Определение параметров отвалов на горнотехническом этапе рекультивации при проектировании открытой разработки крутопадающих рудных месторождений

Маринин, Михаил Анатольевич

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Определение параметров отвалов на горнотехническом этапе рекультивации при проектировании открытой разработки крутопадающих рудных месторождений
ВАК РФ 25.00.21, Теоретические основы проектирования горно-технических систем

Автореферат диссертации по теме "Определение параметров отвалов на горнотехническом этапе рекультивации при проектировании открытой разработки крутопадающих рудных месторождений"

На правах рукописи

МАРИНИН Михаил Анатольевич

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ОТВАЛОВ НА ГОРНОТЕХНИЧЕСКОМ ЭТАПЕ РЕКУЛЬТИВАЦИИ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ОТКРЫТОЙ РАЗРАБОТКИ КРУТОПАДАЮЩИХ РУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

Специальность 25.00.21 - Теоретические основы проектирования горнотехнических систем

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2014

005551595

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный».

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор

Фомин Сергей Игоревич

Официальные оппоненты:

Семикобыла Ярослав Георгиевич доктор технических наук, Учреждение российской академии наук Центр междисциплинарных исследований по проблемам окружающей среды РАН, руководитель отдела экологии горного производства

Тетерин Дмитрий Владимирович кандидат технических наук, ЗАО «Полиметалл Инжиниринг», главный специалист отдела аудита минеральных ресурсов и рудных запасов

Ведущая организация - Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирский федеральный университет»

Защита диссертации состоится 23 июня 2014 года в 11 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.224.09 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д. 2, ауд. 1166.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный» и на сайте www.spmi.ru.

Автореферат разослан 23 апреля 2014 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ КОРШУНОВ

диссертационного совета /С—' Геннадий Иванович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Площадь земель, нарушенных в процессе недропользования, в нашей стране составляет свыше 1,5 млн. га. Растущие потребности промышленности в минеральном сырье влекут за собой прирост площадей нарушенных земель. Карьеры, действующие многие годы, не имеют проектов рекультивации, либо они были составлены более 20 лет назад и в силу этого далеки от реальной ситуации в развитии горных работ, поэтому нуждаются в корректировке.

Рекультивационные работы следует технологически увязывать со структурой комплексной механизации основных горных работ, сроком эксплуатации и стадиями развития карьера. Технический этап рекультивации рассматривается как неотъемлемая часть горной технологии, и учет требований рекультивации на этом этапе обеспечивает создание наиболее благоприятных условий для последующего освоения нарушенных земель.

При разработке крутопадающих рудных месторождений карьерами, как правило, рекультивация выработанного пространства заключается в очистке территории от техногенных остатков, приведение её в безопасное состояние или затопление карьера при прекращении водоотлива. При внешнем отвалообразовании вскрышные породы отсыпают без учета пригодности их для рекультивации, а при формировании отвалов не всегда учитывают требования рационального землепользования и выбранного направления рекультивации. При этом рекультивация внешних отвалов проводится после завершения или на заключительном этапе отвалообразования. Проектирование и формирование отвалов осуществляется без учета требований к параметрам горнотехнической рекультивации.

Таким образом, разработка и обоснование методики определения параметров отвалов на горнотехническом этапе рекультивации при проектировании карьеров, с учётом горнотехнических и горногеологических особенностей открытой разработки рудных крутопадающих месторождений, является актуальной научной задачей.

Цель работы.

Обоснование и разработка методики определения параметров отвалов на горнотехническом этапе рекультивации, с учетом горно-

геологических особенностей крутопадающих рудных месторождений, выбранного направления рекультивации земель и ускоренного возврата нарушенных площадей, позволяющих повысить эффективность открытой разработки и достоверность проектных решений.

Идея работы. Определение параметров отвалов на горнотехническом этапе рекультивации должно базироваться на разработанной методике, учитывающей горнотехнические особенности открытой разработки крутопадающих рудных месторождений, принятое направление использования восстанавливаемых земель, обеспечивающей повышение эффективности проектных решений.

Основными задачами работы являются:

• Анализ и обобщение опыта проектирования и проведения горнотехнического этапа рекультивации карьеров, отрабатывающих рудные крутопадающие месторождения.

• Обоснование оптимальных форм рельефа для проектируемого направления использования рекультивируемых земель, определяемых характеристикой техногенных условий нарушенных земель и сложностью их подготовки.

• Разработка методики оценки эффективности проектных решений при реализации различных способов и последовательности проведения работ горнотехнического этапа рекультивации нарушенных горными работами земель.

• Определение параметров отвалов на горнотехническом этапе рекультивации при проектировании открытой разработки крутопадающих рудных месторождений с учетом направления последующего использования восстанавливаемых территорий.

Научная новизна:

1. Обоснован вид критерия и разработана методика оценки эффективности проектных решений при реализации различных способов и последовательности проведения работ горнотехнического этапа рекультивации нарушенных горными работами земель при открытой разработке рудных месторождений;

2. Установлена аналитическая зависимость расстояния между конусами потенциально плодородного слоя почвы (ПСП), размещаемого на рекультивируемом отвале при сплошном землевании, от

вместимости ковша погрузчика или кузова автосамосвала и мощности наносимого ПСП;

3. Обоснован понижающий коэффициент при расчете производительности бульдозерного оборудования, занятого на горнотехнической рекультивации в условиях Севера.

Основные защищаемые положения:

1. Определение параметров отвалов должно проводиться по разработанной методике, с учетом требований к морфологии выбранного направления рекультивации, горнотехнических особенностей открытой разработки рудных крутопадающих месторождений, обеспечивающих повышение экономической эффективности и достоверности проектных решений;

2. Эффективность проектных решений по горнотехническому этапу рекультивации следует оценивать по разработанной методике, учитывающей различные виды затрат при реализации способов и последовательности проведения работ по восстановлению нарушенных горными работами земель, с учетом особенностей открытой разработки рудных крутопадающих месторождений и требований к морфологии установленного направления рекультивации;

3. При обосновании рационального комплекса оборудования для рекультивации отвалов в условиях Севера целесообразно принимать вид оборудования, используемого в период эксплуатации карьера, производительность которого следует определять по разработанной методике с учетом горно-геологических, климатических факторов, мощности ПСП и ППП, расстояния перемещения пород, обеспечивающей повышение эффективности и достоверности проектных решений.

Методы исследований: Общей теоретической и методологической основой работы является комплексный подход, включающий анализ и обобщение фундаментальных исследований авторов в области проектирования карьеров. В качестве основных методов исследований использовались геоинформатика и моделирование на персональных компьютерах; системный анализ при исследовании показателей работы карьеров; методы математической статистики, теории вероятностей, классические экономические и финансовые теории и методы рыночной модели хозяйствования.

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

Практическая значимость работы:

Разработана методика определения параметров отвалов на горнотехническом этапе рекультивации, с учетом выбранного направления восстановления нарушенных горными работами земель, горнотехнических особенностей открытой разработки рудных месторождений, обеспечивающих повышение эффективности и достоверности проектных решений.

Методики и проектные решения, полученные в результате исследований, могут быть внедрены в проектных организациях и на карьерах, отрабатывающих рудные крутопадающие месторождения.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы в целом и отдельные ее положения докладывались, обсуждались и получили одобрение на конференции «Освоение минеральных ресурсов СЕВЕРА: проблемы и решения» (Воркута, 2011, 2012, 2013 гг.), международном форуме молодых ученых «Проблемы недропользования (Санкт-Петербург, 2012), на заседаниях кафедры Разработки месторождений полезных ископаемых Национального минерально-сырьевого университета «Горный». Получены решения о выдаче патента на изобретение от 19.07.2012 №2012130542/28(047965), от 17.07.2012 №2012131034/28(048892), от 10.08.2012 №2012134411/28(054971).

Исследования выполнялись в рамках государственного контракта № 02.740.11.0695 «Создание геомеханически и экологически безопасных малоотходных способов разработки рудных месторождений открытым способом в сложных гидрогеологических условиях» (шифр заявки «2010-1.1-224-041-019») в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы, мероприятие 1.1 - V очередь

«Проведение научных исследований коллективами научно-образовательных центров в области экологически безопасных разработок месторождений и добычи полезных ископаемых».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ, из них 2 в изданиях, рекомендуемых ВАК Минобрнауки России.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит 189 страниц, 31 таблицу, 50 рисунков и список литературы из 154 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе проведён анализ литературных источников по теории проектирования горно-технических систем, опыта проектирования и разработки карьеров-аналогов, проведению горнотехнической рекультивации при проектировании рудных крутопадающих месторождений. Представлены современные тенденции в исследованиях критериев и методов определения параметров горнотехнического этапа рекультивации.

Во второй главе проведён анализ изменения площади основания одноярусного, двухъярусного и трёхъярусного отвалов от формы основания отвала, дан анализ изменения объема ПСП для нанесения на спланированную поверхность отвала при различной форме основания для принятого направления рекультивации. Проведен анализ изменения расстояния между навалами ПСП на спланированную поверхность от мощности наносимого слоя и технических характеристик используемого оборудования. Предложена технология нанесения плодородного слоя почвы на рекультивируемую поверхность.

В третьей главе приведён вид критерия и разработана методика оценки эффективности проектных решений при реализации различных способов и последовательности проведения работ горнотехнического этапа рекультивации нарушенных горными работами земель при открытой разработке рудных месторождений. Обоснован ввод поправочного коэффициента производительности от 1 до 3 в зависимости от типа оборудования и мощности плодородного слоя. Проведен анализ проектных решения по выбору технологических схем ведения рекультивационных работ.

В четвертой главе получены результаты расчета предлагаемого метода горнотехнической рекультивации, проводимой

как основной технологический процесс - одновременно с формированием техногенного рельефа выработанного пространства и поверхности отвалов для условий открытой разработки рудного крутопадающего месторождения на примере Олимпиадинского месторождения ЗАО «Полюс».

Теоретической базой работы послужили труды в области открытой разработки месторождений, методологии проектирования карьеров и рационального недропользования таких учёных как: М.И. Агошков, А.И. Арсентьев, Ю.И. Анистратов, Ж.В. Бунин, С.Е. Гав-ришев, В.А. Галкин, A.B. Гальянов, Ф.Г. Грачев, В.Д. Горлов, С.А. Ильин, Ю.Е. Капутин, Ю.Г. Карасев, В.В. Квитка, B.C. Коваленко, В.Ф. Колесников, C.B. Корнилков, А.Н. Косолапов, H.A. Мацко, Н.В. Мельников, H.H. Мельников, В.В. Ржевский, С.П. Решетняк, И.И. Русский, О.Н. Салманов, Я.Г. Семикобыла, В.И. Сметанин, П.И. То-маков, К.Н. Трубецкой, Ф.П. Федорко, С.И. Фомин, Г.А. Холодня-ков, B.C. Хохряков, В.Г. Шитарев, H.H. Чаплыгин, Б.П. Юматов, B.JI. Яковлев и многие другие.

Основные результаты исследований отражены в следующих защищаемых положениях:

Применяемые технологические схемы складирования вскрышных пород во внешние отвалы должны удовлетворять следующим основным требованиям:

• предусматривать укладку в отвалы максимально возможного объема вскрышных пород наиболее производительным валовым способом;

• возможность селективной укладки вскрышных пород в соответствии с их пригодностью для биологической рекультивации;

• уменьшение объема горно-планировочных работ при технической рекультивации нарушенных земель.

Параметры отвалов должны обеспечивать наибольшую эффективность использования земельного отвода, занимая минимальную площадь для складирования максимального объема вскрышных пород. Выполнение данного условия позволит уменьшить площадь отчуждения земель под горный отвод и негативное влияние на окружающую среду.

Площадь основания отвала прямоугольной формы, м2

(/г-сГ£/? +

5=-

■ С к .

ОТВ р

(1)

где \Votb ~ объем пород, подлежащих размещению в отвале за срок его существования, м3; кр - коэффициент разрыхления пород в отвале (1,05 - 1,2); /г - высота отвала, м; С - коэффициент формы отвала, характеризующий отношение длины отвала к ширине.

Площадь основания отвала основание, которого имеет форму эллипса, м"

5 =

^отв 'кр'с П ■ к

(2)

На рисунке 1 схематически представлена откосная часть двухъярусного отвала в разрезе.

Рисунок 1 - Схема откосной части двухъярусного отвала где Ь - высота яруса отвала, м; (3 - угол откоса яруса отвала; В - ширина террасы, м; (X - результирующий угол откоса отвала

Площадь основания двухъярусного отвала прямоугольной

формы, м"

(В + 2И-а§/3 +

Б = -

- 1с ' С . ,

--(В + И-^ру-у

2И

5 = -

(4)

Площадь двухъярусного отвала с основанием эллипс, м л-(В + 2котв ■ сщр +

5 = -

Жтя-к С

--(В + котв-аё/3)2)

_ЕЛ_ , (5)

4 С

^отв-кр-С | я-с^а

тг-Н_2_

(6)

На рисунке 2 схематично представлена откосная часть трехъярусного отвала в разрезе.

Рисунок 2 - Схема откосной части трехъярусного отвала Площадь основания трёхъярусного отвала прямоугольной

формы, м~

5 = -

13№ к С

(6В + 9И ■ + ,—--24(5 + А • с/^)2 )2

(7)

9 С

5 = -

(8)

На рисунке 3 представлен график зависимости разности площади основания трехъярусного отвала и площади основания трехъярусного отвала квадратной формы от объема пород в теле отвала.

А /// /г.- Л

/// // .V у,

/ л ■г

// А /г * / <>У //Л» г

а-*'

* 7 .Л ..-у V

Г л 'л/

■У

/ 1 1

/ у I :

✓ У

— Прямоугольное основание 1г= 15; С—1,5 —а • Прямоугольное

основание Ь= 15; С=2

—* • Основание эллипс 11=15; С—1

—■— Основание эллипс 11=15; С—1,5

— * - Основание Ь=15; С—2

—•— Прямоугольное основание Ь-=20; С=1,5 —*■ - Прямоугольное

основание Ь=20; С=2

--Основание эллипс

Ь=20; С=1

-- Основание эллипс

Ь=20; 01,5

>•• Основание эллипс 11=20; С—2

■ •• Прямоугольное

основание Ь=30; С—1,5 ->■ - Прямоугольное

основание Ь=30; С=2

■ — Основание эллипс

Ь=30; С=2

«" Основание эллипс 11=30; 0=1.5

Основание эллипс 11=30; С=2

Объем пород, подлежащих размещению в отвале за срок его существования, млн. м3

Рисунок 3 - График зависимости разности площади основания трехъярусного отвала и площади основания трехъярусного отвала квадратной формы от объема пород в теле отвала

Анализ изменения площади основания одноярусного, двухъярусного и трёхъярусного отвала при постоянных значениях высоты и ёмкости отвала показывает, что значение минимум занимаемой площади (5 —>гшп) реализуется при условии формирования основания отвала в форме эллипса, при соразмерности длин полуосей основания отвала (С —> тах ).

Общие затраты на горнотехническую рекультивацию территорий, нарушенных открытыми горными работами, руб.

Зрек ~ + Зпот + Зпл + Зтр + Звьт + 3ТЕР + 3от + Зшф > (9)

где Зс - затраты по снятию ПСП, руб.; 3Пот - затраты на погрузку ПСП, руб.; Зпл - затраты на планировку рекультивируемых площадей, руб.; Зтр - затраты на транспортирование ПСП, руб.; 3Вып - затраты на выполаживание откосов, руб.; 3Тер - затраты на террасирование откосов, руб.; 30т - затраты на планировку ПСП на откосах и террасах отвала, руб.; 3ИНФ - затраты на создание инфраструктуры рекультивируемого объекта (подъездные дороги, защитные полосы и

др.), руб.

3РЕК = С, ¿(5, • т, ■ кпсп) + УПот ■ Сп • К„ + Упл (1 + кпл )СПЛ +

(10)

+ Г-СТР-ЬТР- ¿(5,. • т. ■ кпсп) + Увып ■ Свып + УТЕР ■ СТЕР +

спо-(Уот+уп)+сд-±ьдерА

/-1

где Су - удельные затраты на проведение работ по снятию ПСП, руб./м3; 5,- - площадь ¡-го участка горного отвода, м2; т, - мощность ПСП, м; кПсп - коэффициент потерь ПСП (0,9); п - число участков;

У пот - объем ПСП, погружаемый в транспортные средства, м ; у -плотность пород ПСП, т/м3; Упл - объем планировки площади рекультивации, м3; кПл - коэффициент снижения объема вторичной планировки (кПл = 0,2-5-0,3); СПл - удельные затраты на планировку, руб./м3; Сп - удельные затраты на погрузку в транспортные средства, руб./м ; кКР - коэффициент кратности транспортирования; Срр -удельные затраты на транспортную работу, руб./км; ЬТр - дальность транспортирования ПСП, км; Увып - объем работ по выполаживанию откосов, м3; СВып - удельные затраты на выполаживание откосов, руб./м3; УТЕр - объем работ по террасированию откосов, м3; СТЕР -удельные затраты на террасирование откосов, руб./м3; Спо - удельные затраты на планировку ПСП га откосах и террасах отвала, руб./м3; У от - объем работ по планировке ПСП на выположенных откосах отвала, м3; Ут - объем работ по планировке ПСП на террасах отвала, м3; Ьдор1 - длина дороги к рекультивируемому участку ьму участку, км; Сд - удельные затраты на строительство дороги, руб./км.

На рисунке 4 представлен график зависимости затрат на террасирование откосов отвала 3Вт и планировку на террасах 30т от угла выполаживания а, ■

1400

1200

1000

800

600

400

200

Ж— *

Сел ьско-хозя йствен ное направление

* _

— _

••*••*-•)( -х- ос —ж • -ж •

Звт Зот

*- • К— Ж- —*

Лесо-хозяйственное направление Угол выполаживания, град.

Лесо-хозяйственное, санитарно-гигиеническое направление

Рисунок 4 - График зависимости затрат на террасирование откосов отвала ЗВТ Звт и планировку на террасах 3от от угла выполаживания а,

Расчеты проведены для 2-х ярусного квадратной формы основания отвала, со стороной 100 м, с высотой яруса Ь = 10 м, с углом естественного откоса яруса отвала ах = 30° и шириной террасы Ь = 10 м, бульдозерное оборудование ЧЕТРА Т9.

Установлено, что объем работ по выполаживанию и террасированию откосов отвалов в конечном положении (где работы по формированию закончены) в 10 раз больше по сравнению объемами работ по выполаживанию и террасированию, проводимых в процессе формирования отвалов с учетом рекультивации.

Для обеспечения требований по безопасности к морфологии рекультивируемых откосов угол выполаживания не должен превышать угла естественного откоса.

3. При обосновании рационального комплекса оборудования для рекультивации отвалов в условиях Севера целесообразно принимать вид оборудования, используемый в период эксплуатации карьера, производительность которого следует определять по разработанной методике с учетом горно-геологических, климатических факторов, мощности ПСП и ППП, расстояния перемещения пород, обеспечивающей повышение эффективности и достоверности проектных решений.

Производительность бульдозера при проведении работ по снятию и перемещению плодородного слоя почвы, м3/ ч

60 ПП £) = у---к к ■к ,

^ у, укл п и'

где <2 - производительность бульдозера при выемке и перемещении, м /ч; V - объем перемещения грунта за рабочий цикл, м3; Тц - продолжительность рабочего цикла (мин.); кукл - коэффициент, учитывающий уклон на участке работы; к„ - коэффициент потерь грунта в процессе его перемещения; ки - коэффициент использования бульдозера во времени.

На рисунке 5 представлен график зависимости производительности ряда моделей отечественных бульдозеров от мощности срезаемого почвенного слоя.

я 2500

& 2000

—ЧЕТРА Т9 - ЧЕТРА Т15 "й— ЧЕТРА Т25 ...*.. ЧЕТРА 40 —*■ Т-800 • ж —1'

—'

* ...*...... ..... .....*

У у —1*"" ---^ —

х" Г ^ «■ " _ -» — —в— 1- — -

.../-¿Г- -

0,1

0,2 0,3 0,4 0,5

Мощность снимаемого слоя, м

0,6

0,7

Рисунок 5 - График зависимости производительности бульдозера от мощности срезаемого слоя

Расчеты произведены с учетом параметров бульдозерного отвала, максимального заглубления отвала, таблица 1.

Таблица 1 - Максимальное заглубление отвала бульдозера

Наименование оборудования ЧЕТРА Т9 ЧЕТРА Т15 ЧЕТРА Т25 ЧЕТРА Т40 Т-800

Максимальное заглубление отвала, см 55 55 70 75 73

Анализ данных, представленных на графике, рисунок 6, показывает, что производительность бульдозера возрастает с увеличением мощности снимаемого плодородного слоя до уровня максимального заглубления отвала.

На рисунке 6 представлен график зависимости коэффициента производительности (отношения производительности бульдозерного оборудования, занятого на горнотехнической рекультивации, при различной мощности плодородного слоя, к производительности бульдозерного оборудования, занятого на основных технологических

процессах) от мощности ПСП. Перемещение породы под откос про-водитоутри дальности перемещения L от 5 до 15 м.

ЧЕТРА Т9 (при Ь=5м.) ЧЕТРА Т15 (при Ь=5м.) -■•■■ ЧЕТРА Т25 (при L=5m.) --„-. ЧЕТРА Т40 (при L=5m.) •■•■■» — т - 800 (при L=5м.) -•о- ЧЕТРА Т9 (при ЫЮм.) — ЧЕТРА Т15 (приЫЮм.)

----ЧЕТРА Т25 (при Ъ=|0м.)

-----ЧЕТРА Т40 (при L^IOm.)

■♦••■■ Т 800 (при ЫО» )

ЧЕТРА Т9 (при UI5M.) * ЧЕТРА Т15 (при 1^15м.) ЧЕТРА Т25 (при L^I5m.) --»-. ЧЕТРА Т40 (при Ь=15м.) •■•■«■■■■ т 800 (при Ы15м.)

0.2 0,4 0 6

Мощность ПСП, м

........... ........................

Рисунок 6 - График зависимости коэффициента производительности бульдозерного оборудования от мощности ПСП

Таким образом, производительность бульдозерного оборудования, занятого на горнотехнической рекультивации, по отношению к производительности того же оборудования на основных технологических процессах, при разработке рудных месторождений, может увеличиваться в 1,5-3 раза, в зависимости от увеличения мощности плодородного слоя.

Анализ результатов работы горного оборудования в условиях Севера показал, что из-за неблагоприятного воздействия природно-климатических факторов снижается уровень надежности, коэффициент использования машин, увеличиваются эксплуатационные затраты. Средневзвешенный коэффициент использования составляет: для карьерных экскаваторов - 0,51; гидравлических погрузчиков - 0,52; буровых станков - 0,48; бульдозеров - 0,42.

Необходимо учитывать и характеристики снимаемого ПСП и потенциально плодородных пород (ППП), в частности, мощность

слоя, не превышающая 0,3 м, влияет на выбор модели бульдозерного оборудования.

Исходя из анализа данных по фактической производительности бульдозерного оборудования, использование высокопроизводительной бульдозерной техники не целесообразно при мощности ПСП и ППП менее 0,3 м. При применении на рекультивации карьерной техники, используемой в основных производственных процессах, для расчета эксплуатационной производительности необходимо вводить поправочный понижающий коэффициент селективного снятия ПСП и ППП, зависящий от мощности ПСП и ППП

K=f{mnc), (12)

где км - коэффициент селективного снятия ПСП и ППП; тпс - мощность ПСП и ППП, м.

Так для работ по снятию ПСП и ППП с мощностью ,Ппс >0,2

м (общий случай, рекомендованный для снятия и складирования в инструкциях по проведению горнотехнической рекультивации), км = 1; для случаев когда тПс < 0,2 м, (как для рассматриваемых условий Севера), kKt= 0,7.

Следовательно, для определения эксплуатационной производительности бульдозера на работах по снятию ПСП и ППП в условиях Севера необходимо использовать поправочные понижающие коэффициенты ки и км, учитывающие влияние низкого температурного режима на надежность работы и мощность снимаемого ПСП и ППП

Q =Q ■ к.. ■ к,,, (13)

эагп.7 *~теор ¡1 м

где ки - коэффициент использования горного оборудования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в которой содержится решение актуальной задачи обоснования и разработки методики определения оптимальных параметров отвалов на горнотехническом этапе рекультивации, с учетом горногеологических особенностей крутопадающих рудных месторождений,

выбранного направления рекультивации земель и ускоренного возврата нарушенных площадей для использования в народном хозяйстве, обеспечивающих повышение эффективности и достоверности реализации проектных решений.

Основные научные и практические выводы:

1. В результате анализа литературных источников по теории проектирования горно-технических систем, опыта проектирования и разработки карьеров-аналогов, доказана необходимость разработки и совершенствования методики определения оптимальных параметров отвалов на горнотехническом этапе рекультивации территорий нарушенных при открытой разработке рудных крутопадающих месторождений.

2. Анализ изменения площади основания одноярусного, двухъярусного и трёхъярусного отвалов при постоянных значениях высоты и ёмкости отвала показывает, что значение минимум занимаемой площади (5 —»min) реализуется при условии формирования основания отвала в форме эллипса, при соразмерности длин полуосей основания отвала (С шах)

3. При проведении горнотехнической рекультивации основание отвала целесообразно формировать на горизонтальном или слабонаклонном основании в форме эллипса, с соразмерностью длин полуосей > 1.

4. Рациональная технология нанесения плодородного слоя почвы на рекультивируемую поверхность отвала обеспечивается при условии выполнения работ в соответствии с размерами рекультивируемой площади, параметрами применяемого оборудования и мощностью наносимого слоя почвы.

5. Предложенная технология нанесения плодородного слоя почвы на рекультивируемую поверхность позволяет уменьшить объемы горно-планировочных работ и улучшить организацию рекультивации нарушенных земель.

6. Разработана методика определения необходимого объема плодородных пород, размещаемого на поверхность одно-, двух-, трехъярусного отвала, с учетом морфологических особенностей его формирования, мощности рекультивационного слоя и выбранного направления рекультивации.

7. Минимальные объемы нанесения плодородных и потенциально плодородных пород, при постоянной мощности рекультива-ционного слоя, обеспечиваются при формировании многоярусных отвалов округлой или прямоугольной формы основания.

8. Обоснован вид критерия и разработана методика оценки эффективности проектных решений при реализации различных способов и последовательности проведения работ горнотехнического этапа рекультивации нарушенных горными работами земель при открытой разработке рудных месторождений.

9. Установлена аналитическая зависимость расстояния между конусами потенциально плодородного слоя почвы (ПСП), размещаемого на рекультивируемом отвале при сплошном землевании, от вместимости ковша погрузчика или кузова автосамосвала и мощности наносимого ПСП.

10. Доказана целесообразность при расчете производительности бульдозерного оборудования, занятого на горнотехнической рекультивации, ввода поправочного коэффициента производительности от 1 до 3 в зависимости от типа оборудования и мощности плодородного слоя.

11. Технология горных работ должна предусматривать опережающее снятие ПСП с нарушаемых земель. Расстояние опережающей разработки ПСП по отношению к верхнему вскрышному уступу (нижнему ярусу внешнего отвала) должно быть не менее ширины вскрышной (отвальной) заходки и не более годового подвигания фронта вскрышных (отвальных) работ. ПСП и ППП снимаются раздельно. Не целесообразно снятие ПСП мощностью менее 10 см на участках, занятых лесом и при сложном микрорельефе местности (в этом случае ПСП снимается вместе с подстилающим ППП).

12. Доказано, что производительность бульдозерного оборудования, занятого на горнотехнической рекультивации (снятии ПСП и ППП и планировке ПСП и ППП), по отношению к производительности того же оборудования на основных технологических процессах, при разработке рудных месторождений, может увеличиваться в 1,5-3 раза, в зависимости от увеличения мощности плодородного слоя.

13. Установлено, что объем работ по выполаживанию и террасированию откосов отвалов в конечном положении (где работы по формированию закончены) в 10 раз больше по сравнению объемами работ по выполаживанию и террасированию, проводимых в процессе формирования отвалов с учетом рекультивации.

14. Для обеспечения требований по безопасности к морфологии рекультивируемых откосов угол выполаживания не должен превышать угла естественного откоса.

Реализация предлагаемого метода горнотехнической рекультивации, проводимой как основной технологический процесс - одновременно с формированием техногенного рельефа выработанного пространства и поверхности отвалов для условий открытой разработки рудного крутопадающего месторождения позволяет получить приведенный экономический эффект (за период оценки 21 год) в размере 142,46 млн. руб.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

- в изданиях, рекомендуемых ВАК Минобрнауки России:

1. Маринин, М.А. Технико-экономическая оценка реализации проектов горнотехнической рекультивации / М.А. Мариин // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2014. - № 3 - С 228 -231.

2. Русак, O.E. Определение параметров складов горных пород с учетом выбранного направления горнотехнического этапа рекультивации / O.E. Русак, М.А. Маринин, Ю.А. Комаров // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2013. -№ 1 - С.401-405.

- в остальных изданиях:

3. Маринин, М.А. Обоснование параметров производительности бульдозерной техники на горнотехническом этапе рекультивации в условиях крайнего севера / М.А. Маринин // Известия Тульского государственного университета Науки о земле. - 2012. - Выпуск 2. -С. 31-35.

РИЦ Горного университета. 22.04.2014. 3.322. Т.100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Маринин, Михаил Анатольевич, Санкт-Петербург

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

На правах рукописи

л/л л* /. соа? £

V "Г V I "Т => / / _1Т

МАРИНИН МИХАИЛ АНАТОЛЬЕВИЧ

Специальность 25.00.21 — Теоретические основы проектирования

горнотехнических систем

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель — доктор технических наук Фомин С.И.

Санкт-Петербург-2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

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

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ГОРНОТЕХНИЧЕСКОЙ РЕКУЛЬТИВАЦИИ НАРУШЕННЫХ ГОРНЫМИ РАБОТАМИ ТЕРРИТОРИЙ. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.......................5

1.1 ЦЕЛЬ, ИДЕЯ И ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ РАБОТЫ..................................................................5

1.2 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ГОРНОТЕХНИЧЕСКОЙ РЕКУЛЬТИВАЦИИ РУДНЫХ КАРЬЕРОВ И ОТВАЛОВ.........................................................12

1.3 ОБОСНОВАНИЕ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ МЕТОДОВ ПРОВЕДЕНИЯ ГОРНОТЕХНИЧЕСКОГО ЭТАПА РЕКУЛЬТИВАЦИИ РУДНЫХ КАРЬЕРОВ......................37

2 АНАЛИЗ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ОТВАЛОВ НА ГОРНОТЕХНИЧЕСКОМ ЭТАПЕ РЕКУЛЬТИВАЦИИ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ОТКРЫТОЙ РАЗРАБОТКИ РУДНЫХ КРУТОПАДАЮЩИХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ....................................................................................44

2.1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ОТВАЛОВ ПО КРИТЕРИЮ МИНИМУМ ЗАНИМАЕМОЙ ПЛОЩАДИ..................................................................................44

2.2 ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ НАВАЛОВ ПЛОДОРОДНОГО СЛОЯ ПОЧВЫ НА ГОРНОТЕХНИЧЕСКОМ ЭТАПЕ РЕКУЛЬТИВАЦИИ.............................................................67

2.3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ НЕОБХОДИМОГО ОБЪЁМА ПЛОДОРОДНЫХ ПОРОД ДЛЯ РАЗМЕЩЕНИЯ НА ПОВЕРХНОСТИ ОТВАЛА.........................................................................82

2.4 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2.............................................................................................................95

3 ОБОСНОВАНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ГОРНОТЕХНИЧЕСКОГО ЭТАПА РЕКУЛЬТИВАЦИИ РУДНЫХ КАРЬЕРОВ.........................................................................................................................96

3.1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ БУЛЬДОЗЕРНОГО ОБОРУДОВАНИЯ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ГОРНОТЕХНИЧЕСКОГО ЭТАПА РЕКУЛЬТИВАЦИИ РУДНЫХ КАРЕРОВ.......................................................................................................................96

3.2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ГОРНОТЕХНИЧЕСКОЙ РЕКУЛЬТИВАЦИИ НАРУШЕННЫХ ГОРНЫМИ РАБОТАМИ ЗЕМЕЛЬ..........................................................................................................................................109

3.3 АНАЛИЗ ПРОЕКТНЫХ РЕШЕНИЙ ПО ВЫБОРУ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ ВЕДЕНИЯ РЕКУЛЬТИВАЦИОННЫХ РАБОТ..........................................................................118

3.4 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3..........................................................................................................129

4 РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРИ РЕКУЛЬТИВАЦИИ ТЕРРИТОРИЙ ОТКРЫТОЙ РАЗРАБОТКИ РУДНОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ В УСЛОВИЯХ СЕВЕРА........130

4.1 КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МЕСТОРОЖДЕНИЯ АНАЛИЗ ГОРНОГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ МЕСТОРОЖДЕНИЯ..............................................................130

4.2 ТЕХНОЛОГИЯ ВЕДЕНИЯ ГОРНЫХ РАБОТ ПО РЕКУЛЬТИВАЦИИ ОТВАЛОВ........136

4.3 ОЦЕНКА ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНИЧЕСКОГО ЭТАПА РЕКУЛЬТИВАЦИИ НАРУШЕННЫХ ЗЕМЕЛЬ.........................................................................148

4.4 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4..........................................................................................................169

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................................................................................................................171

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..................................................................................................................174

ВВЕДЕНИЕ

Рост промышленного производства и увеличение численности населения приводит к интенсификации негативного воздействия на окружающую среду. Под влиянием развития горнодобывающей промышленности произошли заметные изменения в поверхностной части атмосферы и в первую очередь в почвенном слое земли.

На современном этапе научно-технического прогресса охрана природы и рациональное использование природных ресурсов становится одной из важнейших задач общества. Особое значение приобретает проблема рационального использования земельных ресурсов.

Основной рост объемов добычи полезных ископаемых осуществляется за счет развития открытого способа ведения горных работ. К негативным последствиям открытых разработок относится изъятие значительных земельных площадей и их нарушение при ведении горных работ, изменение гидрогеологических условий и его ландшафтов, развитие эрозионных процессов, а также перемешивание пород с выносом на поверхность неплодородных и даже токсичных пород.

В процессе горного производства образуются и быстро увеличиваются площади, нарушенные горными разработками, отвалами пород и отходов переработки, которые в свою очередь представляют собой техногенные территории, отрицательно влияющие на окружающую среду.

При отвалообразовании вскрышные породы, как правило, отсыпают без учета пригодности их для рекультивации, а при формировании внешних отвалов не всегда учитывают требования рационального землепользования и выбранного направления рекультивации.

Все нарушенные земли являются опасным источником заражения больших площадей токсичными элементами и тяжелыми металлами в формах, доступных для животных и человека. Эти геохимические нарушенные земли часто значительно (в несколько раз) превышают площади механически разрушенных почв и грунтов.

Таким образом, предупреждение и снижение вредного воздействия горнодобывающей промышленности на земельные ресурсы, устранение последствий разрушения и загрязнения почв, восстановление продуктивности и плодородия этих земель, то есть их рекультивация, приобретают все большее хозяйственное, социально-экономическое и экологическое значение, особенно в промышленных районах с большой плотностью населения.

Нарушенными считаются земли, утратившие свою хозяйственную ценность или являющиеся источником отрицательного воздействия на окружающую среду в связи с нарушением почвенного слоя, гидрогеологического режима и образованием техногенного рельефа.

Согласно требованиям Закона Российской Федерации "О недрах", природоохранного и земельного законодательства участки земли и другие природные объекты, нарушенные горными разработками, должны быть приведены в состояние, пригодное для их дальнейшего использования.

Основным способом восстановления природных систем является рекультивация нарушенных земель. Это система технологических и биологических мероприятий, позволяющая сформировать на месте нарушенных земель участок территории с заданными параметрами почвенно-экологической и хозяйственной эффективности.

В процессе рекультивации территорий, нарушенных горными разработками, различают два этапа - горнотехнический и биологический. Выбор технологии проведения горнотехнической рекультивации зависит от направления последующего использования рекультивированных земель.

В зависимости от целей последующего использования рекультивированных земель в народном хозяйстве нарушенные земли классифицируются по направлениям рекультивации. Рассмотрение вопросов рекультивации карьера и отвалов является обязательной частью проектной документации. Обоснованные проектные решения по параметрам горнотехнического этапа рекультивации позволяют повысить экономическую эффективность реализации проекта, получить экологический и социальный эффект.

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ГОРНОТЕХНИЧЕСКОЙ РЕКУЛЬТИВАЦИИ НАРУШЕННЫХ ГОРНЫМИ РАБОТАМИ ТЕРРИТОРИЙ. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 ЦЕЛЬ, ИДЕЯ И ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ РАБОТЫ

Актуальность работы. Проектирование горнотехнической рекультивации нарушенных земель на месторождениях полезных ископаемых должно осуществляться в соответствии с требованиями инструктивно-методических документов и научно обоснованных рекомендаций.

В соответствии с действующим законодательством предприятия, организации и учреждения, разрабатывающие месторождения полезных ископаемых и торфа, проводящие геологоразведочные, изыскательские, строительные и иные работы на сельскохозяйственных и других землях или лесных угодьях обязаны по завершении работ на этих землях за свой счет приводить их в состояние, пригодное для использования в сельском, лесном, рыбном хозяйстве, строительстве или для иного целевого назначения.

Предприятия, организации и учреждения при проведении указанных работ обязаны также снимать, хранить и наносить плодородный или потенциально плодородный слой почвы на рекультивируемые земли или на малопродуктивные угодья.

Горнодобывающие предприятия, проводящие работы, которые оказывают отрицательные воздействия на сельскохозяйственные, лесные и другие угодья за пределами предоставленных земельных участков, обязаны предусматривать и осуществлять мероприятия по предотвращению или максимально возможному ограничению отрицательных воздействий.

Работы технического этапа рекультивации на отработанных территориях должны начинаться не позже чем через 1 год после окончания добычных работ.

Рекультивационные работы на землях, нарушенных или подлежащих нарушению открытыми горными разработками, следует проводить по специальному проекту, составленному на основе изучения и анализа данных, характеризующих природные физико-геологические условия местности, хозяйственные, социально-

экономические и санитарно-гигиенические условия района технологию ведения восстановительных работ, экономическую целесообразность и социальный эффект от рекультивации и согласованному с органами государственного надзора.

Карьеры, действующие многие годы, до сих пор не имеют проектов рекультивации, либо они были составлены более 20 лет назад и в силу этого далеки от реальной ситуации в развитии горных работ, поэтому нуждаются в корректировке. Наиболее затратной частью является горнотехнический этап рекультивации, связанный с планировкой поверхности, выполаживанием откосов, снятием и размещение плодородного слоя почвы и другими горных видами работ. В настоящее время при разработке проектов рекультивации и выборе технологии её проведения необходимо исходить из перспектив территориального планирования.

Проекты рекультивации территорий нарушенных в процессе добычи полезных ископаемых, должны предусматривать минимальное отчуждение земель для нужд собственно закрытия горного предприятия, сохранение и рациональное использование почвенного слоя, максимальное восстановление нарушенных участков и возвращение их в пользование арендодателю. Утвержденный проект рекультивации обязателен для рационального использования земельных ресурсов каждым горным предприятием.

Проведение технической рекультивации в процессе эксплуатации карьера, с учётом выбранного направления рекультивации, позволяет осуществлять работы за счет основной деятельности предприятия, сократить платежи за аренду территорий и выбросы загрязняющих веществ, затраты на проведение восстановления нарушенных земель.

сложность технических и экологических процессов, связанных с разработкой недр и восстановлением нарушаемых при этом земель отличаются широким разнообразием.

Производство рекультивационных работ следует технологически увязывать со структурой комплексной механизации основных горных работ, сроком эксплуатации и стадиями развития карьера. Технический этап рекультивации рассматривается как неотъемлемая часть горной технологии, и учет требований рекультивации на этом этапе обеспечивает создание наиболее благоприятных условий для последующего освоения нарушенных земель. При разработке крутопадающих рудных месторождений карьерами, как правило, рекультивация выработанного пространства заключается в очистке территории от техногенных остатков, приведение её в безопасное состояние или затопление карьера при прекращении водоотлива.

При этом рекультивация внешних отвалов проводится после завершения или на заключительном этапе отвалообразования. Проектирование и формирование отвалов осуществляется без учета требований к параметрам горнотехнической рекультивации

Выбор схем вскрытия месторождений, систем разработки, размещения внешних отвалов, их параметров и технологии отсыпки должен производиться в тесной увязке с ландшафтной организацией территории, установлением очередности рекультивации отдельных объектов и последующих направлений использования рекультивируемых земель на основе технико-экономического сравнения вариантов. Необходимо, чтобы рекультивация нарушенных земель имела системный характер в течение всего периода эксплуатации недр горным предприятием, а не на стадии его закрытия.

Таким образом, разработка и обоснование методики определения параметров отвалов на горнотехническом этапе рекультивации при проектировании карьеров, с учётом горнотехнических и горно-геологических особенностей открытой разработки рудных крутопадающих месторождений, является актуальной научной задачей.

Цель работы. Обоснование и разработка методики определения параметров отвалов на горнотехническом этапе рекультивации, с учетом горногеологических особенностей крутопадающих рудных месторождений, выбранного направления рекультивации земель и ускоренного возврата нарушенных площадей, позволяющих повысить эффективность открытой разработки и достоверность проектных решений.

Задачи исследования:

в Анализ и обобщение опыта проектирования и проведения горнотехнического этапа рекультивации карьеров, отрабатывающих рудные крутопадающие месторождения.

Научная новизна:

1. Обоснован вид критерия и разработана методика оценки эффективности проектных решений при реализации различных способов и последовательности

проведения работ горнотехнического этапа рекультивации нарушенных горными работами земель при открытой разработке рудных месторождений.

2. Установлена аналитическая зависимость расстояния между конусами потенциально плодородного слоя почвы (ППС), размещаемого на рекультивируемом отвале при сплошном землевании, от вместимости ковша погрузчика или кузова автосамосвала и мощности наносимого ППС.

Информация о работе

Маринин, Михаил Анатольевич
кандидата технических наук
Санкт-Петербург, 2014
ВАК 25.00.21

Диссертация

Определение параметров отвалов на горнотехническом этапе рекультивации при проектировании открытой разработки крутопадающих рудных месторождений - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы