Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Обоснование конструкции и технологии формирования проектных бортов рудных карьеров с использованием анкерно-тросово-сетчатых завес

ВАК РФ 25.00.22, Геотехнология(подземная, открытая и строительная)

Автореферат диссертации по теме "Обоснование конструкции и технологии формирования проектных бортов рудных карьеров с использованием анкерно-тросово-сетчатых завес"

ОБЯЗАТЕЛЬНЫЙ БЕСПЛАТНЫЙ ЭКЗЕМПЛЯР

На правах рукописи

Мелихов Михаил Владимирович

ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ И ТЕХНОЛОГИИ ФОРМИРОВАНИЯ ПРОЕКТНЫХ БОРТОВ РУДНЫХ КАРЬЕРОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АНКЕРНО-ТРОСОВО-СЕТЧАТЫХ ЗАВЕС

Специальность 25.00.22 — «Геотехнология (подземная, открытая и строительная)»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

16 ОКТ 2014

Апатиты 2014

005553409

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Горном институте Кольского научного центра Российской академии наук

Научный руководитель:

доктор технических наук Решетняк Сергей Прокофьевич. Официальные оппоненты.

Квитка Валерий Васильевич - доктор технических наук, профессор, ЗАО «Механобр инжиниринг», директор по развитию.

Чебаков Антон Валерьевич - кандидат технических наук, ООО «БАСФ Строительные системы», специалист.

Ведущая организация:

ОАО «Научно-исследовательский институт горной геомеханики и маркшейдерского дела - Межотраслевой научный центр ВНИМИ».

Защита состоится « 27 » ноября 2014 г. в 16.00 на заседании диссертационного совета Д 002.029.01 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Горном институте Кольского научного центра РАН по адресу: 184209, г. Апатиты Мурманской области, ул. Ферсмана, 24.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте Федерального государственного бюджетного учреждения науки Горного института Кольского научного центра РАН (http://www.goikolasc.ru').

Автореферат разослан «_» сентября 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н.

Чуркин

Олег Елиферович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Вопросами совершенствования методов и способов постановки бортов карьеров в предельное положение занимались: А.И. Арсентьев, Э.Л. Галустьян, A.M. Гальперин, A.M. Демин, В.Г. Зотеев, А.И. Ильин, В.В. Квитка, A.A. Козырев, В.И. Малютин, B.R Попов, С.П. Решетняк, Г.Л. Фисенко, A.B. Чебаков, С. Brawner, Е. Ноек и др. Из работ предшественников известно, что формирование бортов с повышенными углами наклона (далее по тексту — крутых бортов) позволяет горнодобывающему предприятию радикально повысить эффективность разработки месторождения полезных ископаемых открытым способом за счет включения в контур карьера значительного объема руды и в целом снижения затрат на вскрышные работы. Однако при этом повышается вероятность деформаций уступов карьера, и, следовательно, снижается безопасность ведения горных работ.

Стоит отметить, что согласно действующим «Единым правилам безопасности при разработке месторождений полезных ископаемых открытым способом» руководитель горнодобывающего предприятия обязан обеспечить безопасные условия труда на каждом рабочем месте. Однако до настоящего времени вопросы безопасности оборудования и персонала в карьере в зоне ведения активных горных работ решались без учета количественной оценки их защищенности от падающих кусков породы (КП) из откосов уступов.

Кроме того, в условиях крутых бортов карьеров назрела необходимость в совершенствовании способов стабилизации откосов уступов от их локальных обрушений и осыпаний, а также в разработке на их основе новых технических решений для обеспечения безопасной эксплуатации таких участков.

Таким образом, проведенный анализ теории и практики ведения открытых горных работ показал, что задачи технологии формирования крутых бортов с обеспечением требуемой защиты оборудования и персонала от падающих КП из откосов уступов являются актуальными и решены не полностью.

Цель работы заключается в обосновании конструкции и технологии формирования крутых бортов рудных карьеров с использованием защитных систем на основе анкерно-тросово-сетчатой завесы для стабилизации откосов уступов.

Основная идея работы заключается в разработке и использовании критерия количественной оценки защищенности оборудования и персонала от падающего куска породы из откоса уступа при обосновании защитных систем на основе анкерно-тросово-сетчатой завесы, включаемых в технологию формирования крутого борта на конечном контуре рудного карьера.

Задачи исследований:

1. Анализ практики проектирования и эксплуатации бортов, сформированных уступами с крутонаклонными и вертикальными откосами на конечных контурах рудных карьеров, с обеспечением необходимой защиты оборудования и персонала от падающих кусков породы.

2. Обоснование степени защищенности рабочих мест в карьере с учетом механической энергии падающего куска породы и индекса поглощения энергии устройства и средства защиты оборудования и персонала.

3. Совершенствование способа стабилизации откосов уступов на основе анкерно-тросово-сетчатой завесы и обоснование надежности принятых решений.

4. Обоснование технологии формирования крутого борта рудного карьера без предохранительных берм с использованием защитных систем на основе анкерно-тросово-сетчатой завесы.

Научная новизна работы:

1. Разработана классификация способов обеспечения безопасности оборудования и персонала в зоне падения кусков породы в зависимости от их назначения, а также усовершенствована классификация способов борьбы с процессами деформаций уступов и бортов с учетом использования улавливающих инженерных сооружений.

2. Предложено степень защищенности оборудования и персонала, работающих на карьерах в зонах падения кусков породы, оценивать значением индекса поглощения механической энергии, который характеризует способность устройства и средства их защиты гасить энергию удара падающих предметов.

3. Разработана четырехуровневая шкала опасности рабочих зон в карьерах, характеризующаяся местом размещения оборудования и персонала и значением индекса поглощения энергии используемого устройства и средства защиты от падающих кусков породы.

4. Усовершенствован способ стабилизации откосов уступов, отличающийся изменением сочетания несущих анкеров, тросов, столбов, фундаментной основы и покровного материала при совместном использовании анкерно-тросово-сетчатой завесы и вспомогательных ограждений.

5. Обоснована технология формирования крутых бортов, на которых уступы склонны к локальным обрушениям и осыпаниям, без оставления предохранительных берм за счет использования защитных систем на основе анкерно-тросово-сетчатой завесы.

Практическое значение работы:

1. Предложенный метод локализации опасной зоны на уступе, склонном к локальным обрушениям и осыпаниям, был применен на карьере ОАО «Ковдорский ГОК» при оптимизации работ по стабилизации откосов уступов, который также может быть применен на других предприятиях при падении куска породы в режиме свободного падения.

2. Разработанный способ стабилизации откосов уступов был принят инстшутом ООО «СПб-Гипрошахт» для проектирования бортов карьеров в скальных и полускальных горных породах, его внедрение повысит уровень безопасности открытых горных работ при опасности локальных обрушений и осыпаний уступов и устранит потенциальные затраты на ликвидацию последствий, связанных с ними.

3. Внедрение предложенной технологии формирования крутого борта без предохранительных берм с использованием защитных систем на основе анкерно-тросово-сетчатой завесы позволит повысить условия безопасности в карьере до требуемого уровня.

Методы исследований. Обобщение и анализ практики проектирования и опыта постановки бортов карьеров на предельный контур, аналитические и графоаналитические методы с использованием графических моделей, экспериментальные методы.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Степень безопасности рабочего места, расположенного вблизи склонного к локальным обрушениям и осыпаниям откоса уступа, определяется предложенным критерием — индексом поглощения механической энергии падающего куска породы устройством и средством защиты оборудования и персонала.

2. При проектировании конечных контуров рудных карьеров, уступы которых склонны к локальным обрушениям и осыпаниям, использование защитных систем на основе анкерно-тросово-сетчатой завесы позволит формировать крутые борта без предохранительных берм.

3. Повышение степени защищенности рабочих мест на уступах в условиях крутых бортов достигается использованием анкерно-тросово-сетчатых завес различной конструкции, исключающих травмы персонала, потери и повреждения горного оборудования от падающих с откосов кусков породы.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается применением в работе современных апробированных методов исследований; сопоставимостью с данными практики ведения горных работ, в том числе опытом рудного карьера «Железный» ОАО «Ковдорский ГОК»; соответствием исходных данных действующим сертифицированным стандартам, ГОСТам и справочной информации; экспериментальными исследованиями.

Апробация работы. Основные научные положения и результаты исследований докладывались и обсуждались: на научных семинарах Горного института КНЦ РАН; Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Проблемы и тенденции рационального и безопасного освоения георесурсов» (Апатиты, 2010); Международной научно-практической конференции «Открытые горные работы в XXI веке» (Красноярск, 2011); Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Глубокие карьеры» (Апатиты, 2012); Международной конференции «Горнодобывающая промышленность Баренцева Евро-Арктического региона: взгляд в будущее» — «Государство и горная промышленность. Региональная практика и новые тенденции» (Кировск, 2012); Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Мониторинг природных и техногенных процессов при ведении горных работ» (Апатиты, 2013).

Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано 11 работ и зарегистрирована заявка на одно авторское свидетельство. При этом две работы опубликованы в издании, рекомендованном ВАК Минобрнауки РФ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, приложения и содержит 141 страницу текста, включая 28 рисунков, 16 таблиц и список используемой литературы, состоящий из 107 наименований.

Автор считает своим долгом выразить искреннюю благодарность научному руководителю работы доктору технических наук Решетняку Сергею Прокофьевичу за помощь в постановке проблемы, содержательные консультации и советы при выполнении диссертации. Следует с признательностью отметить заинтересованность, поддержку и помощь в проведении исследований сотрудников Горного института КНЦ РАН. Автор благодарен работникам ООО НПК «ГеоПолимер», ОАО «МГРЭ», Геологического института КНЦ РАН и ОАО «Ковдорский ГОК» за предоставленные данные, консультации и сотрудничество.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дается общая характеристика работы.

В первой главе приведен обзор литературы и анализ современного состояния вопроса по формированию и эксплуатации крутых бортов карьеров.

Во второй главе представлено теоретическое обоснование защищенности рабочих мест в карьере на участках потенциального падения кусков породы из откосов уступов.

В третьей главе изложен подход к выбору защиты оборудования и персонала от падающих кусков породы; охарактеризован усовершенствованный способ стабилизации откосов уступов, а также технология формирования бортов карьеров без предохранительных берм.

В четвертой главе приведены рекомендации по применению разработанных методических подходов на примере рудного карьера «Железный» ОАО «Ковдорский ГОК».

В заключении кратко охарактеризованы основные результаты, полученные в ходе выполнения работы.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Степень безопасности рабочего места, расположенного вблизи склонного к локальным обрушениям и осыпаниям откоса уступа, определяется предложенным критерием — индексом поглощения механической энергии падающего куска породы устройством и средством защиты оборудования и персонала.

Для условий крутых бортов был разработан методический подход (рис.1) к локализации опасной зоны на уступе, склонном к обрушениям и осыпаниям, на основе количественной оценки защищенности рабочих мест.

4 1. Анализ состояния уступов и технологам ведения открытых горных работ на участке потенциального падения куска породы (КП):

л Конструктивные параметры объекта •Ч Параметры применяемого оборудования ' - Тип используемой защиты -N Параметры потенциально падающего КП

г------- 2. Локализация опасной зоны на участке потенциального падения КП:

Определение границы зоны падения КП Определение степени защищенности оборудования и персонала от падающих КП

Безопасная

Потенциально опасная

Рис. 1 — Блок-схема методического подхода к локализации опасной зоны на уступе крутого борта карьера, склонного к обрушениям и осыпаниям

Представленный на рис.1 подход сводится к следующему. На первом этапе на основе геологической и геомеханической информации проводится анализ состояния уступов и технологии ведения открытых горных работ на выявленном участке потенциального падения куска породы (КП). В качестве исходной информации рассматриваются:

■ Конструктивные параметры исследуемого объекта (высота и угол откоса уступа, ширина участка бермы для размещения падаюгща КП и высота дорожного покрытия). Конструктивные параметры объекта устанавливаются проектом. Как правило, в практике ведения открытых горных работ распространены уступы высотой 6-15 м. При отработке крупных карьеров на их конечном контуре уступы сдваиваются, страиваются и т. д., а их откосы формируются с крутонаклонными (75-89°) и вертикальными углами, что повышает эффективность открытой разработки, но снижает безопасность. Для таких уступов характерным является режим свободного падения КП. На карьерах высота дорожного покрытия и ширина участка бермы для размещения падающих КП из откосов уступов составляют, как правило, 0,5-1 и 2-10 м, соответственно.

■ Параметры применяемого оборудования (высота оборудования по кабине оператора). На карьерах при ведении горных работ используется оборудование, отличающееся по высоте своей конструкции и расположению кабины оператора, как правило, в пределах 2,5-9 м.

■ Типы используемой зашиты (устройство и средство зашиты оборудования и персонала). В соответствии с решениями, принятыми в Женеве Международной организацией труда, все машины, механизмы и установки любой конструкции и назначения, используемые в связи с разработкой карьера, следует оснащать защитными устройствами. В настоящее время в практике открытых горных работ согласно ГОСТ Р 41.29-99 кабина оператора оборудования в случае аварии должна максимально устранить опасность ранения находящихся в ней лиц и в соответствии с ГОСТ Р ИСО 3449-2009 (ISO Standart 3449) на основном и вспомогательном карьерном оборудовании для защиты оператора от проникновения в кабину падающих предметов различной формы устанавливается устройство Failling-Object Protective Structures (FOPS), механизм работы которого заключается в поглощении в момент удара энергии падающего предмета. Защищенная устройством FOPS кабина применяется практически на всех видах и типоразмерах машин, поставляется в двух вариантах конструктивного исполнения (в качестве интегрированной части машины или дополнения к конструкции машины) и представлено двумя уровнями защиты: уровень I и уровень II с энергией поглощения конструкцией 1,365 и 11,6 кДж, соответственно. В свою очередь, персонал обязан носить на голове строительную каску, которая в соответствии с ГОСТ 12.4.087-84 должна иметь амортизационную способность и выдерживать энергию удара 0,05 кДж.

В зависимости от установленной заводами-производителями (в соответствии с действующими ГОСТами) энергии поглощения используемого устройства FOPS и строительной каски, они обладают способностью противостоять проникновению падающего КП в кабину оператора оборудования или на голову человека, соответственно, при определённых соотношениях массы КП и высоты его падения (рис. 2 позиции а, б и в).

" Параметры потенциально падающего КП (плотность, объем, масса. место залегания в откосе уступа). Образование заколов КП в откосах уступах обусловлено наличием в массиве пород естественных систем трещин и проведением взрывных работ, в результате которых в уступах преимущественно в районе верхней бровки возникают новые поверхности скольжения. Параметры потенциально падающего КП устанавливаются на основе специальных геологических и геомеханических исследований для конкретных условий разрабатываемого месторождения.

а)

б)

в)

Рис. 2 — Зависимость допустимой высоты падения КП от его массы при использовании устройства и средства защиты оборудования и персонала: где а и б; в- FOPS Уровень I и Уровень II; строительной каски, соответственно

На втором этапе производится локализация опасной зоны на участке потенциального падения КП в зависимости от условий безопасности ведения открытых горных работ, что включает следующие приведенные ниже расчеты.

■ Определение гранииы зоны падения КП на основе расчета дальности его падения относительно нижней бровки уступа.

При расчете дальности падения КП из откоса крутонаклонного и вертикального уступа следует учитывать зависимость ее значений от его высоты и параметров (ширины и угла) сработай его верхней бровки, а также физико-механических свойств горных пород и состояния поверхности плоскости скольжения. В качестве рекомендуемой по определению границы зоны падения КП может служить методика Фокина В.А., учитывающая все вышеперечисленные параметры и апробированная в промышленных условиях карьера «Железный» ОАО «Ковдорский ГОК».

■ Определение степени защищенности оборудования и персонала от падающих КП на основе индекса поглощения энергии используемой зашиты.

При ведении горных работ существует риск возникновения аварии в результате удара падающего КП по кабине оператора оборудования или каске персонала. В данной работе при движении КП в режиме свободного падения, рассматривался абсолютно неупругий (отсутствие отскока) удар КП об устройство и средство защиты оборудования и персонала. В этом случае коэффициент восстановления механической энергии после удара равен нулю, поэтому вся энергия падающего КП переходит в энергию деформации устройства и средства их защиты.

Очевидно, что в этом случае обеспечение безопасности оборудования и персонала, ведущих горные работы в зоне падения КП, выполняется тогда, когда энергия поглощения используемого устройства и средства их защиты больше или равна механической энергии, которой обладает падающий КП:

Е3 >ЕШ = ту. %у.У1п,кДж, (1)

где Ез - энергия поглощения используемой защиты, кДж; Екп - механическая энергия падающего КП, кДж; т - масса падающего КП, т; # = 9,81 - ускорение силы тяжести, м/с2; Ип - высота падения КП, м.

Примечательно, что энергия поглощения используемого устройства и средства защиты оборудования и персонала от падающих предметов различной формы устанавливается заводами-производителями и указывается в действующих ГОСТах. Поэтому их способность поглощать механическую энергию при прямом ударе, возникающую при движении КП определённой массы (или это могут быть одновременно несколько КП, но с тем же общим весом) в режиме свободного падения, предлагается определять по следующему критерию, названному индексом поглощения энергии из выражения:

Е3

ИПЭ =—, тхм (2)

9

Примечание: ИПЭ = 1,18; 0,14 и 0,0051 тхм - для защитного устройства FOPS Уровень II; FOPS Уровень I и строительной каски, соответственно.

Требуемая с точки зрения безопасности величина данного показателя зависит от конструктивных параметров уступа карьера (рис. 3) и нарушенное™ вмещающего массива пород следующим образом-ИПЭ,

треб

= mxh„ = mx (hy - h„ - Нов ~ К) < ИПЭ, тхм

(3)

где пу - высота уступа карьера, м; к„ - местоположение закола КП по центру масс относительно верхней бровки откоса уступа, м; коб - высота оборудования по кабине, м; Ид - высота дорожного покрытия, м.

4

Оборудование

-1

Рис. 3 — Расчетная схема по определению высоты падения КП

Следовательно, в условиях крутого борта карьера степень угрозы нанесения ущерба оборудованию и персоналу падающим КП (рис. 4) устанавливается из следующего неравенства:

ИПЭиреб < ИПЭ ИПЭ треб = ИПЭ ИПЭ^б > ИПЭ ■

безопасно;

■ потенциально опасно; опасно

(4)

Из рис. 4 видно, что используемые устройство и средство защиты оборудования и персонала должны иметь такое значение ИПЭ, при котором будет обеспечиваться поглощение механической энергии падающего КП.

О 1000 20С0 3000 4003 5000 6000 7000 8000 Энергия падающего куска породы Екп. кДж

рис 4 — Определение степени угрозы нанесения ущерба оборудованию и персоналу падающим КП по индексу поглощения энергии (ИПЭ) используемой

защиты (примечание: выбранный диапазон обусловлен способностью известных устройств защиты поглощать энергию падающих предметов до 8000 кДж, чему соответствует ИПЭ = 815 m *м)

Таким образом, предложенный подход к локализации опасной зоны на уступе, склонном к обрушениям и осыпаниям, позволяет количественно оценить защищенность рабочих мест в условиях крутых бортов (табл. 1).

Таблица 1

Дифференциация степени защищенности рабочих мест на уступах, склонных к обрушениям и осыпаниям, для условий крутых бортов карьеров

Ситуации ведения горных работ относительно места падения куска породы (КП) Расчетная формула для определения степени угрозы нанесения ущерба Степень угрозы нанесения ущерба Шкала опасности Условия безопасности

Вне зоны падения КП - Отсутствует 0 Безопасные

В зоне падения КП ИПЭтреб < ИПЭ Безопасна I

ИПЭтреб = ИПЭ Потенциально опасна II Потенциально опасные

ИПЭтреб > ИПЭ Опасна III Опасные

2. При проектировании конечных контуров рудных карьеров, уступы которых склонны к локальным обрушениям и осыпаниям, использование защитных систем на основе анкерно-тросово-сетчатой завесы позволит формировать крутые борта без предохранительных берм.

Принимать решение по обеспечению безопасных условий труда на рабочих местах в карьерах предлагается с учетом количественной оценки их защищенности.

Существующие способы обеспечения безопасности оборудования и персонала можно условно разделить на две группы: пассивные (средства защиты) и активные (средства борьбы). Применять первые целесообразно в безопасных и потенциально опасных, а последние — в опасных условиях.

Пассивные способы выбираются по данным, используемым при проектировании карьера. Их применение позволяет снизить ущерб от падения КП из откосов уступов в рабочее пространство карьера за счет соблюдения правил его технической эксплуатации и контроля за их соблюдением. К ним отнесены устройство и средство индивидуальной защиты оборудования и персонала, соответственно. Их наличие обязательно.

Активные способы выбираются по данным, получаемым в ходе проведения эксплуатационных работ. Их применение позволяет максимально предотвратить ущерб от падения КП из откосов уступов в рабочее пространство карьера за счет выполнения дополнительных мероприятий. К ним отнесены: укрепление уступов и бортов; использование улавливающих инженерных сооружений и их комбинация.

В качестве рекомендуемого способа предлагается применять защитные системы (ЗС), разработанные совместно с ООО НПК «ГеоПолимер», основанные на использовании анкерно-тросово-сетчатой завесы (АТС-завесы) (рис. 5 позиция а) и вспомогательных ограждений (ВО) (рис. 5 позиция б), параметры которых определяются типовым проектом на основе расчета приложенных нагрузок.

АТС-завеса устанавливается на поверхности неустойчивого участка уступа и представляет собой силовую сеть, состоящую из смонтированных над покровным материалом 4 (в качестве покровного материала служит металлическая, полимерная или композитная сетка) вертикальных 1 и горизонтальных 2 тросов. Предварительно на верхней берме уступа с помощью самоходных буровых установок монтируются «усиленные» анкеры 3, на которых устанавливается горизонтальный трос 2 и на откос уступа с помощью строительного крана навешивается покровный материал 4. На «усиленных» анкерах 3 закрепляются вертикальные тросы 1, к которым с определённым шагом монтируются горизонтальные тросы 2. Пересечения тросов соединяются на предварительно установленных анкерах 5 (для

укрепления вмещающих пород) или специальными зажимами (для контроля за траекторией падения КП до уровня бермы). На отдельных анкерах могут устанавливаться измерительные датчики б для мониторинга состояния элементов АТС-завесы.

а) б) ^ 1? m q д 7 11 А-А

Рис. 5 — Схема элементов ЗС, где а и б-элементы АТС-завесы и ВО,

соответственно: 1 - вертикальный трос; 2 — горизонтальный трос;

3 - «усиленный» анкер; 4 - покровный материал; 5 - анкер или зажим; б - измерительный датчик; 7 - фундаментная основа; 8 - несущий столб;

9 - промежуточный столб; 10 - поддерживающий элемент;

11 - соединительный крепеж; 12 - светоотражательное устройство

ВО на верхней берме уступа устанавливается вместо вала и представляет собой заранее подготовленное железобетонное ограждение или фундаментную основу 7, на которую устанавливаются несущие 8 и промежуточные 9 столбы, усиленные поддерживающими элементами 10. На столбах 8 и 9 закрепляются горизонтальные тросы 2 с помощью соединительных крепежей 11. На тросах 2 монтируется покровный материал 4 ив верхней части несущего столба 8 устанавливается светоотражательное устройство 12. ВО на нижней берме уступа представляет собой аналогичную конструкцию за исключением отсутствия фундаментной основы.

Принцип работы данной ЗС заключается в удержании КП на месте или в управлении траекторией его падения до уровня бермы при активном (рис. 6 позиция а) или пассивном (рис. 6 позиция б) типе ее конструкции, соответственно.

Пассивный тип конструкции ЗС рекомендуется применять при энергии падающего КП до 8000 кДж. Если энергия падающего КП превышает эти значение, то рекомендуется применять активный тип конструкции ЗС при удержании его на месте с пределом прочности на растяжение до 1770 МПа. Если возможно использование обоих вариантов ЗС, то на основе технико-экономической оценки выбирается наиболее приемлемый из них.

Рис. 6 — Схема монтажа ЗС на основе А ТС-завесы, где а и б- активного и пассивного типа ее конструкции, соответственно: 1 - «сплошной» откос борта карьера: 2 - нарушенная зона; 3 - АТС-завеса; 4 - трос; 5 - анкер; 6 - тросовый зажим; 7 - ВО

Т.к. покровный материал, используемый в ЗС, тестируются падением предмета в вертикальной плоскости, то надежность его применения можно оценить по критерию ИПЭ в зависимости от энергии поглощения используемых материалов и массы падающего КП.

Очевидно, что используемая защита является надежной в том случае, если она выдерживает падение с некоторой высоты КП определенной массы, т. е. с учетом действующих нормативных требований, предъявляемых к ее надежности, должно выполняться следующее условие:

ипэ ^ , _

где к» — 1,2 — коэффициент надежности при проектировании инженерной защиты согласно СНиП 2.01.15-90.

Стоит заметить, что уровень защиты при использовании покровного материала на несколько порядков выше, чем устройства и средства защиты оборудования и персонала. Первые имеют значение ИПЭ в пределах 10,2 ^ 815 т*м, последние — всего лишь 0,0051 1,18 т*м. Следовательно, применение ЗС на основе АТС-завесы при формировании высоких уступов может обеспечить требуемый уровень защиты оборудования и персонала от КП небольшого веса вследствие их локальных обрушений и осыпаний. Например, использование ЗС с максимальной энергией поглощения 8000 кДж обеспечит защиту оборудования от падающего КП весом: до 22,7 т (= 7,5 м3); 11,4 т

(= 3,8 м3); 7,6 т 2,5 м3) и 5,7 т 1,9 м3) — при высоте уступа 30; 60; 90 и 120 м (при плотности горных пород р = 3 т/м3), соответственно (рис. 7).

Масса падающего куска породы т. т

Рис. 7— Выбор ЗС на основе АТС-завесы по критерию ИПЭ в зависимости от энергии ее поглощения, массы падающего КП и требуемого индекса поглощения энергии защиты (ИПЭтреб)

В связи с вышесказанным предлагается крутые борта на конечных контурах рудных карьеров формировать без оставления предохранительных берм, функцию которых будут выполнять ЗС на основе АТС-завесы.

Предлагаемая технология формирования крутого борта заключается в следующем. Сначала выполняется отработка (обосновывается технологией проведения буровзрывных работ) вмещающего массива пород на всю высоту участка борта или послойно уступами с формированием «сплошного» откоса борта. При осуществлении процесса бурения взрывных скважин на следующий горизонт нижняя бровка верхнего уступа совмещается с верхней бровкой нижнего уступа. Уборка горной массы производится после проведения взрывных работ на каждом горизонте. Затем выполняется оборка откосов уступов от заколов с последующим монтажом ЗС на основе АТС-завесы. Поскольку основным критерием безопасности открытой разработки является коэффициент запаса устойчивости борта карьера, то такая конструкция борта и предлагаемая технология ее формирования должны обеспечить достижение его проектной величины.

Применять предложенную технологию рекомендуется при формировании бортов (или группы уступов), которые нельзя передвинуть в более

благоприятное положение из-за больших объемов горных работ на вышележащих уступах или наличия объектов на бортах и промплощадке, перенос которых экономически не целесообразен. При этом эти участки имеют такое геологическое строение и/или такие свойства слагающих уступы пород, какие сразу или в процессе эксплуатации карьеров приведут к локальным деформациям уступов, связанным с их обрушениями и осыпаниями.

Целесообразность предложенной технологии вытекает из обеспечения требуемого уровня безопасности ведения открытых горных работ с исключением ущерба предприятию:

Ц = Цуб + Цоб + Цчел + Цпк- руб., (6)

где Цуб; Цоб; Цчел и Цпк - затраты, связанные с уборкой упавшего КП; с повреждением оборудования; с причиненным ущербом здоровью персонала и с восстановлением режима карьера, соответственно, руб.

3. Повышение степени защищенности рабочих мест на уступах в условиях крутых бортов достигается использованием анкерно-тросово-сетчатых завес различной конструкции, исключающих травмы персонала, потери и повреждения горного оборудования от падающих с откосов кусков породы.

Разработанные методы и рекомендации были применены к рудному карьеру «Железный» ОАО «Ковдорский ГОК». На основе инженерно-геологической и геомеханической информации была показана возможность формирования конструкции борта высотой до 120 м (с сохранением конструктивного угла его наклона) без предохранительных берм с использованием ЗС на основе АТС-завесы на участках развития клиновидных деформаций уступов (рис. 8).

Генеральным проектировщиком ОАО «Гипроруда» на данном карьере предусмотрена механизированная очистка предохранительных берм бульдозерами ДЭТ-250 и ДЭТ-320, при выполнении которой они находятся в зоне падения КП из откосов уступов. Следовательно, безопасность их работы обеспечивается при массе падающих КП, не превышающих ее допустимые значения (рис. 9).

На рассматриваемых участках объем падающего КП может достигать до 1 м3 с весом до 3,19 т в зависимости от литотипа горных пород. В этой ситуации ИПЭ устройства FOPS, установленного на кабинах данных бульдозеров, не обладает требуемым значением (табл. 2). Поэтому их работа при очистке предохранительных берм производится в опасных условиях. Следовательно, проектом должны быть предусмотрены активные способы, обеспечивающие безопасную эксплуатацию этих участков.

Рис. 8 — Участки предполагаемого размещения ЗС на основе АТС-завесы по инженерно-геологическим секторам (ИГ) рудного карьера «Железный» ОАО «Ковдорский ГОК» (МГРЭ, ГИ и ГоИКНЦРАН, 2013): где ТУШ — ИГ; 1-5 —участкиразмещения ЗС

■-При ho6 = 9.0 м •-При Ьоб = 8.5 » «-При Ьоб - 8.0 м КПри Ьоб = 7,5 м ►-При Ьоб = 7.0 м —При Ьоб = 6.5 м —При Ьоб =6.0 м ^При Ьоб = 5,5 м »-При Ьоб = 5,0 м §-При Ьоб = 4.5 м »-При Ьоб = 1,0 » ^При 1юб = 3,5 м ^При Ьоб = 3.0 w h-При Ьоб = 2,5 м

Высота уступа карьера hy, м

Рис. 9 — Зависимость допустимой массы падающего КП от высоты уступа и оборудования по кабине, защищенной устройством FOPS Уровень II: где Нов — высота оборудования по кабине, м

Таблица 2

Обоснование степени защищенности оборудования от падающих КП

и выбора группы способов его защиты на примере карьера «Ковдорского ГОКа», сформированного уступами с вертикальными откосами высотой 30 м

Наименование оборудования Тип защиты m, т Луб, м ho, M ho, M Сшуация ведения горных работ Степень угрозы (ИПЭтреб < ИПЭ) Шкала опасности (условия безопасности) Группа способов защиты

I. Буровое оборудование

СБШ-250МН FOPS Уровень II 6,60 71,5>1,18

Atlas Copeo Roc L8 3,19 4,00 0,5 0,5 Вне зоны падения КП 79,8>1.18 0 (безопасные) Пассивные

Tamrock ¿(245S 5,70 74,3>1,18

II. Погрузочное оборудование

экг-ю FOPS 3,19 8,60 0,5 0,5 65,1>1,18

Hitachi 3600 Уровень II 7,75 падения КП 67,8>1,18 (безопасные) Пассивные

111. Транспортное обо рудование

БелАЗ-75131 FOPS 3,19 5,90 0,5 0,5 Вне зоны 73,7>1,18 0 Пассивные

Cat-785 Уровень 11 5,55 падения КП 74,8>1,18 (безопасные)

IV. Вспомогательное оборудование

ДЭТ-250 FOPS 3,19 3,22 0,5 0,5 В зоне 82,3 1,18 III

ДЭТ-320 Уровень 11 3,99 падения КП 79,8>1,18 (опасные) Активные

В качестве технического решения рассматривалась возможность формирования конструкции борта без предохранительных берм, функцию которых при известной массе падающих КП будут выполнять предложенные ЗС с энергией поглощения до 5000 кДж (рис. 10), что обеспечит требуемый уровень безопасности на нижележащем уступе.

I

1.2'1 11Т)»'Р'-<> при /"'

1.2X ИПЭтреГ при Л" = 90 м

ИПЭтреб при 1т = 60 м

1,2 * ИПЭтреб при Л« = 30 м

ИПЭлтс (Е = 8 ООО кДж)

ИПЭлтс (Е = 5 ООО кДж)

ИПЭлтс (Е - 3 ООО кДж) ИПЭлтс (Е = 2 ООО кДж) ИПЭлтс (Е = I ООО кДж)

,8 2,9 3 3,1 3,2

Масса падающего куска породы от, т

Рис. 10— Надежность ЗС на основе АТС-завесы по ИПЭ (ИПЭлтс) с учетом массы падающего КП и требуемого ИПЭ защиты (ИПЭтреб) для условий карьера «Железный» ОАО «Ковдорский ГОК»

Предотвращенный ущерб предприятию только в единичном случае падения КП на одном из таких участков карьера за счет использования ЗС, позволяющей исключить работу бульдозеров в опасной зоне, составит примерно до 10,6 миллионов рублей (рис. 11). При заполнении или выполаживании берм последующие КП, падающие из откосов вышележащих уступов, могут беспрепятственно пролетать их и падать на другое горное оборудование (автосамосвалы, экскаваторы, буровые станки и т.д.), расположенное на нижележащих уступах. Тогда предотвращенный ущерб предприятию может вырасти до 148,6 миллионов рублей.

О Цчел 2 ; 2 . 2 ¡ 2 2_ 2 2__2___2 ! 2 _2___2_2 ; 2

О Цпа 0,6 0,6 0.6 ¡ 0,6 0.6 0.6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6

■ ц,0 0,00029 0.00С29 0,00029 0,00029 0.00029 0.00029 0.00029 0.ОСО29 0,00029 0.00029 0.00029 0.00029 0.00029 0.00029

■ Цоб 7 32 7 40 146 12 ^ 37 50 55 36 18 _2*_ __7_ S

Статьи предотвращенных затрат (//.,*: //,*: //-,,//■,.,) в результате падения кутка породы в рабочее пространство карьера , млн, руб.

Рисунок 11 — Предотврагценный ущерб предприятию за счет использования ЗС на основе АТС-завесы на примере «Ковдорского ГОКа»

Опыт фирм-производителей подобных инженерных сооружений показал, что стоимость их работ по стабилизации откосов составляет в пределах 1000-10000 руб./м2. Следовательно, внедрение предлагаемой технологии при необходимой защите около 5,6 % карьерной площади с учетом данных ОАО «Гипроруды» о балансовых запасах руды и данных ООО НПК «ГеоПолимер» о стоимости работ по стабилизации откосов приведет к удорожанию себестоимости добычи 1 т руды всего лишь на 1,3 % без учета дисконтированных затрат в ценах 2011 г. При этом удельная себестоимость добычи 1 тонны руды (рис. 12) с учетом

работ по стабилизации откосов при крепости пород / = 6-17 составит 117,7 руб./т (удельная себестоимость работ по стабилизации 1 тонны руды составит 1,5 руб./т). Опираясь на опыт японской фирмы, апробируемой в данных условиях завесу своего производства, время на покрытие рассматриваемых участков составит ориентировочно 5,5 лет.

122

Ч 5

е- — и 2 ? £ ................Со стабилизацией

1 ^ £ з откосов — - Без стабилизации

2 = 1-Г О а (-

откосов

£

* £ * /

Стоимость работ по стабилизации откосов руб./м2

Рисунок 12 — Зависимость удельной себестоимости добычи 1 тонны руды от стоимости работ по стабилизации откосов в условиях «Ковдорского ГОКа» (пунктиром - на примере предлагаемой защитной системы)

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Настоящая диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в которой представлено решение актуальной научно-технической задачи, связанной с проектированием и эксплуатацией бортов рудных карьеров с максимальными углами их наклона, позволяющая вести безопасную отработку месторождений полезных ископаемых открытым способом.

Основные научные и практические результаты выполненных исследований:

1. Разработана классификация способов обеспечения безопасности оборудования и персонала в зоне падения кусков породы, а также усовершенствована классификация способов борьбы с процессами деформаций уступов и бортов.

2. Предложен и обоснован критерий определения степени защищенности оборудования и персонала от падающих с откосов уступов кусков пород, названный индексом поглощения энергии используемой защиты, который характеризует ее способность гасить механическую энергию падающих предметов при прямом ударе.

3. Разработан методический подход к обоснованию степени защищенности рабочих мест в рудном карьере в условиях крутых бортов и приведению их в

безопасное состояние в зависимости от конкретных геологических и геомеханических условий, основанный на учете степени угрозы нанесения ущерба оборудованию и персоналу падающими кусками породы.

4. На основе изучения взаимосвязи массы кусков породы и высоты их падения выделены зоны опасной и безопасной работы персонала и основных видов оборудования (буровые станки, экскаваторы, автосамосвалы, бульдозеры) в карьере. Установлено, что работа технологического оборудования на крутых бортах карьеров в зоне падения кусков породы с откосов уступов производится в опасных условиях, т. к. устройство FOPS для защиты его кабины не обладает требуемым значением индекса поглощения энергии.

5. Предложен усовершенствованный способ стабилизации откосов уступов, основанный на совместном использовании анкерно-тросово-сетчатой завесы и вспомогательных ограждений, реализация которого позволит предотвратить ущерб предприятию, связанный с падением кусков породы в рабочее пространство карьера. Данное техническое решение по стабилизации откосов уступов принято институтом ООО «СПб-Гипрошахт» для проектирования бортов карьеров в скальных и полускальных горных породах. На способ стабилизации откосов уступов зарегистрирована заявка на изобретение.

6. Обоснована конструкция и технология формирования крутых бортов на конечных кошурах рудных карьеров без предохранительных берм за счет использования предложенных защитных систем на основе анкерно-тросово-сетчатой завесы. Целесообразность данного технического решения подтверждается возможностью обеспечения безопасной работы в прибортовых зонах рудного карьера ((Железный» ОАО ((Ковдорский ГОК» за счёт исключения ущерба персоналу и горному оборудованию падающими кусками породы из откосов уступов.

Основные научные положения и научные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Reshetnyak S.P., Melikhova G.S., Fedotova Yu.V., Melikhov M.V. Problems of Deep Open Pits Closure in the Kola Peninsula // Proceedings of lOth International Mine Water Association Congress "Mine Water and Environment". - Technical University of Ostrava, 2008. - P. 171-174.

2. Мелихов M. В. Влияние геолого-струюурной и геомеханической обстановки на параметры бортов сверхглубоких карьеров // Добыча и переработка руд в условиях ухудшения их залегания и снижения качества: сб. науч. тр. - Апатиты: Изд-во КНЦ РАН, 2009. - С. 18-19.

3. Решетняк С.П., БилинАЛ., Мелихов М.В. Рациональная конструкция уступов с вертикальными откосами на конечном контуре глубокого карьера ОАО ((Ковдорский ГОК» // Проблемы и тенденции рационального и безопасного освоения георесурсов: сб. науч. тр. - Апатиты; СПб., 2011. - С. 129-134.

4. Решетняк С.П., Мелихов M.B. Технология обеспечения устойчивости уступов на конечном контуре карьера // Открытые горные работы в XXI веке: сб. науч. тр. - Красноярск: Изд-во «ООО НТЦ Горное дело», 2011. - С. 349-356.

5. Мелихов МБ. Защит технологических участков карьера от негативных последствий процесса деформации породного массива // Информационные технологии поддержки сбалансированного природопользования: сб. науч. тр. -Апатиты: Изд-во КНЦ РАН, 2011. - С. 67-71.

6. Заявка 2012125009 Российская Федерация, МПК7 Е 02 D 17/20. Способ стабилизации откосов уступов с помощью специальной защитной системы / Мелихов Д.В., Иванов В.М., Решетняк С.П., Мелихов М.В., Голубев C.B., Данилкин A.A., заявитель ООО НПК «ГеоПолимер»; заявл. 15.06.12.

7. Решетняк С.П., Мелихов М.В. Обеспечение безопасности карьерного технологического оборудования при риске деформаций уступов, поставленных на предельный кошур // Глубокие карьеры: сб. науч. тр. - Апатиты; СПб., 2012 -С. 424-428.

8. Мелихов М.В. Принцип выбора способа защиты оборудования и персонала от падающих породных отдельностей в условиях крутых бортов карьера // Горнодобывающая промышленность Баренцева Евро-Аркгического региона: взгляд в будущее - Государство и горная промышленность. Региональная практика и новые тенденции: сб. науч. тр. - Мурманск: Изд.-во Северная ТПП, 2013. - С. 144-151.

9. Решетняк С.П., Мелихов М.В. Формирование бортов на предельном контуре карьера без предохранительных берм с использованием средств стабилизации породных откосов // Освоение минеральных ресурсов Севера: сб. науч тр -Воркута, 2013. - С. 178-182.

10. Решетняк С.П., Мелихов М.В. Анализ отечественной и зарубежной практики стабилизации устойчивости ослабленных карьерных откосов // Горная техника -2013. - №2(12).-С. 62-66.

11. Решетняк С.П., Мелихов М.В. Критерий надежности устройств и средств защиты горного оборудования и персонала от падающих в режиме свободного падения кусков породы // Рукопись деп. в ГИАБ 21.10.13, № 989/12-13. - 11с.

12. Решетняк С.П., Мелихов М.В. Экономическая целесообразность формирования конструкции борта на предельном контуре карьера без предохранительных берм с использованием средств стабилизации устойчивости породных откосов // Рукопись деп. в ГИАБ 21.10.13, № 988/12-13. - 6с.

Автореферат

Мелихов Михаил Владимирович

ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ И ТЕХНОЛОГИИ ФОРМИРОВАНИЯ ПРОЕКТНЫХ БОРТОВ РУДНЫХ КАРЬЕРОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АНКЕРНО-ТРОСОВО-СЕТЧАТЫХ ЗАВЕС

Технический редактор В.Ю. Жиганов

Подписано к печати 22.09.2014 Формат бумаги 60x84 1/8.

Бумага офсетная. Печать офсетная. Гарнитура Times/Cyrillic Усл. печ. л. 2.67. Заказ № 28. Тираж 100 экз.

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Кольский научный центр Российской академии наук 184209, г. Апатиты, Мурманская область, ул. Ферсмана, 14