К обоснованию условий и параметров формирования горнотехнических систем при строительстве и эксплуатации комплекса циклично-поточной геотехнологии в глубоких карьерах

DOI: http://dx.doi.org/10.30686/1609-9192-2020-5-102-107

В.С. Федотенко¹, А.В. Власов², С.Я. Кливер³, А.Г. Шадрунов⁴ ¹ Институт проблем комплексного освоения недр Российской академии наук им. академика Н.В. Мельникова, г. Москва, Российская Федерация ² АО «Карельский окатыш», г. Костомукша, Российская Федерация ³ ООО «СПб-Гипрошахт», г. Санкт-Петербург, Российская Федерация ⁴ ООО «В2-Групп», г. Москва, Российская Федерация Горная Промышленность №5 / 2020 стр. 102-107

Резюме: Увеличение глубины отработки месторождений полезных ископаемых открытым способом и расстояния транспортирования горной массы автомобильным транспортом приводит к росту общих затрат. Карьерный транспорт является основным источником воздействия на окружающую среду за счет высоких выбросов отработанных газов в атмосферу, пыления поверхности автодорог, перевозимой горной массы. В таких условиях оптимизация транспортной составляющей является приоритетной задачей. В статье рассмотрена специфика горных работ на глубоких карьерах. Показано, что в таких условиях переход на циклично-поточную технологию с обоснованием условий и параметров формирования горнотехнических систем является важной научно-практической задачей. Проанализированы достоинства и недостатки автомобильного и конвейерного видов транспорта. Определены условия, определяющие безопасный переход на циклично-поточную технологию, на примере Костомукшского карьера. Доказано, что обоснование условий и параметров формирования горнотехнических систем при строительстве и эксплуатации комплекса циклично-поточной технологии позволит повысить эффективность перехода на новую технологию, обеспечить управление параметрами производства горных работ в переходный период и перейти к надежным интеллектуальным технологиям эксплуатации горнотранспортного комплекса в условиях глубокого карьера на длительный период.

Ключевые слова: карьер, циклично-поточная технология, горнотехнические системы, Костомукшское месторождение, требования безопасности

Для цитирования: Федотенко В.С., Власов А.В., Кливер С.Я., Шадрунов А.Г. К обоснованию условий и параметров формирования горнотехнических систем при строительстве и эксплуатации комплекса циклично-поточной геотехнологии в глубоких карьерах. Горная промышленность. 2020;(5):102–107. DOI: 10.30686/1609-9192-2020-5-102-107.

Информация о статье

Поступила в редакцию: 07.09.2020

Поступила после рецензирования: 15.09.2020

Принята к публикации: 25.09.2020

Информация об авторах

Федотенко Виктор Сергеевич – доктор технических наук, ведущий научный сотрудник, Институт проблем комплексного освоения недр им. академика Н.В. Мельникова Российской академии наук, г. Москва, Российская Федерация;

Власов Антон Владимирович – старший менеджер по проектированию, АО «Карельский окатыш», г. Костомукша, Российская Федерация; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Кливер Сергей Яковлевич – главный инженер проектов, ООО «СПб-Гипрошахт», г. Санкт-Петербург, Российская Федерация;

Шадрунов Александр Геннадиевич – генеральный директор, ООО «В2-Групп», г. Москва, Российская Федерация.

Введение

В настоящее время четко прослеживается тенденция увеличения глубины отработки месторождений полезных ископаемых открытым способом. Соответственно, с понижением глубины ведения горных работ происходит рост издержек, что в первую очередь, связано с увеличением расстояния транспортирования горной массы автомобильным транспортом. Доля затрат на транспортирование горной массы достигает 70% от общих затрат [1–3]. Кроме того, карьерный транспорт является основным источником воздействия на окружающую среду за счет высоких выбросов отработанных газов в атмосферу, пыления поверхности автодорог, перевозимой горной массы. Таким образом, оптимизация транспортной составляющей является приоритетной задачей. Проблема вентиляции глубоких карьеров является сложно решаемой задачей и становится причиной простоя горного оборудования.

Специфика глубоких карьеров

Специфика глубоких карьеров заключается в следующем [4; 5]:

значительно увеличиваются расстояния транспортирования горной массы, при этом резко возрастают затраты на ее подъем;
возникает необходимость перехода на применение нескольких видов транспорта с оптимизацией области эффективного применения каждого, строительством перегрузочных пунктов;
сокращается фронт горных работ, что затрудняет маневренность горнотранспортного оборудования;
увеличивается частота перемещения транспортных коммуникаций, пунктов перегрузки внутри карьера и пр.;
усложняется инженерное обеспечение горных работ (электроснабжение, водоотведение, вентиляция, содержание автодорог, диспетчеризация транспортного обслуживания);
увеличиваются запыленность и концентрация вредных веществ в атмосфере карьера, особенно на нижних горизонтах [6].

Внутри карьера грузы перемещаются по горизонтальным и слабонаклонным трассам и трассам с крутыми углами наклона, что приводит к повышенному износу транспортных средств.

По принципу действия различают транспорт прерывного (цикличного) и непрерывного (поточного) действия, по характеру работы – подвижный (мобильный) и стационарный/полустационарный [4]. Из средств непрерывного действия, основным преимуществом которых является независимость производительности от длины транспортирования, что является весьма важным при работе карьеров, выделяется конвейерный транспорт. Практика горных работ свидетельствует о высоких преимуществах конвейерной геотехнологии при отработке глубоких горизонтов карьера.

Таблица 1 Сравнение автомобильного и конвейерного видов транспорта Table 1 Comparison of truck and conveyor modes of transportation

В табл. 1 приведены основные достоинства и недостатки автомобильного и конвейерного видов транспорта [1; 4; 7–9].

Из табл. 1 видно, что недостатки одного вида транспорта хорошо компенсируются другим. Поэтому данные виды транспорта хорошо дополняют друг друга, особенно в условиях глубоких карьеров, когда необходимо обеспечить мобильность и маневренность при отработке и вскрытии глубоких нижних горизонтов, но при этом снизить повышенные затраты на доставку горной массы при большой разнице отметок транспортирования на поверхность. Поэтому обоснование условий и параметров формирования горнотехнических систем при переходе с транспорта цикличного действия на циклично-поточный является важной научно-практической задачей.

Циклично-поточная технология

Перспективность перехода на циклично-поточную технологию (далее ЦПТ) отмечается в работах многих авторов [1–4; 10–19]. Основные вопросы циклично-поточной геотехнологии рассмотрены в трудах академиков Н.В. Мельникова, В.В. Ржевского, К.Н. Трубецкого, член-корр. РАН В.Л. Яковлева, профессоров М.В. Васильева, Б.В. Фаддеева, М.Г. Новожилова, B.C. Хохрякова, М.Г. Потапова, Т.И. Томакова, В.И. Галкина, Е.Е. Шешко и др.

При переходе на ЦПТ в границах карьера размещаются мощные дробильно-перегрузочные пункты (ДПП) с дальнейшей транспортировкой горной массы на поверхность конвейерным транспортом. Доставка горной массы до ДПП осуществляется автомобильным транспортом по коротким карьерным маршрутам (до 2–2,5 км). В работах [10; 18; 19] приведены следующие оптимальные места установки дробильно-сортировочных и перегрузочных установок: временно нерабочие или нерабочие участки борта карьера, порталы подземных горных выработок (штолен, наклонных стволов, съездов), оборудование наклонных траншей.

Очевидно, что при определении местоположения конвейерных систем предпочтительно ориентироваться на нерабочие участки карьера или участки, имеющие наибольший срок стояния без капитального ремонта, значительные пространственные размеры и возможность увеличения емкости приемных пунктов.

Автоматизация управления параметрами горных работ в зоне планируемого размещения комплекса ЦПТ позволит создать безопасные условия при строительстве и эксплуатации комплекса, оптимизировать объемы горно-капитальных работ, обеспечить подъезд к дробильным машинам по кратчайшим внутрикарьерным маршрутам.

Особое внимание здесь следует обратить на следующие параметры горнотехнических систем: ширина и угол наклона траншеи (бермы) для размещения конвейеров, линейные параметры площадки для размещения дробильных машин и площадки разгрузки автосамосвалов в бункер, размеры и габариты приемного бункера, высота и угол наклона уступов в районе размещения комплекса ЦПТ, ширина предохранительной бермы, вид системы и способ управления качеством рудопотоков.

С точки зрения обеспечения длительной устойчивости формируемых горнотехнических конструкций определяющим фактором будет процесс подготовки пород к выемке. Управление параметрами буровзрывных работ позволит обеспечить максимальную сохранность законтурного массива горных пород и, как следствие, исключить сооружение подпорных стен в районе размещения дробильных машин, минимизировать решения и затраты по укреплению откосов уступов. К особенностям здесь следует отнести часто «нестандартную» конфигурацию взрываемых блоков, связанную с необходимостью формирования площадок особой формы для размещения оборудования поточной части, а также стесненные условия выполнения работ.

Особенно важен вопрос обоснования параметров взрывных работ при строительстве и эксплуатации комплекса ЦПТ. Размещение массивного полустационарного оборудования в границах карьера создает значительные риски его повреждения при взрывных работах. Кроме управления параметрами непосредственно взрывных работ на стадии горно-капитальных работ, необходимо определить минимальное расстояние от взрывных работ будущих периодов до оборудования. Уменьшение данного параметра позволит сократить объем и затраты на ведение горно-капитальных работ.

На подавляющем большинстве карьеров горные работы ведутся без учета комбинированного транспорта в будущем, требуется значительный ресурс на изменение конфигурации горных работ под размещение нового оборудования, технологии работы, на организационную перестройку [3]. Горнодобывающим предприятиям требуется время для наработки нового опыта. Переход на ЦПТ вносит значительные изменения во всех направлениях деятельности ГОКа. В условиях постоянно усложняющихся условий производства работ (увеличение глубины, сложные горно-геологические условия), от успешного решения данных задач зависит жизнеспособность ГОКов. Все данные аргументы показывают важность и актуальность решения поставленных задач.

Идея заключается в возможности оптимизации горнокапитальных работ при строительстве комплекса ЦПТ и повышения эффективности его эксплуатации за счет обоснования условий и параметров формирования комплекса ЦПТ на борту карьера. Объектом исследования являются карьеры и разрезы, работающие или планирующие переход на ЦПТ, технологические параметры горнотехнических систем. Предмет исследования – связь параметров производства горных работ с эффективностью строительства и эксплуатации комплекса ЦПТ.

Проект циклично-поточной технологии Костомукшского месторождения

Проект циклично-поточной технологии на Центральном участке карьера Костомукшского месторождения предусматривает строительство внутри карьера рудного и вскрышного дробильно-транспортных комплексов, а также комплекса сухой магнитной сепарации. Данный принцип внутрикарьерного размещения оборудования ЦПТ обеспечивает экономическую и производственную эффективность работы предприятия.

Рис. 1 Схема расположения дробильной установки на борту карьера: 1– рудный дробильно- транспортный комплекс; 2 – вскрышной дробильно- транспортный комплекс; 3 и 4 – рудный и вскрышной главные конвейеры Fig. 1 Layout of the crushing plant on the open pit side: 1 – complex ore crushing and transport facilities; 2 – complex overburden crushing and transport facilities; 3 and 4 – ore and overburden main conveyors

Комплекс предназначен для дробления и транспортировки горной массы из карьера на поверхность (рис. 1). Горная масса будет подаваться на дробильные установки автотранспортом по оптимально коротким внутрикарьерным маршрутам и далее наклонными ленточными конвейерами транспортироваться до поверхности. Высота подъема конвейерами руды – 230 м, вскрышных пород – 320 м. Руда ленточными конвейерами подается на перегрузочно-накопительный рудный склад, вскрышные породы – в отвал.

Для обеспечения безопасного и эффективного функционирования рудно-вскрышного комплекса оборудования для Центрального участка карьера Костомукшского месторождения обоснованы и разработаны мероприятия по обеспечению устойчивости массива горных пород в зонеразмещения объектов ЦПТ на длительный период с учетом совместного действия статических и динамических нагрузок. Последнее обусловлено воздействием динамических нагрузок от работы стационарного оборудования погрузочно-дробильного комплекса, а также от разгрузки автосамосвалов и сейсмического воздействия массовых взрывов на карьере при ведении горных работ.

Условиями, определяющими безопасный переход на циклично-поточную технологию, являются:

определение фактических и допустимых нагрузок на массив горных пород от воздействия рампы с учетом автосамосвалов (движение, торможение, разгрузка и т.п.), взрывных и других работ, в т.ч. аварийных;
установление конструктивных параметров горнотехнической системы, обеспечивающих устойчивость массива горных пород;
разработка конструктивных мероприятий по укреплению массива горных пород;
обоснование параметров зоны особого режима ведения горных работ с минимальным воздействием на приконтурный массив;
оценка влияния взрывных работ в карьере на эксплуатацию комплекса циклично-поточной технологии;
определение параметров конвейерного отвала, обеспечивающих его устойчивость.

Технологическая схема участка циклично-поточной технологии с размещением комплекса на борту карьера, специфика и необходимые условия безопасной эксплуатации ЦПТ при отработке глубоких горизонтов Костомукшского месторождения приняты в качестве базовых при оценке устойчивости конструктивных элементов формируемых горнотехнических конструкций для обеспечения эффективной и безопасной работы комплекса циклично-поточной технологии.

Заключение

Внедрение циклично-поточной технологии, особенно в условиях глубоких карьеров, является одним из основных перспективных направлений оптимизации развития горных работ. Обоснование условий и параметров формирования горнотехнических систем при строительстве и эксплуатации комплекса ЦПТ позволит повысить эффективность перехода Костомукшского карьера на новую технологию, обеспечить управление параметрами производства горных работ в переходный период и перейти к надежным интеллектуальным технологиям эксплуатации горнотранспортного комплекса в условиях глубокого карьера на длительный период.

Список литературы

1. Бахтурин Ю.А. Вопросы развития карьерного транспорта. Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2008;(S8):186–210. Режим доступа: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=12965934

2. Галкин В.И., Шешко Е.Е. Проблемы совершенствования транспортных систем в горной промышленности России. Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2011;(S1):485–507. Режим доступа: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=17293099

3. Еремин Г.М. Повышение границ открытого способа и глубины карьеров при применении эффективных способов вскрытия и систем транспорта горной массы с глубоких горизонтов. Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2001;(7):68–72. Режим доступа: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=15221365

4. Васильев М.В. Транспорт глубоких карьеров. М.: Недра; 1983. 295 с. Режим доступа: http://www.geokniga.org/bookfiles/geokniga-transport-glubokih-karerov.pdf

5. Куролов А.А. Формирование транспортной схемы глубоких карьеров технологическими модулями при применении мобильных дробильно-перегрузочных комплексов: автореф. дис. … канд. техн. наук. М.; 2007. 16 с. Режим доступа: http://www.dslib.net/geo-tachnology/formirovanie-transportnoj-shemy-glubokih-karerov-tehnologicheskimi-moduljami-pri.html

6. Шешко О.Е. Эколого-экономические предпосылки перехода на циклично-поточную технологию в глубоких карьерах. Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2012;(2):45–49. Режим доступа: https://www.giab-online.ru/files/Data/2012/2/Sheshko_2_2012.pdf

7. Репин Н.Я., Репин Л.Н. Процессы открытых горных работ. Ч. 3. Перемещение и складирование горных пород. М.: Горная книга; 2013. 221 с. Режим доступа: http://www.geokniga.org/bookfiles/geokniga-processy-otkrytyh-gornyh-rabot-chast-3-peremeshchenie-i-skladirovanie-gornyh-p.pdf

8. Ржевский В.В. Открытые горные работы. Часть 1. Производственные процессы. М.: Недра; 1985. 509 с. Режим доступа: http://basemine.ru/11/otkrytye-gornye-raboty-chast-1/

9. Трубецкой К.Н., Потапов М.Г., Виницкий К.Е., Мельников Н.Н. и др. Открытые горные работы. Справочник. М.: Горное бюро; 1994. 590 с. Режим доступа: http://www.geokniga.org/books/1747

10. Берсенев В.А. Кармаев Г.Д., Семенкин А.В., Сумина И.Г. Схемы циклично-поточной технологии при различном залегании месторождений полезных ископаемых (обзор применяемых и предлагаемых схем ЦПТ). Проблемы недропользования. 2018;(4):13–21. DOI: 10.25635/2313-1586.2018.04.013.

11. Зубович П.Т., Селезнев А.В. О целесообразной глубине ввода конвейера при комбинированном транспорте. Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2004;(2):182–185. Режим доступа: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=9733659

12. Иоффе А.М., Селезнев А.В. Обоснование рациональной области применения ЦПТ на карьерах. Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2009;(3):342–353. Режим доступа: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=13055893

13. Ракишев Б.Р., Молдабаев С.К., Саменов Г.К., Нургалиева М.С. Развитие рабочей зоны угольных разрезов при переходе на циклично-поточные технологии. Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2013;(6):58–66. Режим доступа: https://www.giab-online.ru/files/Data/2013/6/58-66_Rakishev_6_2013.pdf

14. Решетняк С.П. Современные тенденции в проектировании циклично-поточной технологии на карьерах. Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2015;(S56):126–133. Режим доступа: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=25238299

15. Супрун В.И., Пастихин Д.В., Радченко С.А., Перелыгин В.В. Проблемы и перспективы использования циклично-поточной технологии для отработки крупных угольных месторождений. Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2014;(S1):332–346. Режим доступа: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=22486669

16. Юдин А.В. Сравнительная эффективность и области применения транспортно-перегрузочных систем в глубоких карьерах. Известия Уральского государственного горного университета. 1993;(3):16–22. Режим доступа: https://iuggu.ru/download/3zip.pdf

17. Яковлев В.Л., Яковлев В.А. Актуальные проблемы карьерного транспорта и перспективы его развития. Проблемы недропользования. 2017;(4):5–9. Режим доступа: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=30773691

18. Яковлев В.Л. Исследование переходных процессов – новый методологический подход к разработке и развитию инновационных технологий добычи и рудоподготовки минерального сырья при освоении глубокозалегающих сложноструктурных месторождений. Проблемы недропользования. 2017;(2):5–14. Режим доступа: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=29392565

19. Галкин В.И., Шешко Е.Е. Обоснование областей эффективного применения специальных видов конвейеров на карьерах. Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2014;(S1):400–410. Режим доступа: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=22486674

20. Кармаев Г.Д., Берсенев В.А., Семенкин А.В., Сумина И.Г. Технические и технологические аспекты применения крутонаклонных конвейеров на карьерах. Проблемы недропользования. 2014;(3):154–163. Режим доступа: https://trud.igduran.ru/edition/3/16