Обоснование малоотходной безвзрывной технологии открытой разработки месторождений скальных горных пород с помощью гидравлических отбойных агрегатов

Половинко, Артем Владимирович

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Обоснование малоотходной безвзрывной технологии открытой разработки месторождений скальных горных пород с помощью гидравлических отбойных агрегатов
ВАК РФ 25.00.22, Геотехнология(подземная, открытая и строительная)

Автореферат диссертации по теме "Обоснование малоотходной безвзрывной технологии открытой разработки месторождений скальных горных пород с помощью гидравлических отбойных агрегатов"

На правах рукописи

005017105 ПОЛОВИНКО Артем Владимирович

ОБОСНОВАНИЕ МАЛООТХОДНОЙ БЕЗВЗРЫВНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ОТКРЫТОЙ

РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ СКАЛЬНЫХ ГОРНЫХ ПОРОД С ПОМОЩЬЮ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ОТБОЙНЫХ АГРЕГАТОВ

Специальность 25.00.22 -Геотехнология (подземная,

открытая и строительная)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 О

1.1,-..7

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2012

005017105

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургском государственном горном университете.

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор

Холодняков Генрих Александрович

Официальные оппоненты:

Решетняк Сергей Прокофьевич доктор технических наук, ООО «СПб-Гипрошахт», главный технолог

Борисов Дмитрий Владимирович кандидат технических наук, ООО «Берг-проект», начальник горного отдела

Ведущее предприятие - ОАО «Гипроруда».

Защита состоится 25 мая 2012 г. в 15 ч на заседании диссертационного совета Д 212.224.06 при Санкт-Петербургском государственном горном университете по адресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2 (boguslEI@yandex.ru), ауд.1166.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного университета.

Автореферат разослан 24 апреля 2012 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ £ диссертационного совета д-р техн. наук, профессор БОГУСЛАВСКИЙ Э.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В технологическом процессе добычи полезных ископаемых разрушение горных пород является первичной и одной из наиболее важных операций, поэтому, с учетом роста в нашей стране экологических требований, применяемых к условиям разработки месторождений полезных ископаемых, а также качественных характеристик продукции карьеров, особую роль в развитии горных технологий приобретает изыскание новых и совершенствование существующих способов разрушения горных пород.

На большинстве месторождений полезных ископаемых, разрабатываемых открытым способом, применяется буровзрывная технология отбойки горной массы. Вместе с тем она обладает рядом недостатков: высокий уровень потерь, вследствие перемешивания разнотипной горной массы, значительные объемы выбросов вредных веществ и пыли в атмосферу, количественно зависящие лишь от объемов взрываемого блока, сейсмический эффект, шум и т.д.

На месторождениях где невозможна валовая взрывная отбойка и необходимо обеспечить выполнение требований по безопасности и экологии, а также на сложноструктурных месторождениях ценных полезных ископаемых, основным путем устранения перечисленных недостатков является отказ от буровзрывных работ в пользу безвзрывных технологий разработки.

Исследованием безвзрывного разрушения занимались Ю.Л.Красников, В.М. Гулков, Е.Е. Шешко, В.Н. Лабутин, Г.Л. Краснянский, А.Р. Маттис, Г.Д. Зайцев, A.A. Крагель и др.

Однако, в настоящее время не существует обоснования применения гидравлических отбойных агрегатов в качестве основного породоразрушающего инструмента на открытых работах. Поэтому, обоснование малоотходной безвзрывной технологии открытой разработки месторождений скальных горных пород с помощью гидравлических отбойных агрегатов является актуальной исследовательской задачей.

способом» в 2010 г. и № 02.740.11.0695 «Создание геомеханически и экологически безопасных малоотходных способов разработки месторождений открытым способом в сложных гидрогеологических

условиях» в 2009 г.

Целью работы является обоснование целесообразности селективной выемки горных пород с помощью гидравлических отбойных

агрегатов.

Задачи исследования:

1. Обоснование применения гидромолотов на карьере в качестве основного инструмента разрушения горных пород в прикон-тактной зоне;

2. Разработка технологических схем, обеспечивающих контролируемый уровень потерь и засорений;

3. Выявление зависимостей систем «гидравлический экскаватор - гидромолот», «гидравлический агрегат - забой».

Идея работы. Для снижения уровня потерь и засорения в приконтактной зоне полезного ископаемого следует применять на карьерах вместо буровзрывных работ агрегаты «гидравлический экскаватор - гидромолот».

Научная новизна:

• Установлена степенная зависимость между прочностью на сжатие горной породы и необходимой энергии для её разрушения, которая позволяет определить область применения оборудования при подготовке массива к выемке.

• Установлена зависимость размера скалываемого куска от угла наклона ударного инструмента при одинаковой энергии удара.

Основные защищаемые положения:

1. Эффективная работа гидромолота в забое при постоянной энергии удара обеспечивается оптимальным углом наклона оборудования к поверхности забоя, его формой.

2. При работе гидромолота в скальных горных породах эффективность разрушения в первую очередь зависит от удельной энергии удара, а пределы возможности работы экскаватора с подвесным гидромолотом при первичной отбойке должны определяться трещиноватостью массива и прочностью породы.

3. Технология отбойки пород гидромолотом обеспечивает контролируемую величину треугольника потерь (оптимальное положение контура выемки), а, следовательно, и расчетные суммарные нормативы потерь и засорения.

Методы исследований. Общей теоретической и методологической основой работы является комплексный подход, включающий анализ и обобщение фундаментальных исследований авторов в области безвзрывного разрушения. В качестве основных методов исследований использовались методы математического моделирования процесса разрушения горных пород гидравлическими отбойными агрегатами, а также производственный эксперимент.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается применением современных научных методов исследования; обширным привлечением проектных и фактических материалов работы отечественных и зарубежных карьеров-аналогов; использованием информации о развитии рынков минерального сырья, развитии техники и технологии безвзрывного разрушения; внедрением результатов исследований в проектирование и планирование горных работ на карьерах.

Практическая значимость работы.

• Разработаны технологические схемы применения гидромолотов для безвзрывного способа разрушения крепких горных пород при малоотходной открытой разработке месторождений.

• Определена схема к расчету потерь и засорения полезного ископаемого при ведении отбойки в массиве гидравлическим агрегатом, позволяющая на основе экономических показателей выбрать их рациональное соотношение в конкретный момент времени.

• Разработана методика выбора гидравлического отбойного агрегата в зависимости от типа гидравлического экскаватора.

блемы горной промышленности, строительства и энергетики» (г.Тула, 2011); на заседаниях кафедры Разработки месторождений полезных ископаемых Санкт-Петербургского государственного горного университета.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, из них 3 - в изданиях, рекомендуемых ВАК Минобрнау-ки России, подана заявка на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, содержит 141 страницу, 11 таблиц, 41 рисунок и список литературы из 91 наименования.

Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю профессору Г.А. Холоднякову, развитие идей которого, постоянное внимание и помощь способствовали успешному выполнению работы; доцентам Д.Н. Лигоцкому, С.А. Толстунову и другим сотрудникам кафедры Разработки месторождений полезных ископаемых за оказание помощи в сборе материалов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Общей теоретической базой работы послужили труды ведущих ученых в области открытых горных работ, рационального использования природных ресурсов карьерного поля, современных технологий горного производства таких, как академики РАН Н.Н.Мельников и К.Н. Трубецкой; чл.-корр. РАН А.А.Пешков и B.JI. Яковлев, доктора наук Ю.И. Анистратов, А.И.Арсентьев, Ж.В. Бунин, С.Е. Гавришев, В.А. Галкин, A.B. Гальянов, В.Н. Игнатов, Ю.Е. Капутин, В.В. Квитка, B.C. Коваленко,

B.Ф. Колесников, C.B. Корнилков, А.И. Косолапов, М.В. Костромин, К.Я. Лобанов, Ю.М. Овешников, С.П. Решетняк, В.П. Федорко,

C.И. Фомин, Г.А. Холодняков, B.C. Хохряков, М.И. Щадов; кандидаты наук Д.В. Борисов, Д.Н. Лигоцкий, С.А. Толстунов и др.

В первой главе представлено современное состояние проблемы безвзрывного разрушения горных пород.

Во второй главе проведено исследование физико-механической возможности разработки горных пород гидравлическим отбойным агрегатом. Проведен обзор литературы, установлены основные зависимости и схемы ударного разрушения.

В третьей главе проводится анализ общих положений при

подсчете потерь и засорения на горных предприятиях, составлены схемы к определению их уровня при применении гидромолота, приводятся результаты проведения производственного эксперимента на базе железорудного карьера (ОАО «Олкон», г. Оленегорск).

В четвертой главе приводятся рекомендации по применению оборудования для безвзрывного способа разрушения крепких горных пород, проводится анализ эколого-экономической эффективности применения безвзрывной технологии открытых горных работ с использованием гидромолотов.

Основные результаты исследований отражены в следующих защищаемых положениях:

Направление удара к плоскости забоя играет существенную роль при совершении работы скола. Наименее эффективно процесс скола горной породы происходит при объемном напряженном состоянии разрушаемой породы. Наличие двух и особенно трех обнаженных поверхностей обеспечивают наилучшие условия для скола породы. Наиболее сложным случаем является нанесение удара перпендикулярно плоскости забоя, при этом затрудняется создание второй обнаженной поверхности для каждого последующего удара и исключается непрерывное отделение стружки от поверхности забоя. Создание условий для непрерывного отделения стружки от забоя возможно при установке инструмента под углом к плоскости забоя. В этом случае обеспечивается дополнительная компенсация мгновенных отжимающих усилий, возникающих при ударе инструмента о породу. Возникновение таких отжимающих усилий имеет сложную физическую природу. Их величина зависит от многих факторов - упругих свойств породы, угла установки инструмента и его параметров.

Экспериментальными исследованиями установлено, что при разрушении известняка крепостью 5 ударным инструментом, установленным под углом к поверхности 15°, происходило постепенное выклинивание пики. При углах более 35° глубина стружки быстро увеличивалась и инструмент зарывался в забой. Поэтому оптималь-

ными углами установки для известняка следует считать углы в пределах 25°-30°. При разрушении гранита крепостью 12 по М.М. Протодъяконову оптимальные углы наклона лежат в пределах 30-35°. Поэтому угол наклона инструмента в 30° к плоскости забоя для этих типов пород следует считать наиболее приемлемым. На рисунке 1 показано влияние угла наклона ударного инструмента на эффективность скола известняка крепостью 5.

А1ср,см

Дж/кг 1400 1200 1000 800

6000 10 15 20 25 30 35Ц/° Рис.1. Зависимость удельной энергии удара Е и размера скалываемого куска А/ от угла наклона ударного

инструмента у/0.

На основании проведенных исследований установлено, что оптимальной формой забоя при разрушении горных пород крупным сколом при ударном приложении нагрузки является треугольная, а форма в сечении отбиваемого куска - ромбическая. На рисунке 2 показана форма забоя при последовательной отбойке стружек ромбической формы. При последовательной отбойке стружек первого ряда точки нанесения ударов для отбойки стружек второго ряда должны быть смещены на величину а/2, где а - ширина стружки.

На основании экспериментальных исследований установлено, что при ударном приложении нагрузки на инструмент выход фракций крупностью менее 5 мм составлял не более 1%, что следует считать положительным результатом, особенно для строительных горных пород. Такие фракции пород, как правило, идут в отсев.

Рис.2. Схема эффективной формы забоя при использовании пики ромбической формы: а - ширина отбиваемой стружки; Ь -толщина отбиваемой стружки; 1-11 -последовательность проходов инструмента для отделения стружек.

На основании вышеизложенного представляется возможным определить теоретическую производительность машины ударного действия, оборудованной одним исполнительным органом. Теоретическая часовая производительность ударника, установленного под углом к отбиваемой поверхности, может быть определена из выражения

_1р-А-Ки -ЫШ1стр'Кф соъ(р

Утех г V и

/ ' •ск

где ()тех - теоретическая производительность ударного инструмента, см3/мин; 1р - время работы гидромолота, мин; А - энергия единичного удара, Дж; Ки- коэффициент использования инструмента; ^тстр ~ число перестановок инструмента в минуту, мин"1; Кф - коэффициент формы инструмента; / - показатель крепости при ударном виде разрушения, Дж/см3; (р - угол наклона инструмента к плоскости забоя, град; (ск- время скола единичного куска породы, мин.

2. При работе гидромолота в скальных горных породах эффективность разрушения в первую очередь зависит от удельной энергии удара, а пределы возможности работы экскаватора

с подвесным гидромолотом при первичной отбойке должны определяться трещиноватостью массива и прочностью породы.

Основным параметром отбойного агрегата является энергия единичного удара. Энергия единичного удара является величиной, определяющей способность разрушения породы гидромолотом. Для эффективного дробления породы должно выполняться условие:

Ех>Ер (2)

где Ех - энергия единичного удара отбойного агрегата, Дж; Ер-

энергия, необходимая для разрушения породы, Дж.

Для скальных пород с высокими показателями прочностных и деформационных свойств (гранит, кварцит, диабаз, песчаник, порфирит и др.), испытывающих сжимающие нагрузки, основные закономерности механических процессов с достаточной точностью могут быть исследованы на основании упругой модели, то есть методами теории упругости. Применение этой теории допустимо также для массивов, сложенных породами средней прочности и упругости, учитывая, что пластические и вязкие свойства проявляются не мгновенно. Т.к. предел упругости в данном случае равен пределу прочности при сжатии, то для оценки удельной энергии разрушения пород справедливо уравнение:

р —

2-Е

где (Тсж - предел прочности при сжатии; Е - модуль Юнга (модуль

продольной упругости).

Горные породы обладают трещиноватостью, и в массиве представлены отдельностями определенного размера и структуры, форма и величина которых зависят от числа систем трещин, направления и частоты трещин в системе.

В момент удара объем разрушаемой породы равен объему отдельности, на поверхность которой приходится энергия удара.

Необходимая энергия разрушения без учета потерь на создание новых поверхностей горной породы определенного объема равна:

Ер=е-У (4)

где V- объем разрушаемой породы, м3;

т к. V = /3, тогда формула (3) преобразуется в следующий вид:

Ер=е-1> (5)

где / - средний линейный размер отдельностей в массиве пород в зависимости от трещиноватости (табл. 1).

Таблица 1

Категория массивов горных пород по степени трещиноватости Междуведомственной комиссии по взрывному делу

Категория трещиноватости Степень трещиноватости (блочности) Среднее расстояние между естественными трещинами всех систем /, м

I Чрезвычайно трещиноватый (мелкоблочный) <0,1

II Сильнотрещиноватый (среднеблочный) 0,1-0,5

III Среднетрещиноватый (крупноблочный) 0,5-1,0

IV Малотрещиноватый (весьма крупноблочный) 1,0-1,5

V Практически монолитный (исключительно-крупноблочный) >1,5

Как правило, выбор типа гидромолота для разрушения конкретной горной породы производится по аналогии с предприятием, имеющим схожие горно-геологические условия, а разрушаемая горная масса имеет аналогичные физико-механические свойства.

Еще несколько лет назад предельное значение энергии единичного удара для серийно выпускаемых гидромолотов ограничивалось 12-14 кДж, сегодня этот порог составляет 20-25 кДж.

Если величина энергии единичного удара является величиной избыточной для какой-либо конкретной горной породы, то при ударе расходуется вся энергия, запасенная ударником, так как ее из-

лишек поглощается массивом и идет на образование радиальных микротрещин.

25000 " ----------- - --------------------—

Щ 20000 га а

О 15000

0 X

х 10000 х

г 5000 -а. о х О

о 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Крепость, f

Рис. 3. Область применения гидромолотов при первичном разрушении массива

Используя формулу 5 и таблицу 1, построим графики зависимости энергии единичного удара от трещиноватости исследуемых горных пород и от предела прочности на сжатие.

Приведенная графическая зависимость (рис.3) была получена в результате аппроксимации энергии единичного удара от крепости по наиболее часто встречающимся горным породам.

Таким образом, фактор трещиноватости, являющийся усложняющим при буровзрывном способе разработки, при безвзрывном, наоборот, является благоприятным, способствующим эффективному разрушению массива. Тогда необходимая энергия разрушения без учета потерь на создание новых поверхностей Ер будет

равна энергии единичного удара гидромолота Е,:

ЕР=ЕХ (6)

3. Технология отбойки пород гидромолотом позволит обеспечить контролируемую величину треугольника потерь (оптимальное

1 - Монолитные

2 - Малотрещин.

3 - Среднетрещин.

4 - Сильнотрещин.

5 - Чрезвычайно

трещин.

положение контура выемки), а, следовательно, и расчетные суммарные нормативы потерь и засорения.

При отработке уступа гидромолотом возможны две схемы постановки: верхняя и нижняя.

Рис.4. Отработка уступа с верхней постановкой гидравлического отбойного агрегата.

Верхняя постановка (рис.4) гидравлического агрегата на уступе при отработке крутопадающих залежей при развитии горных работ от висячего бока к лежачему позволяет, если это возможно по устойчивости, установить угол уступа практически равному углу падения залежи, но при этом отрицательными моментами являются: неполный визуальный контроль оператора экскаватора над поверхностью забоя, также возникает опасность самообрушения породы с появлением необходимости дополнительного разрушения негабаритов при разработке сильно трещиноватых пород.

Последовательность

отработки рудно-лородных Гидромолот

отбойного агрегата.

Нижняя постановка экскаватора (рис.5) позволяет вести более тщательную селективную выемку, благодаря визуальному контролю. При этом, рудно-породные блоки следует отрабатывать последовательно. Блоки 1,2,5 и 8 могут отрабатываться с помощью БВР, а блоки 3, 4, 6 и 7 с использованием гидромолотов. Применение этой схемы рационально для крутопадающих залежей простого строения, где можно четко выделить рудные и породные блоки, причем породные блоки должны соответствовать принятой схеме ведения взрывных работ.

Контактная зона "порода-руда" вместе с рудным блоком отрабатывается с помощью гидромолота.

В обоих вариантах постановки целесообразно вести разработку с помощью подуступов, так как это обеспечивает лучший визуальный контроль над отрабатываемым контактом «порода-руда». Свои ограничения на высоту забоя накладывают также параметры экскаватора и гидромолота.

При разработке особо ценных полезных ископаемых, когда высокий уровень потерь неприемлем, следует использовать схему ведения горных работ с нижней постановкой экскаватора и разбиением уступа на поду ступы по 5-7,5 м. Такая схема позволяет значительно снизить уровень эксплуатационных потерь при выемке руды в 2,5-3 раза по сравнению с буровзрывной технологией. Это достигается за счет максимального приближения угла уступа и угла падения залежи, что позволяет кинематика комплекса.

Для более широкого применения отбойных агрегатов при добыче полезных ископаемых предполагается использовать разработанный нами на стадии изобретения мобильный комбайн с несколькими гидроударниками (рис.6).

Рис.6 Мобильный комбайн для отбойки полускальных и скальных горных

пород

На рисунке 6 показан общий боковой вид комбайна для селективной отбойки горных пород. На базе тягача 1 спереди и сзади по ходу движения смонтированы устройства для размещения гидроударников и устройства для придания ударникам необходимых углов их установки. На корпусе тягача 1 установлена шарнирно к вертикальной опорной стойке 11 прямоугольная замкнутая рама 2.

Противоположная часть рамы 2 опирается на подвижное колесо 10, которое в свою очередь закреплено шарнирно по отношению к раме 2 с помощью рычага 12 и удерживается в рабочем положении с помощью гидродомкрата 9, закрепленного на опорной стойке 14. На рычаге 12 установлен лемех 8 для прочистки рабочей канавки. Разработка уступа ведется на горизонтальной площадке слоевыми заходками по направлению оси движения. При достижении конца отрабатываемого участка, машина разворачивается, и работа ведется в обратном направлении. Уборка отбитой породы мо-

жет осуществляется погрузчиком с непосредственной погрузкой в автотранспорт или предварительной уборкой и перевалкой горной массы бульдозером во временный навал.

Уровень потерь и засорения при применении гидромолота выбирается на основе коэффициента оптимального соотношения между потерями и разубоживанием:

» = /> (7)

где Ур - экономический ущерб от потерь 1 т. погашаемых запасов;

Уь - экономический ущерб от вовлечения в добычу и переработку 1 т. засоряющих пород.

Коэффициент оптимального соотношения позволяет минимизировать экономические ущербы в зависимости от ситуации на рынке полезных ископаемых. Положение контура выемки зависит от оптимального соотношения между потерями и засорением. Высота треугольника потерь (оптимальное положение контура выемки):

" + (8) Гь

где ур - плотность руды, т/м3; уь - плотность породы, т/м3; Н - высота уступа, м.

На рисунке 7 показана предлагаемая схема к определению потерь и засорения при безвзрывной отбойке гидравлическим отбойным агрегатом.

/ / {_»_(

Рис. 7. Схема к определению потерь и засорения при безвзрывной отбойке гидравлическим отбойным агрегатом.

где Мг - горизонтальная мощность залежи, м; Н - высота уступа, м; 5Я - площадь треугольника потерь, м; - площадь треугольника засорения, м; 5а - ширина зоны изменчивости положения контура выемки, м; о - угол при вершине треугольника потерь или засорения; й„ - высота треугольника потерь полезного ископаемого, м; 1гв - высота треугольника засорения вмещающими породами, м.

Средневзвешенная (согласным и несогласным забоем) площадь треугольника потерь:

5Я = 0,5 • [к ■ Ип2 ■ {с1ёа- + (1 - *) • А„2' + (9)

Средневзвешенная (согласным и несогласным забоем) площадь треугольника засорения:

Бь = 0,5 ■ [к(Н - 1гв)2(с18а-с18/3) + (1 -к)(Н - 1гв)2{с18а + с18Р)] (10)

где к - коэффициент, учитывающий долю контактов отрабатываемых согласным и несогласным забоем: 1 - 100% контактов отраба-

тывается согласным забоем, 0 - 100% контактов отрабатывается несогласным забоем; а - угол падения залежи; ¡5 - угол откоса рабочего уступа.

Данная технология ведения горных работ в любой момент времени позволяет обеспечивать требуемый уровень потерь и засорения.

Разработанные мероприятия применены в проекте отработки доломитового участка Шайдомского месторождения. Произведен выбор рабочего оборудования в зависимости от физико-механических свойств массива, принятого гидравлического экскаватора и производительности карьера по горной массе.

Ожидаемый экономический эффект от внедрения малоотходной безвзрывной технологии разработки с помощью гидромолота составит 275650 руб./год.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Настоящая работа представляет собой законченную научно-квалификационную работу, в которой содержится решение актуальной задачи обоснования малоотходной безвзрывной технологии открытой разработки месторождений скальных горных пород с помощью гидравлических отбойных агрегатов, позволяющих повысить качество извлекаемого полезного ископаемого, а также улучшить экологическую обстановку в районе ведения открытых горных работ.

Основные научные и практические выводы:

1. На основе анализа литературы и экспериментальных данных установлена целесообразность обоснования технологии малоотходной разработки скальных горных пород гидромолотом, при которой улучшаются качественные и экологические показатели предприятия.

2. Определена область применения гидромолотов на первичной отбойке в карьерах в зависимости от физических параметров массива.

3. Установлен оптимальный угол наклона рабочего инструмента к поверхности забоя, равный 30° и оптимальная форма рабочего инструмента в поперечном сечении, при которой производи-

тельность гидромолота является максимальной, определены схема эффективной формы забоя и последовательность отработки отбиваемых блоков, установлена теоретическая часовая производительность ударника.

4. Разработаны схемы постановки на уступе и ведения горных работ при применении гидравлических отбойных агрегатов с определением потерь и засорения полезного ископаемого, обоснована методика по выбору оптимального соотношения уровня потерь и засорения.

5. Разработана принципиальная схема мобильного комбайна для отбойки скальных и полускальных горных пород.

6. Ожидаемый экономический эффект от внедрения безвзрывной технологии разработки с помощью гидромолота на доломитовом участке Шайдомского месторождения, составит 275650 руб./год. Методики и схемы ведения горных работ, полученные в результате исследований, могут быть внедрены в проектных организациях и на карьерах, разрабатывающих, как рудные, так и нерудные месторождения.

Публикации по теме диссертации:

- в изданиях, рекомендуемых ВАК Минобрнауки России:

1. Половинко A.B. Малоотходная и экологичная технология добычи полезных ископаемых на карьерах с помощью гидромолотов / Г.А. Холодняков, Д.Н. Лигоцкий, A.B. Половинко // Записки Горного института, №180, г. Санкт-Петербург, 2009, стр. 15-17.

2. Половинко A.B. Схемы работы гидравлического экскаватора с подвесным гидромолотом в забое при первичной отбойке породы / Г.А. Холодняков, Д.Н. Лигоцкий, A.B. Половинко // Горный информационно-аналитический бюллетень, №4, 2012, стр. 272-275.

3. Половинко A.B. Составление схемы к определению уровня потерь и засорения при применении гидромолота / Д.Н. Лигоцкий, A.B. Половинко // Горный информационно-аналитический бюллетень, №4, 2012, стр. 248-251.

- в прочих изданиях:

4. Половинко A.B. Разрушение горных пород ударной нагрузкой / Г.А. Холодняков, Д.Н. Лигоцкий, A.B. Половинко // «Эко-

логия и развитие общества» - Материалы XII международной конференции, г. Сосновый Бор, 2009, стр. 130-132.

5. Половинко A.B. Отрытая разработка месторождений полезных ископаемых с использованием гидромолотов / Г.А. Холодня-ков, Д.Н. Лигоцкий, A.B. Половинко // «Освоение минеральных ресурсов севера: проблемы и решения. Труды 8-ой международной научно-практической конференции Том 1», г. Воркута, 2010, стр. 171-174.

6. Половинко A.B. Эффективность ударного разрушения горных пород / Г.А. Холодняков, С.А. Толстунов, A.B. Половинко // «Проблемы и пути эффективной отработки алмазоносных месторождений: сб. докладов международ, научно-практ. конф., г. Мирный, 2010 г.», г. Новосибирск, 2010, стр. 28-29.

7. Половинко A.B. Повышение эффективности использования машин ударного действия для разработки крепких горных пород / С.А. Толстунов, A.B. Половинко // «Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики», Материалы конференции, Т.1, г.Тула, 2011, стр. 177-184.

8. Половинко A.B. Исследование эффективности разрушения многолетнемерзлых и крепких горных пород крупным сколом / С.А. Толстунов, Г.А. Холодняков, A.B. Половинко // «Освоение минеральных ресурсов севера: проблемы и решения. Труды 10-ой международной научно-практической конференции Том 1», г. Воркута, 2012, стр.160-163.

РИЦСПГГУ. 20.04.2012. 3.270 T.lOO экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Половинко, Артем Владимирович, Санкт-Петербург

61 12-5/3681

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Санкт-Петербургский государственный горный университет

На правах рукописи

Половинко Артем Владимирович

ОБОСНОВАНИЕ МАЛООТХОДНОЙ БЕЗВЗРЫВНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ОТКРЫТОЙ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ СКАЛЬНЫХ ГОРНЫХ ПОРОД С ПОМОЩЬЮ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ОТБОЙНЫХ АГРЕГАТОВ

Специальность 25.00.22 - Геотехнология (подземная,

открытая и строительная)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор Холодняков Г.А.

Санкт-Петербург 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................3

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ С ПРИМЕНЕНИЕМ ГИДРОМОЛОТА...........................................................................11

1.1 Современное состояние безвзрывного разрушения горных пород........11

1.2 Факторы, влияющие на первичную отбойку породы ударным инструментом.....................................................................................................35

1.3 Выводы..........................................................................................................42

2. ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ РАЗРУШЕНИЯ СКАЛЬНЫХ ПОРОД ГИДРОМОЛОТАМИ...................43

2.1 Модель механического разрушения горных пород..................................43

2.2 Область применения гидромолотов при разрушении горных пород.....68

2.3 Экспериментальные исследования.............................................................76

2.4 Выводы..........................................................................................................86

3. ОБОСНОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ СНИЖЕНИЯ УРОВНЯ ПОТЕРЬ И ЗАСОРЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ ПРИМЕНЕНИЯ БЕЗВЗРЫВНОЙ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД.............................................................88

3.1 Общие положение при подсчете потерь и засорения на горных предприятиях......................................................................................................88

3.2 Составление схемы к определению уровня потерь и засорения при применении гидромолота..................................................................................94

3.3 Выводы........................................................................................................101

4. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРИМЕНЕНИЮ ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ БЕЗВЗРЫВНОГО СПОСОБА РАЗРУШЕНИЯ КРЕПКИХ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ ОТКРЫТОЙ РАЗРАБОТКЕ......................................................................102

4.1 Технологические схемы постановки на уступе и отработки забоя гидромолотом...................................................................................................102

4.2 Применение гидравлического агрегата на первичной отбойке в условиях доломитового участка Шайдомского месторождения.................................113

4.3 Эколого-экономическая эффективность применения безвзрывной технологии открытых горных работ с использованием гидромолотов......121

4.4 Выводы........................................................................................................130

ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................................................................131

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...................................................................................133

ВВЕДЕНИЕ

Деятельность человека в области открытых горных работ связана с необходимостью снижения эксплуатационных потерь полезного ископаемого и загрязнения окружающей среды в процессе добычи.

Эксплуатационные потери образуются в основном при отбойке и выемке в зонах контактов между полезным ископаемым и вмещающей породой вследствие того, что некоторая часть полезного ископаемого оказывается примешанной к вмещающим породам и отгружается вместе с ними в породные отвалы.

В условия возрастающего использования сырьевых ресурсов извлечение полезных ископаемых из недр со сверхнормативными потерями обусловливает необходимость строительства новых горнодобывающих предприятий, предназначенных для компенсации недополученной продукции из-за потерь полезных ископаемых при добыче на существующих предприятиях, увеличения мощности компенсирующих предприятий или тех предприятий, где возрастает уровень потерь.

Помимо существенного экономического ущерба от потерь важно компенсировать их за счет увеличения мощностей по добыче и переработке компенсирующих предприятий, строительства новых предприятий, что ведет к отторжению новых земель и загрязнению окружающей среды отвалами. Поэтому снижение потерь на действующих горных предприятиях является одним из важнейших средств общего улучшения окружающей среды.

Кроме того, последствия потерь проявятся в будущем как результат утраты невозобновляемых ресурсов. Технологические потери полезного ископаемого при добыче и переработке неизбежны, однако их уровень должен быть регламентирован.

Таким образом, снижение потерь - одна из существенных экономических и экологических задач рационального использования недр. Размеры потерь

определяются множеством факторов, основными из которых являются: технология добычи; применение специального оборудования; организация необходимого режима опробования и контроль за полнотой выемки полезного ископаемого; соблюдение проектных направлений ведения горных работ и плановых объемов извлечения горной массы; технологическая дисциплина. В конечном итоге определяющим фактором является технология добычи.

Наряду с высоким уровнем потерь горнодобывающая промышленность характеризуется также и высоким уровнем загрязнения окружающей среды. Особенно четко это проявляется на открытых горных работах, проводимых с использованием буровзрывной технологии. При проведении массового взрыва на карьере в атмосферу выделяются СО, Н205, причем загрязнения носит как местных, так и общих характер. При бурении скважин выделяется большое количество пыли. Кроме этого нельзя не отметить негативного сейсмического эффекта взрыва и сопровождающего его шума.

В последние годы в связи с ужесточением экологических требований и ростом экологической культуры населения при отработке отдельных месторождений логичным становится отказ от традиционного буровзрывного способа подготовки горной массы к выемке.

В зарубежной практике горного производства все большее распространение находит безвзрывной способ, при котором разрушение обрабатываемой среды из крепкого материала осуществляется путем нанесения на него ударных импульсов различной частоты и мощности, генерируемых специальными навесными гидравлическими молотами, которые устанавливаются на серийно выпускаемые гидравлические экскаваторы.

Прямым подтверждением перспективности такого способа разрушения горных пород является и расширяющееся производство гидромолотов. В настоящее время их производством занято более 50 фирм в различных странах, которыми выпускаются 670 различных типов гидромолотов.

Привлекательными для производителей горных работ при таком способе являются непрерывный цикл ведения горных работ, обеспечение визуального контроля над качеством отбитой горной массы, возможность селективной выемки и экологическая безопасность.

Экономическая целесообразность и себестоимость применения того или иного способа отбойки горной породы и соответствующей ей технологии, в частности безвзрывной, зависит от многих факторов и, в первую очередь, от физико-механических характеристик горной породы, ее прочности и трещиноватости. По данным исследований применение гидравлических молотов оправдано при разработке крепких и абразивных пород. Фактор трещиноватости, являющийся усложняющим при буровзрывном способе, при безвзрывном, наоборот, является благоприятным, способствующим эффективному разрушению массива. Себестоимость отбойки буровзрывным способом, как показывает практика, в зависимости от физико-механических свойств пород составляет 30-150 руб./м3, а в случае обводнения массива и более. При применении гидромолотов себестоимость составляет 20-30 руб./м3, при этом величина обводнения не влияет на себестоимость [53,82].

К основным достоинствам безвзрывной технологии разрушения горного массива, в частности при применении гидромолота, при сравнении с традиционной буровзрывной технологией можно отнести следующее:

- снижение уровня потерь за счет более тщательной проработки контактных зон «порода-руда» в 2-3 раза;

- возможность ведения селективной выемки различных сортов руды;

- снижение загрязнения окружающей среды в районе ведения горных работ за счет отсутствия выбросов вредных газов и пыли;

- отсутствие сейсмического эффекта, сопровождающего взрывные работы;

- снижение уровня шума;

- увеличение производительности труда как следствие ведения непрерывного производственного процесса, не свойственного для буровзрывной технологии;

- снижение себестоимости добычи полезного ископаемого за счет исключения расходов, связанных с БВР;

- улучшение качества продукции карьера - нет смешения сортов руд.

Таким образом, безвзрывная технология разработки месторождений

полезных ископаемых с использованием гидромолотов позволяет производить селективную выемку полезных ископаемых со значительным снижением их потерь, вести непрерывный контроль за качеством добытой руды, а также снижает негативное воздействие горных работ на окружающую среду, улучшает качество труда и безопасность горнорабочих.

На месторождениях, где невозможна валовая взрывная отбойка, и необходимо обеспечить выполнение требований по безопасности и экологии, а также на сложноструктурных месторождениях ценных полезных ископаемых,

основным путем устранения перечисленных недостатков является отказ от буровзрывных работ в пользу безвзрывных технологий разработки.

Исследованием безвзрывного разрушения занимались Ю.Л. Красников, В.М. Гулков, Е.Е. Шешко, В.Н. Лабутин, Г.Л. Краснянский, А.Р. Маттис, Г.Д. Зайцев, А.А. Крагель и др.

Работа выполнена в рамках Государственных контрактов №П1124. «Обоснование методов повышения эффективности малоотходной разработки месторождений минерального сырья открытым способом» в 2010 г. и №02.740.11.0695 «Создание геомеханически и экологически безопасных малоотходных способов разработки месторождений открытым способом в сложных гидрогеологических условиях» в 2009 г.

Целью работы является обоснование целесообразности селективной выемки горных пород с помощью гидравлических отбойных агрегатов.

Задачи исследования:

1. Обоснование применения гидромолотов на карьере в качестве основного инструмента разрушения горных пород в приконтактной зоне;

2. Разработка технологических схем, обеспечивающих контролируемый уровень потерь и засорений;

3. Выявление зависимостей систем «гидравлический экскаватор -гидромолот», «гидравлический агрегат - забой».

Научная новизна:

Основные защищаемые положения:

3. Технология отбойки пород гидромолотом позволит обеспечить контролируемую величину треугольника потерь (оптимальное положение контура выемки), а, следовательно, и расчетные суммарные нормативы потерь и засорения.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций

обеспечивается применением современных научных методов исследования;

обширным привлечением проектных и фактических материалов работы отечественных и зарубежных карьеров-аналогов; использованием информации о развитии рынков минерального сырья, развитии техники и технологии безвзрывного разрушения; внедрением результатов исследований в проектирование и планирование горных работ на карьерах.

Практическая значимость работы.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы в целом и отдельные ее положения докладывались, обсуждались и получили одобрение на конференциях: «Освоение минеральных ресурсов севера: проблемы и решения» (г.Воркута, 2010, 2012); «Экология и развитие общества» (г. Сосновый Бор, 2009); «Проблемы и пути эффективной отработки алмазоносных месторождений» (г. Мирный, 2011); «Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики» (г. Тула, 2011); на заседаниях кафедры Разработки месторождений полезных ископаемых Санкт-Петербургского государственного горного университета.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, из них 3 - в изданиях, рекомендуемых ВАК Минобрнауки России, подана заявка на изобретение.

Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю профессору Г.А. Холоднякову, развитие идей которого, постоянное внимание и помощь способствовали успешному выполнению работы; сотрудникам кафедры Разработки месторождений полезных ископаемых за ценные советы и оказание помощи в сборе материалов.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ С ПРИМЕНЕНИЕМ

ГИДРОМОЛОТА

1.1 Современное состояние безвзрывного разрушения горных пород

A.A. Пешков и В.Л. Яковлев, доктора наук Ю.И. Анистратов, А.И. Арсентьев, Ж.В. Бунин, С.Е. Гавришев, В.А. Галкин, A.B. Гальянов, В.М. Гулков, Г.Д. Зайцев, В.Н. Игнатов, Ю.Е. Капутин, В.В. Квитка, B.C. Коваленко,

B.Ф. Колесников, C.B. Корнилков, А.И. Косолапов, М.В. Костромин, A.A. Крагель, Ю.Л. Красников, Г.Л. Краснянский, В.Н. Лабутин, Н.Я.Лобанов, А.Р. Маттис, Ю.М. Овешников, С.П. Решетняк, В.П. Федорко, С.И. Фомин, Г.А. Хо�

Информация о работе

Половинко, Артем Владимирович
кандидата технических наук
Санкт-Петербург, 2012
ВАК 25.00.22

Диссертация

Обоснование малоотходной безвзрывной технологии открытой разработки месторождений скальных горных пород с помощью гидравлических отбойных агрегатов - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы