Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Обоснование технологии экскаваторной разработки обводненных месторождений

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

Автореферат диссертации по теме "Обоснование технологии экскаваторной разработки обводненных месторождений"

На правах рукописи

ГУЗЕЕВ Артем Александрович

ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ЭКСКАВАТОРНОЙ РАЗРАБОТКИ ОБВОДНЕННЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

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

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

21 НОЯ 2014

Красноярск, 2014

005555943

005555943

Работа выполнена в Институте горного дела, геологии и геотехнологий Федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Сибирский федеральный университет»

Научный руководитель

Доктор технических наук, профессор, Кисляков Виктор Евгеньевич

Официальные оппоненты

Ведущая организация

Ткач Сергей Михайлович, доктор технических наук, Институт горного им. Н.В. Черского СО директор

дела РАН (г.

Севера Якутск),

Франчук Александр Владимирович, кандидат технических наук, НИЧ ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет» (г. Иркутск), ведущий научный сотрудник

Институт химии и химической технологии СО РАН «Лаборатория проблем освоения недр», (г. Красноярск)

Защита диссертации состоится «23» декабря 2014 года в 10.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.073.07 при ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный технический университет» по адресу: 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, корпус «К», конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный технический университет» - http://istu.edu/.

Отзывы на автореферат отправлять по адресу: 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.073.07, электронная почта: ds07@istu.edu.

Автореферат разослан «20» ноября 2014 года.

Ученый секретарь диссертационного совета, д.т.н., профессор

В.А. Домрачева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Большинство предприятий, разрабатывающих обводненные месторождения полезных ископаемых, несут значительные затраты на приобретение и поддержание оборудования для водоотлива, непосредственно водоотлив, возведение и эксплуатацию гидротехнических сооружений, нарушая большие площади земель, необходимые для их размещения. Доля перечисленных затрат в себестоимости продукции может достигать до 30 - 40%. Например, в 2011 году на Ковдорском месторождении расход электроэнергии на водоотлив и водо-понижение составил около 300 млн. кВт-ч - более 50% от общего энергопотребления по карьеру. Анализ деятельности горнодобывающих предприятий при разработке обводненных месторождений с объемом водопритоков от 800 до 20000 м3/ч общие затраты на водоотлив изменяются от 10,6 до 400 млн.руб/год, а энергозатраты на перекачку воды изменятся от 0,2 до 4,2 кВт-ч/м3.

Стратегия социально-экономического развития Красноярского края до 2020 г. предусматривает развитие минерально сырьевой базы за счет вовлечения в отработку ряда крупных месторождений сложных по горно-геологическим и гидрогеологическим условиям. На действующих карьерах увеличиваются: глубина разработки, нарушенность пластов, водообильность пород и коэффициент вскрыши — все это влечет за собой ввод в эксплуатацию дополнительного оборудования.

Необходимость разработки обводненных месторождений твердых полезных ископаемых является актуальной задачей для горнодобывающей промышленности и входит в перечень критических технологий Российской Федерации.

Степень разработанности темы. Проблемы освоения обводненных месторождений являются актуальными и рассматривались в научных работах таких ученых как Костылев Ю.В., Абрамов С.К., Иванов C.B., Сандалов, В.М., Лобанова Т.В. и др., которые были проведены на базе Санкт-Петербургского государственного горного института имени Г.В. Плеханова, Института гидрогеологии и гидрофизики, НТЦ-НИИОГР, ОАО «Гипроруда», ДВПИ им. В.В. Куйбышева и др.. Этими учеными были предложены различные способы борьбы с водоприто-ками в карьер, но все разработанные решения предусматривают осушение карьерного поля, поэтому обоснование эффективной технологии экскаваторной разработки обводненных месторождений является актуальной задачей.

Цель работы. Обоснование эффективной технологии экскаваторной разработки обводненных месторождений твердых полезных ископаемых.

Идея работы. Эффективность технологии экскаваторной разработки обводненных месторождений достигается обоснованием режима водоотлива и параметров выемки горной массы из-под воды.

Основные задачи исследования.

1. Анализ и систематизация современных способов разработки обводненных месторождений и изучение влияния обводненных условий на физико-механические свойства горных пород.

2. Изучение режима водопритока в карьер на месторождениях твердых полезных ископаемых, выявление закономерностей динамики водопритока и обоснование режима работы карьерного водоотлива.

3. Изучение влияния обводненности на технические и технологические параметры экскаватора на понтоне (понтонного экскаватора) при разработке обводненных месторождений твердых полезных ископаемых, обоснование критерия выбора модели экскаватора.

4. Разработка технологических решений и методики определения технологических параметров экскаваторной выемки при отработке обводненного забоя.

Научная новизна работы.

1. Выявлена закономерность динамики водопритока в карьер в течение года, на основе которой определены периоды максимального и минимального водопритока и разработана математическая модель.

2. Установлена зависимость изменения объема сбрасываемой воды и объема потерь горной массы из перфорированного ковша от диаметра перфорации, живого сечения, средневзвешенной крупности горной массы в ковше и расстояния перемещения ковша под водой.

3. Разработана математическая модель расчета потерь в межшаговых целиках и их регулирования при работе экскаватора на понтоне (понтонного экскаватора).

Теоретическая и практическая значимость работы.

Систематизированы способы подготовки и выемки горной массы на обводненных месторождениях открытым способом.

Предложено разделение календарного года на два периода с минимальным и максимальном водопритоком, что позволяет снизить энергозатраты на водоотлив за счет выбора насосного оборудования по минимальному водопритоку с подтоплением нижнего горизонта в паводковый период и выемкой из-под воды. Обоснованы технологические параметры при работе экскаватора на понтоне (понтонного экскаватора) с выемкой из-под воды. Разработаны принципиально новые технологические схемы отработки обводненных месторождений полезных ископаемых в два подуступа (патент РФ № 2469191) и с локальным регулированием уровня вод (патент РФ № 2504657). Разработана новая методика расчета параметров перфорации для различных условий, позволяющая определить конечный объем разгружаемой горной массы с учетом ее просыпи из ковша.

Приняты к внедрению для разработки проектной документации математическая модель прогнозирования водопритоков в карьер и технология отработки обводненного месторождения понтонным экскаватором ООО «Артелью старателей Ангара-Север».

Результаты исследований рекомендуется использовать при планировании горных работ на разрабатываемых и проектируемых обводненных месторождениях полезных ископаемых, а также в учебном процессе на кафедре «Открытые горные работы» ИГД11.

Методология и методы исследований. В работе осуществлено аналитическое обобщение сведений, содержащихся в научно-технической и специальной литературе. Проведены натурные наблюдения, экспериментальные лабораторные исследования, математическое и физическое моделирование, статистическая обработка экспериментальных данных с применением программных пакетов Microsoft Office Excel.

Положения, выносимые на защиту.

1. Снижение энергозатрат на водоотлив происходит за счет выбора насосного оборудования по минимальному водопритоку при подтоплении нижнего горизонта в паводковый период с выемкой горной массы из-под воды.

2. При выемке горной массы из-под воды производительность и энергопотребление экскаватора определяются с учетом коэффициента влияния перфорации ковша, зависящего от диаметра перфорации, живого сечения, средневзвешенной крупности горной массы в ковше и расстояния перемещения ковша под водой.

3. Объем потерь в межшаговых целиках при разработке затопленного забоя экскаватором на понтоне (понтонным экскаватором) должен определяться с учетом глубины черпания, шага передвижки и траектории движения ковша.

Степень достоверности работы. Подтверждена сходимостью результатов теоретических исследований с натурными наблюдениями и экспериментальными данными, а также критериями подобия и доверительной вероятности; значительным объемом статистических данных; патентной защитой новых технических решений.

Апробация результатов работы. Материалы диссертационной работы были представлены на следующих конференциях и семинарах: Всероссийская научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодёжь и наука», Красноярск (2011-2012 гг.); X международная научно-техническая конференция «Современные технологии освоения минеральных ресурсов» в Шри-Ланке, г. Коломбо (2012 г.); городской этап конкурса научно-технического творчества молодежи города Красноярска «Молодежные научно-исследовательские и инвестиционные проекты», Красноярск (2013 г.); XXI научная конференция «Research Journal of International Studies», Екатеринбург (2013 г.); на кафедре открытых горных работ ИГДГГ (2012 - 2014 гг.); VII международный горно-геологический форум МИНГЕО Сибирь 2014 г.

Личный вклад автора. Заключается в выполнении основного объема теоретических и экспериментальных исследований изложенных в диссертационной работе, включая постановку целей и задач исследования, в анализе и обобщении экспериментальных результатов, в разработке новых технологических решений по повышению эффективности отработки обводненных месторождений твердых полезных ископаемых.

Публикации. По теме диссертационных исследований опубликовано 10 работ, из них: 4 в изданиях, рекомендованных списком ВАК; 2 патента на изобретение и 1 патент на полезную модель.

Объем и структура работы. Диссертация изложена на 142 страницах машинописного текста, состоит из введения, 5 глав, заключения. Содержит 95 библиографических источников, 52 таблицы, 54 рисунка и 80 формул.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы цель и задачи, изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрены и систематизированы способы подготовки и -выемки горной массы на обводненных месторождениях открытым способом. Рассмотрено влияние обводнённых условий на физико-механические свойства пород.

Во второй главе исследована динамика водопритока в карьер на обводненных месторождениях твердых полезных ископаемых и предложено разделение календарного года на основе полученной зависимости его динамики на два периода с минимальным и максимальным водопритоком.

В третьей главе исследованы технические и технологические параметры разработки обводненных месторождений твердых полезных ископаемых с применением выемочно-погрузочного оборудования на понтоне и предложен способ увеличения эффективности их работы.

В четвертой главе предложены принципиально новые технологические схемы разработки обводненных месторождений твердых полезных ископаемых и разработаны методики расчета технологических параметров и их оптимизации.

В пятой главе содержится технико-экономическая оценка предлагаемой технологии в условиях россыпи в долине реки Мамон.

Предлагаемая область применения разработанных решений. По типу месторождений: горизонтальные и пологопадающие пластовые месторождения; россыпные месторождения; месторождения строительных полезных ископаемых. В качестве выемочно-погрузочного оборудования предлагается применение гидравлического экскаватора.

Научный и практический интерес представляет характер изменения водопритока в карьер в течение года с целью рациональной отработки месторождения. Были проанализированы режимы водопритока на Татауровском угольном месторождении, Олимпиадинском (карьер Восточный) и Наталкинском месторождениях, а также данные приведенные Всеволожским В.А.

Согласно проведенному анализу было выявлено, что период с сентября (ноября) по апрель (май) характеризуется минимальным водопритоком, а с апреля (мая) по сентябрь (ноябрь) - максимальным. При этом его величина изменяется в 1,8 - 4,5 раза относительного минимального зачения. Также была разработана зависимость изменения динамики водопритока в карьер:

е=

а■ г2 + Ь■ г + с, при (1<г</; g■t2 + к • ? + т, при / <t< р;

, при р < ? < и, ^

где 2 - водоприток в карьер, м3/ч; а, Ь, с, (1, /, g, к, т, р, я, у, п - эмпирические коэффициенты, зависящие от геологических, гидрогеологических и климатических условий месторождений; г - порядковый номер недели в году.

На основе вышесказанного предлагается разделение календарного года на два периода, а именно (рисунок 1):

- период с минимальным водопритоком;

- период с максимальным водопритоком.

О 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52

Недели

♦ Среднсгоддовое изменение водопритока ^^Прогнозируемое среднегодовое изменение водопритока ^^•Мошность водоносного слоя футовых вод

Рисунок 1 - Разделение календарного года на периоды отработки карьера на примере Татауровского месторождения

В период минимального объема водопритока порядок ведения горных работ остается неизменным, а в период максимального объема водопритока происходит подтопление нижнего горизонта, поэтому предлагается вести отработку обратной гидравлической лопатой с нижним черпанием из-под воды, как показано на рисунке 2.

Прогнозирование изменения водопритока с учетом изменения уровня грунтовых вод, а также разделение календарного года на периоды позволят исключить процесс водоотлива и все связанные с этим операции или снизить значительно объемы откачки воды из карьера в случаях отработки неглубоких месторождений, где высотная отметка дна карьера выше или равна минимальной отметке уровня грунтовых вод. А при разработке карьеров, высотная отметка дна которых ниже минимальной отметки уровня грунтовых вод на первоначальном этапе планирования позволит оптимизировать работу водоотливных установок, а также более точно выбрать оптимальную дату ввода их в эксплуатацию.

При разделении календарного года на два периода на примере Татауровского месторождения может быть получен экономический эффект, приведенный в таблице 1.

Разделение календарного года на два периода (с подтоплением нижнего горизонта и отработкой его обратной гидравлической лопатой с нижним черпанием из-под воды в период максимального водопритока) и применение предлагаемых насосных агрегатов с учетом анализа динамики водопритока позволит снизить ежегодные затраты на электроэнергию и общее энергопотребление на 10% на Татауровском месторождении.

Вышеизложенное является доказательством первого научного положения, выносимого на защиту, а именно: снижение энергозатрат на водоотлив происходит за счет выбора насосного оборудования по минимальному водопритоку при подтоплении нижнего горизонта в паводковый период с выемкой горной массы из-под воды.

А-А

Рисунок 2 - Отработка нижнего горизонта обратной гидравлической лопатой (РС-200) с нижним черпанием из-под воды

Таблица 1 - Предполагаемый расчетный экономический эффект при разделении

Наименование показателей Фактические Расчетные

Татауровское месторождение

Совокупная стоимость насосных агрегатов, руб. 6 430 ООО 1 850 ООО

Затраты на электроэнергию, руб/год 7 823 611 7 069 851

В случае выемки горной массы из подводного забоя гидравлическими экскаваторами возникает проблема наличия воды в ковше при зачерпывании и подъеме ковша для разгрузки в транспортирующее оборудование, что оказывает влияние на энергопотребление и производительность экскаватора.

Известны решения по перфорации ковша с целью снижения количества воды в нем (рисунок 3).

Для обоснования необходимых параметров перфорации в лабораторных условиях проведены экспериментальные исследования по изучению:

Рисунок 3 - Перфорированный ковш ЫеЬЬегг Р 9350

- времени сброса воды из ковша экскаватора в зависимости от живого сечения перфорации и гранулометрического состава горной массы в ковше;

- объема потерь в зависимости от живого сечения перфорации, диаметра перфорации, расстояния перемещения ковша экскаватора под водой и средневзвешенной крупности горной массы в ковше.

При проведении исследований был использован метод физического моделирования. Для проведения экспериментов был изготовлен ковш, вместимостью 4,5 м3. Диаметр отверстий перфорированного ковша от 0,05 до 0,15 м и средневзвешенная крупность горной массы в ковше от 0,25 до 0,37 м. Объем воды в ковше принят 0,2 м3, при коэффициенте наполнения ковша 0,75. Глубина черпания до 26 м. Выше приведенные условия приняты с геометрическим масштабом 1:100.

Для максимального приближения разработанной модели к натурным условиям, соблюдение физических явлений подтверждается равенством критерия подобия Ньютона.

Уравнение критерия подобия Ньютона:

Ne =

F ■ L

- idem,

(2)

где Р - сила, действующая на тело, Н; Ь - линейный размер, м; т - масса тела, т; V - скорость движения тела, м/с.

Критерии подобия Ньютона в модели и натурных условиях равны и составляют 1,476. При этом для соблюдения их равенства скорость движения тела в модели снижена в 10 раз.

Результаты проведенного эксперимента по изучению времени сброса воды из ковша экскаватора в зависимости от живого сечения перфорации и гранулометрического состава горной массы в ковше приведены на рисунке 4.

Рисунок 4 - Изменение расхода сбрасываемой из ковша воды от живого сечения перфорированного ковша с учетом средневзвешенной крупности горной массы

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 Живое сечение перфорированного ковша, м2

При обработке экспериментальных данных, по изучению изменения объема сбрасываемой воды из ковша, была получена следующая зависимость:

Т7 1,13-¿д. „

уу,=~-— ^жо (3)

п 32,13-Г '

где У„ - объем сбрасываемой из ковша воды, м3; йсв - средневзвешенная крупность горной массы в ковше, м; Бж,с— живое сечение перфорированного ковша, м2; Г— время перемещения перфорированного ковша от уровня воды до момента разгрузки, с.

Например, для экскаватора ЫеЫюгг К 982 ЬС с вместимостью ковша 2,85 м3, живым сечением дна ковша 0,4 м2, временем разворота до момента погрузки 5 с и средневзвешенной крупностью горной массы в ковше от 0,2 до 0,5 м сбрасывает от 0,6 до 1,55 м3 воды. Принимая около 2,8 тысяч циклов экскаватора в сутки эта масса составит от 1,7 до 4,3 тыс.м воды, отсюда общее энергопотребление экскаватора при работе на максимальную глубину черпания снижается на 7-14%.

При исследовании объема потерь горной массы из перфорированного ковша, в результате обработки экспериментальных данных была получена следующая модель:

тг = [((- 7,36• с1я -0,0506)-¿/¿ + (4,34-йя -0,03)-¿св - (0,58-¿я -0,02))-/гв2 -

((-154,77 ■ йя - 6,87) ■ + (84,24 ■ с!я + 0,5 8) ■ с1св + (- 9,13 ■ + 0,68))- кв (4)

+ 100]-^,

где тг - остаток горной массы в ковше, %; (1Я - диаметр ячейки перфорации ковша, м; И.в - высота подъема ковша под водой, м; кж - коэффициент живого сечения.

кж =1 + ((0,07 ^ -0,001-йя +0,01)-йсв -0,02-^; -0,002-¿я -0,00з)-5^, (5)

где - доля живого сечения от общей площади ковша, %.

Уточненный объем горной массы разгружаемой из ковша определяется по формуле, м3:

Урз.м. = к„ ■ 9, (6)

где д - вместимость ковша, м3; кн - коэффициент наполнения ковша:

V* к у г.м. Лпер

где - объем горной массы в ковше на момент зачерпывания, м ; кпер - коэффициент влияния перфорации, к„ер =0,01 т..

Изменение производительности и энергозатрат экскаватора при вариации коэффициентов наполнения ковша (на момент зачерпывания) и влияния перфорации на примере экскаватора 1леЬЬеггР996 AquaDigger показано на рисунке 5.

0,88

0,98

0,9 0,92 0,94 0,96

Коэффициент влияния перфорации

• производительность при Кн=0,85 — — производительность при Кн=1 производительность при

- энергозатраты при К=0,85 = ■ энергозатраты при К=1 '-энергозатраты при Кн=1,

Кн=1,2 ,2

Рисунок 5 - Изменение производительности и энергозатрат экскаватора Liebherr Р996 Aqua Digger при вариации коэффициентов влияния перфорации и наполнения ковша

Таким образом, изменение коэффициентов влияния перфорации и наполнения ковша оказывает влияние на производительность экскаватора и его энергозатрат. При увеличении коэффициента влияния перфорации снижается производительность и энергопотребление экскаватора. В случае применения ковша без перфорации производительность экскаватора и его энергопотребление увеличиваются.

Вышеизложенное является доказательством второго научного положения, выносимого на защиту, а именно: при выемке горной массы из-под воды производительность и энергопотребление экскаватора определяются с учетом коэффициента влияния перфорации ковша, зависящего от диаметра перфорации, живого сечения, средневзвешенной крупности горной массы в ковше и расстояния перемещения ковша под водой.

Для отработки затопленного карьерного поля с применением экскаватора на понтоне предлагаются технологические схемы разработки одним уступом или двумя подуступами (рисунок 6).

Высота уступа при работе гидравлических экскаваторов определяется графическим методом с учетом траектории движения ковша.

Математически траектория движения ковша описывается двумя радиусами - Я и г (рисунок 7), определяемыми графически по кинематической схеме экскаватора, разрабатываемой его производителем.

Для определения оптимальной высоты уступа (верхнего подуступа) и шага передвижки экскаватора, при которых достигается минимальное количество передвижек и максималь-ныйобъем выемки горных пород с одного места стояния, проведено исследование, в ходе которого было выявлено изменение величины максимального шага передвижки экскаватора в зависимости от высоты уступа (таблица 2).

А-А

Рисунок 6 - Схема отработки обводненных месторождений одним уступом: ашэ. - шаг передвижки экскаватора, м; Ну - высота уступа, м; Ь - длина кромки забоя в плане на расстоянии равном половине шага передвижки экскаватора на понтоне, м

Таблица 2 - Изменение максимального шага передвижки экскаватора в зависимо-

Высоты уступа, м Шаг передвижки экскаватора, м Эмпирические коэффициенты

Liebherr Р995

1 < Ну < 8 аш.э. = "Ну а= 8,29, Ь= 0,37

8< Ну< 13,7 аш.э. = с ЩНу) + d £=-7,18, ¿=32,27

13,7 < Ну <2 f-H аш.з. =Z-e ' Z=402,66, /=-0,26

Liebherr Р996 Aqua Digger

1 < Ну < 6 аш.э. = а-Ньу а= 8,39, Ь= 0,5

6< Ну < 16 аш. э. = c\n(Hy) + d с=6,19, ¿=8,72

16< Ну< 22,9 аш.э .=к-Нгу+1-Ну+т ¿=0,24, /=-10,34, т=128,29

22,9 < Ну <39 a =z-efH> z=2501,l, /=-0,22

Liebherr R 982 LC

1<НУ<3 аш. э. =а-Нъу а= 6,68, Ь= 0,46

3< Ну <5,5 аш.э. = с Лп{Ну) + d с=3,09, ¿=7,58

5,5< Ну < 9 аш.э.=кн2у+1ну+т ¿=0,35, /=-0,57, т=33,74

Продолжение таблицы 2

9< Ну< 12,7 «ш.э. = 10

12,7< Ну < 22 Г-н. «ш.э. = z • е z= 1677,8, /=-0,39

AquaDiggerDemag H185S

1 < Ну < 3 аш.э. = а Ну а= 8,47, b= 0,4

3<НУ< 15 aul3=c-\n{Hy) + d с=6,53, d=5,53

15< Ну < 20 ашэ=к-Н2у+1-Ну+т ¿=0,07, /=-3,14, m=53,6

20 <НУ< 24 «ш.э. = 20,6

24< Ну < 42 f-н, «и.э. =z-e z= 1268,4, /=-0,17

Примечание: при работе по технологической схеме с подуступами для расчета шага передвижки подставляется высота всего уступа

В качестве примера были взяты экскаваторы Liebherr Р996 Aqua Digger, Liebherr R 982 LC, Aqua Digger Demag H185S и Liebherr P995.

Объем выемки горных пород с одного места стояния экскаватора, м~:

^г.м. «ш.э. ' Ну

■ L, М

(8)

л-R3-а 180°

(9)

где а - угол поворота экскаватора в заходке при ее отработке, град; Я, - расстояние от оси экскаватора до середины отрабатываемой заходки, м.

При работе экскаватора на максимальную глубину черпания имеют место межшаговые потери на нижнем подуступе в виде треугольника с вогнутыми сторонами (рисунок 7). На площадь поперечного сечения межшагового целика влияет величина шага передвижки понтонного экскаватора, глубина черпания и радиусов сегментов поперечного сечения целика.

Рисунок 7 - Межшаговый целик: Ь, с - длина хорды первого и второго сегментов, м; /г„ - высота треугольника потерь, м \г, Я- радиусы первого и второго сегментов, м; у/, у г - угол первого и второго секторов, образующих сегменты, град; а/, ¿¡¿-Длина проекции хорд на горизонтальное

основание, м

Площадь поперечного сечения межшагового целика, м2:

9 =1 h ——

"п 2 аш.э. 2

л--2-arcsin

oj2 +

2-r

180

--БШ

2 • arcsin-

2 2 «I + /z„

2-r

/Г

2

7Г-1- arcsin

I 2 2

yja^+hy,

л2 n 2 R

180

-ЯП

2■arcsin

«2 + й« М-

(Ю)

Для определения длины проекции хорды на горизонтальное основание необходимо решить квадратичное уравнение:

х1-2 -x-a^+al^-R2

(■R2 ~ аш.о.) + (2 • г - 2 • аш о ) • х Л

2r-2R

- г

= 0.

(11)

Далее подставив данные, решается квадратичное уравнение, где меньший из получившихся хI и х2 будет равен а/.

а2=аш.э.~а\-

(12)

Высота межшагового целика зависит от шага передвижки экскаватора на понтоне (рисунок 8).

-Liebherr R 982 LC

5 10 15

Шаг передвижки, м

-Liebherr Р995 -A-Aqua Digger Demag H185S

20 25

Liebherr P996 Aqua Digger

Рисунок 8 - Изменения высоты целика межшаговых потерь

где рЛ - эмпирические коэффициенты, зависящие от модели экскаватора. Объем потерь, м3:

У„ = Б„Ь. (14)

Для исключения потерь должно соблюдаться условие:

Hn+TH<Ha.max-h„, (15)

где Я„ - высота подтопленной части уступа, м; Тн - высота надводной части понтона, м; Нгтах - максимальная глубина черпания, м.

Также площадь межшагового целика можно снизить за счёт уменьшения глубины черпания.

Был проведен анализ изменения ценности добытой горной массы и ценности потерь межшаговых целиков при вариации шага передвижки и высоты уступа на примере экскаватора Liebherr Р996 Aqua Digger, результаты показаны на рисунках 9 и 10.

1 600 1 400 1 200 1 000 800 600 400

0 5 10 15 20

Шаг передвижки, м

Рисунок 9 - Изменение ценности потерь межшаговых целиков: 1 - Ну=22,9 м, 2 - Я,,=22,7 м, 3 - Я„=22,5 м, 4 - Я„=22,3 м, 5 - Ну= 22,1 м, 6 - Яу=21,9 м

18 500 18 000

0 5 10 15 20

Шаг передвижки, м

Рисунок 10 - Изменение стоимости добытого полезного ископаемого: 1 - Ну= 22,9 м, 2 - Яу=22,7 м,3 - Ну=22,5 м, 4 - НУ=22,Ъ м, 5 - Ну=22,1 м, 6 - Ну=21,9 м

Согласно полученным данным максимальная стоимость добытой горной массы с учетом ценности потерь, для принятых ранее условиях, достигается при шаге передвижки экскаватора Liebherr Р996 Aqua Digger равной 12 м. Это обусловлено тем, что интенсивность изменения производительности экскаватора и объема потерь в целиках различны.

Вышеизложенное является доказательством третьего научного положения, выносимого на защиту, а именно: объем потерь в межшаговых целиках при разработке затопленного забоя экскаватором на понтоне (понтонным экскаватором) должен определяться с учетом глубины черпания, шага передвижки и траектории движения ковша.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой решена актуальная задача по обеспечению рациональной отработки обводненных месторождений экскаваторным способом, имеющей важное значение для развития горнодобывающей отрасли России.

1. Исследования динамики водопритоков в течение года позволят: снизить энергопотребление водоотливных систем за счет рационального выбора насосных станций и оптимизации их работы; исключить процесс водоотлива и все связанные с этим операции или снизить значительно объемы откачки воды из карьера в случаях отработки неглубоких месторождений, где высотная отметка дна карьера выше или равна минимальной отметке уровня грунтовых вод.

2. Представленная методика расчета работы, совершаемой механизмами подъема рукояти экскаватора типа обратная механическая лопата с учетом условий черпания из-под воды, позволит определить необходимые типоразмеры гидроцилиндров рукояти рабочего оборудования и сделать рациональный выбор двигателя насосной маслостанции.

3. Для уменьшения энергозатрат экскаватора предложен вариант перфорации ковша и экспериментально доказано, что применение перфорированного ковша позволит снизить энергопотребление экскаватора на 7-14 % при черпании из-под воды.

4. Разработана новая методика расчета параметров перфорации для различных условий, позволяющая определить конечный объем разгружаемой горной массы с учетом ее просыпи из ковша. Полученные результаты могут использоваться для расчета производительности экскаватора.

5. Установлено, что изменение коэффициентов влияния перфорации и наполнения ковша оказывает влияние на производительность экскаватора и его энергозатраты. При увеличении коэффициента влияния перфорации снижается производительность и энергопотребление экскаватора. В случае применения ковша без перфорации производительность экскаватора и его энергопотребление увеличиваются.

6. Разработаны технологические схемы отработки обводненных месторождений одним уступом или подуступами понтонным экскаватором или экскаватором, установленным на понтоне, с погрузкой в различные вида транспортирующего оборудования. Основным достоинством разработанных схем является исключение процесса водоотлива или сокращение объемов по откачке вод из карьера при полном или частичном затоплении карьерного поля, что влечет за собой снижение общего энергопотребления.

7. Обоснованы основные технологические параметры при работе экскаватора на понтоне (понтонного экскаватора) с выемкой из-под воды и разработана методика расчета потерь в межшаговых целиках при освоении месторождений понтонными экскаваторами или экскаваторами на понтоне, а также предложены методы снижения или исключения потерь.

8. Сравнение технико-экономических показателей по предприятию и с применением разработанной технологической схемы одним затопленным уступом показало, что внедрение предлагаемого решения позволит снизить себестоимость добычи на 130,53 руб./г. Ожидается увеличение прибыли на 23,5 млн. руб., а ЧДЦ — на 48,29 млн. руб. Индекс доходности составил 3,13.

9. Результаты исследований рекомендуется использовать при планировании горных работ на разрабатываемых и проектируемых обводненных месторождениях полезных ископаемых, а также в учебном процессе на кафедре «Открытые горные работы» ИГДГТ.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ и приравненные к ним публикации:

1. Гузеев, A.A. Разработка обводненных месторождений с применением одноковшовой техники [Текст] / A.A. Гузеев, В.Е. Кисляков // Маркшейдерия и недропользование. -2012. - №3. - С. 33-34.

2. Гузеев, A.A. Технологические параметры работы понтонного экскаватора при черпании из-под воды /В.Е. Кисляков, A.B. Никитин, A.A. Гузеев // Совре-

менные проблемы науки и образования. - 2014. - № 3; URL: www.science-education.ru/117-13064 (дата обращения: 14.05.2014).

3. Гузеев, A.A. Анализ режима грунтовых вод при разработке обводненных месторождений полезных ископаемых [Текст] / В.Е. Кисляков, Т.А. Веретенова,

A.A. Гузеев // Научный журнал СФУ Серия «Техника и технология». - 2014. -№3. - С. 263-269.

4.Гузеев, A.A. Работа, совершаемая механизмами подъема рукояти обратной механической лопаты при черпании из-под воды [Текст] / A.A. Гузеев,

B.Е. Кисляков // Горное оборудование и электромеханика. - 2014. - №7. -С. 17-20.

5. Пат. 82765 Российская Федерация, МПК Е21С50/00. Устройство для подводной разработки горных пород [Текст] / Кисляков В.Е., Корзун O.A., Никитин H.H., Шершнев A.A., Гузеев A.A.; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО «СФУ». - № 2008148228/22; заявл. 08.12.2008; опубл.10.05.2009. Бюл. №13. - 5 с.

6. Пат. 2469191 Российская Федерация, МПК Е21С41/26. Способ сква-жинной гидродобычи полезных ископаемых [Текст] / Кисляков В.Е., Гузеев A.A.; заявитель и патентообладатель ФГАОУ ВПО «СФУ». - № 2011145752/03; заявл. 10.11.2011; опубл. 10.12 2012. Бюл. № 34.-9 с.

7. Пат. 2504657 Российская Федерация, МПК Е21С41/26. Способ разработки обводненных месторождений полезных ископаемых [Текст] / Кисляков В.Е., Гузеев A.A.; заявитель и патентообладатель ФГАОУ ВПО «СФУ». -№ 2012132852/03; завял. 31.07.2012; опубл. 20.01.2014. Бюл. №2. -6 с.

Статьи в других изданиях:

8.Гузеев, A.A. Планирование горных работ при разработке месторождений полезных ископаемых с учетом гидрогеологического режима грунтовых вод [Текст] / В.Е. Кисляков, Т.А. Веретенова, A.A. Гузеев // Современные технологии освоения минеральных ресурсов: сб. материалов 11-й Международной науч.-техн. конф. - Красноярск: ИПК СФУ, 2013. - С. 122-127.

9.Гузеев, A.A. Систематизация современных способов подготовки и разработки обводненных месторождений [Текст] / A.A. Гузеев, В.Е. Кисляков, А.Ю. Ефремов // Современные технологии освоения минеральных ресурсов: сб. материалов 10-й Международной науч.-техн. конф. - Красноярск: ИПК СФУ, 2012.-С. 116-126.

10. Гузеев, A.A. Способ разработки обводненных месторождений с локальным регулированием уровня вод [Текст] / A.A. Гузеев // Международный научно-исследовательский журнал сб. по результатам XXI заочной научной конференции Research Journal of International Studies. - Екатеринбург, 2013. - №11 (18) Часть 3. -С. 89-91.

Подписано в печать 22.10.2014. Печать плоская. Формат 60x84/16 Бумага офсетная. Усл. печ. л. 1,25. Тираж 100 экз. Заказ 2861

Отпечатано полиграфическим центром Библиотечно-издательского комплекса Сибирского федерального университета 660041, г. Красноярск, пр. Свободный, 82а Тел./факс: (391) 206-26-49; тел. (391) 206-26-67 E-mail: print_sfu@mail.ru; http://lib.sfu-kras.ru