Половинко Артем Владимирович. Обоснование малоотходной без взрывной технологии открытой разработки месторождений скальных горных пород с помощью гидравлических отбойных агрегатов

Короткий опис

Половинко Артем Владимирович. Обоснование малоотходной без взрывной технологии открытой разработки месторождений скальных горных пород с помощью гидравлических отбойных агрегатов: дис. ... кандидата технических наук: 25.00.22 / Половинко Артем Владимирович;[Место защиты: Санкт-Петербургском государственном горном университете].- Санкт-Петербург, 2012.- 141 с.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
Санкт-Петербургский государственный горный университет
На правах рукописи
Половинко Артем Владимирович

ОБОСНОВАНИЕ МАЛООТХОДНОЙ БЕЗВЗРЫВНОЙ
ТЕХНОЛОГИИ ОТКРЫТОЙ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
СКАЛЬНЫХ ГОРНЫХ ПОРОД С ПОМОЩЬЮ
ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ОТБОЙНЫХ АГРЕГАТОВ
Специальность 25.00.22 - Геотехнология (подземная,
открытая и строительная)
Диссертация
на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Холодняков Г.А.
Санкт-Петербург
2012
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 3
1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА РАЗРАБОТКИ
МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ С ПРИМЕНЕНИЕМ ГИДРОМОЛОТА 11
1.1 Современное состояние безвзрывного разрушения горных пород 11
1.2 Факторы, влияющие на первичную отбойку породы ударным
инструментом 35
1.3 Выводы 42
2. ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ
РАЗРУШЕНИЯ СКАЛЬНЫХ ПОРОД ГИДРОМОЛОТАМИ 43
2.1 Модель механического разрушения горных пород 43
2.2 Область применения гидромолотов при разрушении горных пород 68
2.3 Экспериментальные исследования 76
2.4 Выводы 86
3. ОБОСНОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ СНИЖЕНИЯ УРОВНЯ ПОТЕРЬ И
ЗАСОРЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ ПРИМЕНЕНИЯ БЕЗВЗРЫВНОЙ ТЕХНОЛО¬ГИИ РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД 88
3.1 Общие положение при подсчете потерь и засорения на горных
предприятиях 88
3.2 Составление схемы к определению уровня потерь и засорения при
применении гидромолота 94
3.3 Выводы 101
4. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРИМЕНЕНИЮ ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ
БЕЗВЗРЫВНОГО СПОСОБА РАЗРУШЕНИЯ КРЕПКИХ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ ОТКРЫТОЙ РАЗРАБОТКЕ 102
4.1 Технологические схемы постановки на уступе и отработки забоя
гидромолотом 102
4.2 Применение гидравлического агрегата на первичной отбойке в условиях
доломитового участка Шайдомского месторождения 113
4.3 Эколого-экономическая эффективность применения безвзрывной
технологии открытых горных работ с использованием гидромолотов 121
4.4 Выводы 130
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 131
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 133
з
ВВЕДЕНИЕ
Деятельность человека в области открытых горных работ связана с необходимостью снижения эксплуатационных потерь полезного ископаемого и загрязнения окружающей среды в процессе добычи.
Эксплуатационные потери образуются в основном при отбойке и выемке в зонах контактов между полезным ископаемым и вмещающей породой вследствие того, что некоторая часть полезного ископаемого оказывается примешанной к вмещающим породам и отгружается вместе с ними в породные отвалы.
В условия возрастающего использования сырьевых ресурсов извлечение полезных ископаемых из недр со сверхнормативными потерями обусловливает необходимость строительства новых горнодобывающих предприятий, предназначенных для компенсации недополученной продукции из-за потерь полезных ископаемых при добыче на существующих предприятиях, увеличения мощности компенсирующих предприятий или тех предприятий, где возрастает уровень потерь.
Помимо существенного экономического ущерба от потерь важно компенсировать их за счет увеличения мощностей по добыче и переработке компенсирующих предприятий, строительства новых предприятий, что ведет к отторжению новых земель и загрязнению окружающей среды отвалами. Поэтому снижение потерь на действующих горных предприятиях является одним из важнейших средств общего улучшения окружающей среды.
Кроме того, последствия потерь проявятся в будущем как результат утраты невозобновляемых ресурсов. Технологические потери полезного ископаемого при добыче и переработке неизбежны, однако их уровень должен быть регламентирован.
Таким образом, снижение потерь - одна из существенных экономических и экологических задач рационального использования недр. Размеры потерь
определяются множеством факторов, основными из которых являются: технология добычи; применение специального оборудования; организация необходимого режима опробования и контроль за полнотой выемки полезного ископаемого; соблюдение проектных направлений ведения горных работ и плановых объемов извлечения горной массы; технологическая дисциплина. В конечном итоге определяющим фактором является технология добычи.
Наряду с высоким уровнем потерь горнодобывающая промышленность характеризуется также и высоким уровнем загрязнения окружающей среды. Особенно четко это проявляется на открытых горных работах, проводимых с использованием буровзрывной технологии. При проведении массового взрыва на карьере в атмосферу выделяются СО, N2Os, причем загрязнения носит как местных, так и общих характер. При бурении скважин выделяется большое количество пыли. Кроме этого нельзя не отметить негативного сейсмического эффекта взрыва и сопровождающего его шума.
В последние годы в связи с ужесточением экологических требований и ростом экологической культуры населения при отработке отдельных месторождений логичным становится отказ от традиционного буровзрывного способа подготовки горной массы к выемке.
В зарубежной практике горного производства все большее распространение находит безвзрывной способ, при котором разрушение обрабатываемой среды из крепкого материала осуществляется путем нанесения на него ударных импульсов различной частоты и мощности, генерируемых специальными навесными гидравлическими молотами, которые устанавливаются на серийно выпускаемые гидравлические экскаваторы.
Прямым подтверждением перспективности такого способа разрушения горных пород является и расширяющееся производство гидромолотов. В настоящее время их производством занято более 50 фирм в различных странах, которыми выпускаются 670 различных типов гидромолотов.
Привлекательными для производителей горных работ при таком способе являются непрерывный цикл ведения горных работ, обеспечение визуального контроля над качеством отбитой горной массы, возможность селективной выемки и экологическая безопасность.
Экономическая целесообразность и себестоимость применения того или иного способа отбойки горной породы и соответствующей ей технологии, в частности безвзрывной, зависит от многих факторов и, в первую очередь, от физико-механических характеристик горной породы, ее прочности и трещиноватости. По данным исследований применение гидравлических молотов оправдано при разработке крепких и абразивных пород. Фактор трещиноватости, являющийся усложняющим при буровзрывном способе, при безвзрывном, наоборот, является благоприятным, способствующим эффективному разрушению массива. Себестоимость отбойки буровзрывным способом, как показывает практика, в зависимости от физико-механических свойств пород составляет 30-150 руб./м3, а в случае обводнения массива и более. При применении гидромолотов себестоимость составляет 20-30 руб./м3, при этом величина обводнения не влияет на себестоимость [53,82].
К основным достоинствам безвзрывной технологии разрушения горного массива, в частности при применении гидромолота, при сравнении с традиционной буровзрывной технологией можно отнести следующее:
- снижение уровня потерь за счет более тщательной проработки контактных зон «порода-руда» в 2-3 раза;
- возможность ведения селективной выемки различных сортов руды;
- снижение загрязнения окружающей среды в районе ведения горных работ за счет отсутствия выбросов вредных газов и пыли;
- отсутствие сейсмического эффекта, сопровождающего взрывные работы;
- снижение уровня шума;
- увеличение производительности труда как следствие ведения непрерывного производственного процесса, не свойственного для буровзрывной технологии;
- снижение себестоимости добычи полезного ископаемого за счет исключения расходов, связанных с БВР;
- улучшение качества продукции карьера - нет смешения сортов руд.
Таким образом, безвзрывная технология разработки месторождений
полезных ископаемых с использованием гидромолотов позволяет производить селективную выемку полезных ископаемых со значительным снижением их потерь, вести непрерывный контроль за качеством добытой руды, а также снижает негативное воздействие горных работ на окружающую среду, улучшает качество труда и безопасность горнорабочих.
Актуальность работы. В технологическом процессе добычи полезных ископаемых разрушение горных пород является первичной и одной из наиболее важных операций, поэтому, с учетом роста в нашей стране экологических требований, применяемых к условиям разработки месторождений полезных ископаемых, а также качественных характеристик продукции карьеров, особую роль в развитии горных технологий приобретает изыскание новых и совершенствование существующих способов разрушения горных пород.
На большинстве месторождений полезных ископаемых, разрабатываемых открытым способом, применяется буровзрывная технология отбойки горной массы. Вместе с тем она обладает рядом недостатков: высокий уровень потерь, вследствие перемешивания разнотипной горной массы, значительные объемы выбросов вредных веществ и пыли в атмосферу, количественно зависящие лишь от объемов взрываемого блока, сейсмический эффект, шум и т.д.
На месторождениях, где невозможна валовая взрывная отбойка, и необходимо обеспечить выполнение требований по безопасности и экологии, а также на сложноструктурных месторождениях ценных полезных ископаемых, основным путем устранения перечисленных недостатков является отказ от буровзрывных работ в пользу безвзрывных технологий разработки.
Исследованием безвзрывного разрушения занимались Ю.Л. Красников, В.М. Гулков, Е.Е. Шешко, В.Н. Лабутин, Е.Л. Краснянский, А.Р. Маттис, Е.Д. Зайцев, А.А. Крагель и др.
Однако, в настоящее время не существует обоснования применения гидравлических отбойных агрегатов в качестве основного породоразрушающего инструмента на открытых работах. Поэтому, обоснование малоотходной безвзрывной технологии открытой разработки месторождении скальных горных пород с помощью гидравлических отбойных агрегатов является актуальной исследовательской задачей.
Работа выполнена в рамках Еосударственных контрактов №П1124. «Обоснование методов повышения эффективности малоотходной разработки месторождений минерального сырья открытым способом» в 2010 г. и №02.740.11.0695 «Создание геомеханически и экологически безопасных малоотходных способов разработки месторождений открытым способом в сложных гидрогеологических условиях» в 2009 г.
Целью работы является обоснование целесообразности селективной выемки горных пород с помощью Гидравлических отбойных агрегатов.
Идея работы. Для снижения уровня потерь и засорения в приконтактной зоне полезного ископаемого следует применять на карьерах вместо буровзрывных работ агрегаты «гидравлический экскаватор - гидромолот».
Задачи исследования:
1. Обоснование применения гидромолотов на карьере в качестве основного инструмента разрушения горных пород в приконтактной зоне;
2. Разработка технологических схем, обеспечивающих контролируемый уровень потерь и засорений;
3. Выявление зависимостей систем «гидравлический экскаватор - гидромолот», «гидравлический агрегат - забой».
Научная новизна:
• Установлена степенная зависимость между прочностью на сжатие горной породы и необходимой энергии для её разрушения, которая позволяет определить область применения оборудования при подготовке массива к выемке.
• Установлена зависимость размера скалываемого куска от угла наклона ударного инструмента при одинаковой энергии удара.
Основные защищаемые положения:
1. Эффективная работа гидромолота в забое при постоянной энергии удара обеспечивается оптимальным углом наклона оборудования к поверхности забоя, его формой.
2. При работе гидромолота в скальных горных породах эффективность разрушения в первую очередь зависит от удельной энергии удара, а пределы возможности работы экскаватора с подвесным гидромолотом при первичной отбойке должны определяться трещиноватостью массива и прочностью породы.
3. Технология отбойки пород гидромолотом позволит обеспечить контролируемую величину треугольника потерь (оптимальное положение контура выемки), а, следовательно, и расчетные суммарные нормативы потерь и засорения.
Методы исследований. Общей теоретической и методологической основой работы является комплексный подход, включающий анализ и обобщение фундаментальных исследований авторов в области безвзрывного разрушения. В качестве основных методов исследований использовались методы математического моделирования процесса разрушения горных пород гидравлическими отбойными агрегатами, а также производственный эксперимент.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций
обеспечивается применением современных научных методов исследования;
обширным привлечением проектных и фактических материалов работы отечественных и зарубежных карьеров-аналогов; использованием информации о развитии рынков минерального сырья, развитии техники и технологии безвзрывного разрушения; внедрением результатов исследований в проектирование и планирование горных работ на карьерах.
Практическая значимость работы.
• Разработаны технологические схемы применения гидромолотов для безвзрывного способа разрушения крепких горных пород при малоотходной открытой разработке месторождении.
• Определена схема к расчету потерь и засорения полезного ископаемого при ведении отбойки в массиве гидравлическим агрегатом, позволяющая на основе экономических показателей выбрать их рациональное соотношение в конкретный момент времени.
• Разработана методика выбора гидравлического отбойного агрегата в зависимости от типа гидравлического экскаватора.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы в целом и отдельные ее положения докладывались, обсуждались и получили одобрение на конференциях: «Освоение минеральных ресурсов севера: проблемы и решения» (г. Воркута, 2010, 2012); «Экология и развитие общества» (г. Сосновый Бор, 2009); «Проблемы и пути эффективной отработки алмазоносных месторождений» (г. Мирный, 2011); «Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики» (г. Тула, 2011); на заседаниях кафедры Разработки месторождений полезных ископаемых Санкт-Петербургского государственного горного университета.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, из них 3 - в изданиях, рекомендуемых ВАК Минобрнауки России, подана заявка на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, содержит 141 страницу, 11 таблиц, 41 рисунок и список литературы из 91 наименования.
Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю профессору Г.А. Холоднякову, развитие идей которого, постоянное внимание и помощь способствовали успешному выполнению работы; сотрудникам кафедры Разработки месторождений полезных ископаемых за ценные советы и оказание помощи в сборе материалов.

Список літератури

4.4 Выводы
1. Объемы выбрасываемой пылегазовоздушной смеси при проведении буровзрывных работ зависят от параметров уступов и массы взрываемого ВВ, оптимальные значения которых можно определить по соответствующим аналитическим зависимостям.
2. Конструирование систем и средств управления пылеобразованием и пылевыделением целесообразно производить на основе зависимости удельного пылеобразования от крепости пород, энергоемкости их разрушения и климатических параметров среды.
3. На концентрацию загрязняющих веществ в газовоздушном облаке при ведении буровзрывных работ определяющее влияние оказывает тип применяемых ВВ. Для снижения уровня воздействия карьера на природную среду необходимо, наряду с традиционными показателями, учитывать номенклатуру и количество выделяющихся загрязняющих веществ.
Экономический эффект, предлагаемой технологии составит 275650 руб./год