных работ;

4) увеличить производительность и культуру труда при производстве открытых горных работ;

5) повысить безопасность работ при основных технологических процессах и операциях на карьерах и разрезах.

Кроме того, применение данного способа подготовки горных пород к выемке позволит применять поточную технологию

открытой разработки месторождений скального и полускального типов.

— Коротко об авторах -----------------------------------------------

Секисов Г.В. - доктор технических наук, профессор, заведующий лабораторией, Институт горного дела ДВО РАН,

Левин Д.В. - генеральный директор,

Матушкин Г.В. - главный инженер,

ОАО «Корфовский карьер»

Кудряшов Е.А. - доктор технических наук, профессор, Читинский государственный технический университет,

Мирошников В.И. - кандидат технических наук, старший научный сотрудник,

Нигай Е.В. - кандидат геолого-минералогических наук, старший научный сотрудник,

Гладырь А.В. - аспирант,

Данильченко Д.Г. - младший научный сотрудник,

Институт горного дела ДВО РАН.