Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Обоснование схем вскрытия карьеров на заключительных этапах открытой разработки при освоении месторождений открыто-подземным способом

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

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Кидяев, Вячеслав Андреевич, Магнитогорск

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

профессионального образования «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»

ОБОСНОВАНИЕ СХЕМ ВСКРЫТИЯ КАРЬЕРОВ НА ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНЫХ ЭТАПАХ ОТКРЫТОЙ РАЗРАБОТКИ ПРИ ОСВОЕНИИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ОТКРЫТО-ПОДЗЕМНЫМ СПОСОБОМ

Специальности: 25.00.22 - «Геотехнология (открытая, подземная, строительная) 25.00.21 - «Теоретические основы проектирования горнотехнических

систем»

Кидяев Вячеслав Андреевич

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители -профессор, доктор технических наук

Гавришев С.Е. кандидат технических наук Бурмистров К.В.

Магнитогорск 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ............................................................................. 4

ГЛАВА 1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ВОПРОСА. ЗАДАЧИ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ....................................................... 9

1.1 Анализ теории и практики использования карьерного пространства при открыто-подземной разработке месторождений........................... 9

1.1.1 Состояние изученности вопросов использования карьерного пространства при открыто-подземной разработке месторождений................ 9

1.1.2 Анализ опыта использования карьерного пространства в качестве главной вскрывающей выработки для подземного рудника.................. 13

1.2 Анализ научных исследований и практики по выбору схем вскрытия и видов транспорта в глубоких карьерах при отработке месторождений от- 22 крытым способом.......................................................................

1.2.1 Анализ научных исследований по выбору схем вскрытия и видов

транспорта в глубоких карьерах.................................................... 22

1.2.2 Практика изменения схем вскрытия карьеров при переходе с автомобильного на автомобильно-конвейерный и автомобильно-скиповой транспорт......................................................................................... 29

1.3 Научно-методическая база по выбору видов карьерного транспор- 45 та............................................................................................

1.4 Выводы, цели и задачи исследований.......................................... 49

ГЛАВА 2 ИССЛЕДОВАНИЕ ФАКТОРОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА ВЫБОР СХЕМ ВСКРЫТИЯ КАРЬЕРОВ ПРИ ОТРАБОТКЕ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ОТКРЫТО-ПОДЗЕМНЫМ СПОСОБОМ....................................................................................51

2.1 Определение условий, влияющих на целесообразность изменения схем вскрытия глубоких карьеров......................................................... 51

2.2 Исследование условий, определяющих целесообразность изменения

схем вскрытия карьеров с переходом с автомобильного на комбинирован-

ный автомобильно-конвейерный или автомобильно-скиповой транспорт....................................................................................... 59

ВЫВОДЫ................................................................................. 85

ГЛАВА 3 РАЗРАБОТКА МЕТОДИЧЕСКИХ РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ИЗМЕНЕНИЮ СХЕМ ВСКРЫТИЯ КАРЬЕРОВ НА ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНЫХ ЭТАПАХ ОТКРЫТОЙ РАЗРАБОТКИ ПРИ ОТКРЫТО-ПОДЗЕМНОМ ОСВОЕНИИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ............................................................. 87

3.1 Разработка методики обоснования схем вскрытия карьеров при освоении запасов месторождений комбинированным открыто-подземным способом..................................................................................... 87

3.2 Разработка алгоритма обоснования целесообразности изменения схем вскрытия карьеров при комбинированной разработке месторождений и номограмм для определения экономического эффекта от изменения схем

вскрытия карьеров...................................................................... 109

ВЫВОДЫ................................................................................. 118

ГЛАВА 4 ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРЕДЛАГАЕМЫХ МЕРОПРИЯТИЙ НА ПРИМЕРЕ МЕСТОРОЖДЕНИЯ «МАЛЫЙ КУЙБАС».......................................................................... 119

4.1 Анализ современного состояния горных работ на месторождении Малый Куйбас............................................................................................. 119

4.2 Выбор схемы вскрытия карьера для доработки месторождения «Малый Куйбас» комбинированным способом................................................... 120

4.3 Сравнительная оценка эффективности автомобильно-скипового подъема и использования автосамосвалов при транспортировании горной массы на месторождении «Малый Куйбас».................................................... 129

ВЫВОДЫ.................................................................................. 132

ЗАКЛЮЧЕНИЕ......................................................................... 133

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК...................................................... 136

ПРИЛОЖЕНИЯ.................................................................... 143

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. При разработке месторождений комбинированным открыто-подземным способом вскрытие запасов за предельными контурами карьеров в большинстве случаев производится с земной поверхности с большими объемами капитальных работ и длительными сроками строительства вскрывающих выработок. Последними исследованиями и практикой разработки ряда месторождений доказано, что использование карьерного пространства для вскрытия запасов за контуром карьеров сокращает срок строительства подземного рудника на 1-3 года и позволяет увеличить на 7-9 % доход от разработки месторождения.

При использовании карьера в качестве главной вскрывающей выработки для подземного рудника транспортирование руды производится по существующим карьерным выработкам. На глубоких карьерах с ограниченными размерами в плане используется автомобильный транспорт, затраты на который достигают 80% от общих затрат на добычу. Транспортирование руды с подземного рудника по карьерным автомобильным съездам является еще менее эффективным.

Снижение затрат на транспортирование горной массы с глубоких горизонтов карьеров возможно за счет строительства крутых траншей и применения автомобильно-конвейерного и автомобильно-скипового транспорта. Изменение схем вскрытия карьеров с переходом на более экономичные виды транспорта целесообразно при длительных сроках эксплуатации карьеров в связи с большими капитальными затратами, продолжительными периодами строительства и окупаемости затрат. На многих карьерах изменение схемы вскрытия оказывается неэффективно ввиду ограниченного срока их доработки.

Вскрытие карьеров системой крутых траншей с переходом на комбинированный автомобильно-конвейерный или автомобильно-скиповой транспорт на заключительных этапах открытой разработки и дальнейшее его использование при подземной разработке позволит увеличить срок эксплуатации карьерных

подъемников и существенно снизить затраты на транспортирование горной массы с глубоких горизонтов карьера и впоследствии руды с подземного рудника.

Таким образом, обоснование схем вскрытия карьеров на заключительных этапах открытой разработки при освоении месторождений комбинированным открыто-подземным способом является актуальной научно-практической задачей.

Цель работы. Обоснование схем вскрытия карьеров на заключительных этапах открытой разработки при освоении месторождений открыто-подземным способом для повышения эффективности освоения месторождений.

Идея работы. Проектирование схем вскрытия карьеров с применением карьерных конвейерных или скиповых подъемников на заключительных этапах открытой разработки и дальнейшим их использованием для транспортирования руды с подземного рудника позволяет снизить затраты на транспортирование и повысить эффективность разработки месторождений.

Объект исследований - рудные месторождения, разрабатываемые открыто-подземным способом.

Предмет исследований - схемы вскрытия глубоких карьеров при комбинированной открыто-подземной разработке месторождений.

Основными задачами исследования являются:

1. Анализ способов и схем вскрытия карьеров при комбинированной открыто-подземной разработке месторождений.

2. Исследование технологических схем доставки горной массы с подземного рудника по карьерным транспортным коммуникациям.

3. Разработка экономико-математических моделей расчета эффективности изменения схем вскрытия карьеров на заключительных этапах открытой разработки при освоении месторождений комбинированным открыто-подземным способом.

4. Разработка методики обоснования схем вскрытия карьеров на заключительных этапах открытой разработки при освоении месторождений комбинированным открыто-подземным способом.

5. Разработка рекомендаций по изменению схем вскрытия и их технико-экономическая оценка.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Рациональная зона перехода на комбинированный транспорт с изменением схем вскрытия карьеров при открыто-подземной разработке месторождений определяется высотой подъема по карьеру, объемами и сроками перемещения горной массы с открытого и подземного рудников карьерными подъемниками.

2. Изменение схем вскрытия карьеров с переходом на комбинированный автомобильно-конвейерный или автомобильно-скиповой транспорт на заключительных этапах открытой разработки при освоении рудных месторождений открыто-подземным способом целесообразно производить при соотношении объемов транспортирования с подземного рудника к объемам транспортирования из карьера более 0,3 при высоте подъема по карьеру: для конвейерного подъемника - от 200 м; для скипового подъемника - от 300 м.

3. Проектирование схем вскрытия карьеров на заключительных этапах открытой разработки и использование карьерных транспортных коммуникаций при последующем освоении месторождений подземным способом позволяет расширить зону целесообразности перехода на комбинированный транспорт с диапазона глубин 0,2+0,75 до 0,75-5-1 от конечной глубины карьеров.

Научная новизна:

1. Предложен новый подход к выбору схем вскрытия карьеров на заключительных этапах открытой разработки, учитывающий возможность дальнейшего использования карьерных транспортных коммуникаций при разработке месторождения подземным способом.

2. Методика обоснования схем вскрытия карьеров при освоении запасов месторождений комбинированным открыто-подземным способом, отличающаяся от существующих учетом использования карьерных выработок и транспортных. коммуникаций при последующей подземной разработке месторождений.

3. Установлены рациональные соотношения объемов транспортирования с подземного и открытого рудников, определяющие целесообразность использования карьерных подъемников при отработке месторождения комбинированным способом.

Личный вклад автора состоит в разработке схем вскрытия карьеров при комбинированном открыто-подземном освоении месторождений; разработке экономико-математических моделей расчета экономического эффекта при комбинированных схемах вскрытия карьеров; разработке методики обоснования схем вскрытия карьеров при освоении месторождений комбинированным открыто-подземным способом.

Практическая значимость работы заключается в том, что: разработанные схемы вскрытия карьеров при освоении месторождений комбинированным открыто-подземным способом позволяют сократить затраты на транспортирование горной массы с нижних горизонтов глубоких карьеров и впоследствии руды с подземных рудников; разработанные экономико-математические модели, позволяют произвести расчет эффективности изменения схем вскрытия карьеров на заключительных этапах открытой разработки при освоении месторождений комбинированным открыто-подземным способом.

Достоверность научных положений, выводов и результатов обеспечивается представительностью и надежностью исходных данных; корректностью постановки задач исследований; положительными результатами использования рекомендаций в промышленных условиях.

Методы исследований. В работе реализован комплекс методов исследований, включающий анализ и обобщение отечественного и зарубежного опыта ос-

воения запасов за предельными контурами карьеров с использованием карьера в качестве главной вскрывающей выработки для подземного рудника, экономико-математическое моделирование схем вскрытия карьеров, статистическую обработку результатов расчетов, технико-экономические расчеты обоснования предлагаемых решений.

Реализация результатов работы. Результаты исследований использованы при разработке проекта освоения месторождения «Малый Куйбас» ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» открыто-подземным способом.

Апробация работы. Результаты, основные положения и рекомендации диссертации докладывались и обсуждались на: 17 международной научно-технической конференции «Неделя горняка» (г. Москва, 2009); 5 международной научно-практической конференции «Геотехнология-2010» (г. Джетыгара, Казахстан, 2010); 66, 67, 68, 71 научно-технических конференциях Магнитогорского государственного технического университета (г. Магнитогорск, 2008, 2009, 2010, 2013); научно-технических семинарах Института горного дела и транспорта ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова».

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 11 работах, из них 4 в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка из 84 наименований и содержит 142 страницы машинописного текста, 42 рисунков, 29 таблиц.

ГЛАВА 1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ВОПРОСА. ЗАДАЧИ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 1.1. Анализ теории и практики использования карьерного пространства при открыто-подземной разработке месторождений 1.1.1 Состояние изученности вопросов использования карьерного пространства при открыто-подземной разработке месторождений

Вскрытие является важнейшим этапом промышленного освоения месторождения и характеризуется [1, 2] совокупностью горных выработок и транспортных коммуникаций между рабочими горизонтами и пунктами приема горной массы. Выбранной схемой вскрытия определяются виды транспорта и стоимость транспортирования горной массы. Большинство мощных залежей наклонного и крутого падения со значительной глубиной распространения разрабатываются комбинированным открыто-подземным способом [3], затраты на транспортирование на которых составляют большую часть общих затрат на добычу.

К исследованиям по вскрытию месторождений следует отнести исследования ученых: Мельникова Н.В., Ржевского В.В., Арсентьева А.И., Спиваковского

A.О., Васильева М.В., Новожилова М.Г., Фиделева A.C., Потапова М.Г., Кузнецова И.А., Зотова А.П., Зуркова П.Э., Шешко Е.Ф., Шорохова С.М., Трубецкого К.Н., Шевякова Л.Д., Агошкова М.И., Бронникова Д.М., Ворошок A.C., Малахова Г.М., Старикова H.A., Каплунова Д.Р., Демидова Ю.В., Куликова В.В., Титова

B.Д. и др.

Академик АН УССР проф. H.A. Стариков в учебнике «Вскрытие рудных месторождений» [4] показал, что штольни довольно часто проводят из карьеров для вскрытия фланговых частей месторождения и отдельных рудных залежей, разрабатываемых подземным способом. На Рисунке 1.1 изображено вскрытие пройденными из карьера двумя штольнями по простиранию фланговой части месторождения, выемка которой открытым способом не экономична вследствие большого коэффициента вскрыши.

Профессором В.А. Щелкановым [5, 6] были рассмотрены вопросы совместного вскрытия карьерного и шахтного полей. Он отмечает, что при совместной разработке в контурах одного месторождения создаются благоприятные условия для применения комплексных схем вскрытия карьерного и шахтного полей (Таблица 1.1).

Член-корр. Д.Р. Каплуновым и проф. В.Н. Юковым рекомендована классификация технологических схем комбинированной отработки месторождений, которая свидетельствует о важности и необходимости учета использования карьера при проработке вариантов вскрытия. В качестве основного классификационного признака технологических схем перехода от открытой к подземной разработке предлагается степень использования выработанного пространства и выработок

карьера для вскрытия, подготовки и отработки запасов переходной зоны (Таблица 1.2).

Таблица 1.1. Классификация схем совместного вскрытия карьерного и шахтного полей при комбинированной разработке месторождений (по тесноте технологи-

ческой взаимосвязи) [5]

Группа Схема вскрытия Условия применения

Первая - с транспортированием горной массы из карьера и шахты: Вертикальными стволами общего назначения (для выдачи всей горной массы из карьера и шахты) 1<Кпр<2; ^=1; А'Пр <10 млн т; Ь„ < 50 м

- по общим карьерным выработкам (траншеям) Наклонными (конвейерными) стволами общего назначения (для выдачи всей горной массы из карьера и шахты) 1< Кпр < 2; К(=1; А'пр>10млнт; Ь„<50м

- по общим подземным выработкам Штольнями с конвейерным или железнодорожным транспортом (для выдачи горной массы из карьера и шахты) 1<Кпр <2; 0 < Кг < 1; А'пр > 5 млн т; рельеф гористый

Вторая - с частичным транспортированием горной массы по общим карьерным выработкам Крутыми траншеями и вертикальным стволом в контуре карьера 1<Кпр<2; Кг < 1; А'ш < Ю млн т; Ь„ = 50200 м

Крутыми траншеями и наклонным (конвейерным) стволом в контуре карьера 1<Кпр<2; К{ < 1; А'ш <10 млн т; Ь„ = 50200 м

Крутыми траншеями и штольнями для выдачи горной массы из карьера 1< Кпр < 2; К»<1; А'ш < 5 мл�