Проблемы разработки обводненных песчано-гравийных месторождений

Г.Р. Буткевич, к.т.н., ФГУП «ВНИПИИстромсырье», В.В. Одабаи-Фард, аспирант, МГГУ

Одним из основных видов минерального сырья, используемого для производства нерудных строительных материалов (НСМ), служат пески и песчано-гравийные смеси (ПГС), из которых в Российской Федерации производится более половины нерудных строительных материалов – более 200 млн м3 в год. Месторождения ПГС различаются наличием валунов и их размерами, содержанием пылеватых и глинистых частиц, комков пластичной глины и т.п. Эти отличия предопределяют выбор технологии и оборудования для переработки полезного ископаемого, но на технологию горных работ, если месторождение не обводнено или разрабатывается с осушением, решающего влияния не оказывают. Однако три четверти учитываемых балансами месторождений ПГС имеют обводненные запасы.

№4 (104) 2012

По степени обводненности месторождения обычно разделяют на сухие (необводненные); частично обводненные, когда зеркало воды расположено ниже кровли полезного ископаемого; обводненные, когда зеркало воды расположено выше кровли полезного ископаемого, но ниже кровли вскрышных пород; и подводные, когда зеркало воды находится выше кровли вскрышных пород. Частично обводнено 24,6% месторождений, 50,0% относятся к полностью обводненным и подводным. Средняя мощность обводненной толщи 75% обводненных месторождений превышает 5 м, причем на 21% месторождений мощность обводненных запасов составляет более 20 м [1].

Разработка месторождения с водопонижением приводит к известным негативным последствиям. Ужесточающиеся требования к охране среды обитания часто становятся причиной запрета на производство даже частичного водопонижения.

Когда вскрываются водоносные горизонты, возникает необходимость в соблюдении положений «Водного кодекса», которые обязывают охранять подземные водные объекты от загрязнения; запрещают сбрасывать сточные воды, не подвергшиеся санитарной очистке, и производить водозабор в объеме, оказывающем негативное воздействие на водный объект. Существенно влияет на ведение горных работ ограничение расстояния от береговой линии до объекта хозяйственной деятельности (табл. 1). Поэтому часто обводнённые запасы не разрабатываются совсем или не на полную глубину их залегания. Для разработки обводнённых месторождений используют технологии, отличающиеся от применяемых при разработке сухих или осушенных.

112 1

В мире эксплуатируются различные виды оборудования, предназначенного для добычи раздельнозернистых пород из обводнённого и подводного забоев: земснаряды, драглайны, канатные скреперы, башенные экскаваторы, грейферные и многоковшовые плавучие снаряды, обратные лопаты. В РФ при разработке обводнённых запасов практически безраздельно господствуют земснаряды

и драглайны. Иное оборудование на отечественных карьерах внедряется крайне редко. Имеется лишь несколько примеров применения канатных скреперов, которые были изготовлены силами предприятий. Недавно на Курганинском карьере введен в эксплуатацию первый для России грейферный снаряд с ковшом вместимостью 12 м3 [3].

Применение земснарядов связано с образованием карт намыва, которые занимают значительную площадь и этим вносят существенные изменения в технологию горных работ и экологическую обстановку.

Конструкции драглайнов (применяются как машины малых типоразмеров, так и мощные шагающие), а также обратных лопат предназначены для разработки сухих забоев.

Стремление проектировщиков и производственников приспособить это оборудование к разработке подводного забоя не оправдывает ожиданий. По отношению к драглайнам это проявляется в значительном понижении производительности по сравнению с приводимой в нормах выработки. Обычно не менее, чем в два раза. Значительно, в несколько раз, сокращается глубина черпания по сравнению с паспортной. Поскольку из подводного забоя извлекается пульпообразная масса, возникает необходимость в дополнении традиционной технологии новым процессом: подготовка горной массы к транспортировке. Чтобы снизить влажность, добытое полезное ископаемое укладывают в штабель или загружают в обезвоживающие устройства (известны лишь единичные примеры). Продолжительность обезвоживания в штабеле зависит от содержания глинистых частиц и может достигать нескольких недель. Поэтому технологии с созданием обезвоживающего штабеля требуют увеличения ширины рабочей площадки уступа и повторной отгрузки горной массы.

Особенности работы драглайна в обводненном забое обусловлены тем, что забой состоит из наклонной подводной части, в пределах которой происходит черпание и наполнение ковша, и надводной, почти вертикальной (фото 1). Глубина черпания драглайна снижается по двум причинам, которые обычно не учитываются при проектировании: уменьшение угла откоса подводного забоя по сравнению с сухим; оползание надводной части забоя. Быстрее всего оползает часть рабочей площадки уступа, находящаяся между опорной базой драглайна и верхней бровкой забоя. Чтобы экскаватор не упал в воду, его приходится заблаговременно перемещать в новое положение, хотя полезное ископаемое извлечено не до проектной глубины. Так образуются потери полезного ископаемого в подводной части забоев, величина которых превышает предусмотренные в «Типовых методических указаниях по нормированию потерь твердых полезных ископаемых при добыче». При разработке подводного забоя коэффициент наполнения ковша снижается до 0,5–0,7, а при выемке мелкозернистых песков – до ещё меньших значений. Увеличить коэффициент наполнения можно двумя способами: изменить форму ковша; перфорировать его стенки.

112 2

ФГУП «ВНИПИИстромсырье» на основании многолетних исследований разработал оригинальные конструкции ковшей различных экскаваторов, предназначенные для разработки подводного забоя (табл. 2). Изготовленный по техническому заданию института на НКМЗ ковш, вместимостью 11 м3 для экскаватора ЭШX10/70 (фото 2) на карьере Гралёво за цикл вынимал до 13 м3 взорванного доломита. Глубина подводного забоя достигала 18 м [4]. Выполненные работы показали, что, можно создавать ковши, в конструкциях которых учтены характеристики разрабатываемых пород и глубина подводного забоя, и которые позволят увеличить производительность экскаватора на несколько десятков процентов. К сожалению, приходится констатировать, что в практике горных работ почти повсеместно используют ковши стандартной конструкции.

Конструкторы при проектировании и создании экскаваторов главное внимание уделяют механической части машины. Но механическая часть драглайна нужна для обслуживания ковша, масса которого для мощных машин не превышает 2% их массы. То есть даже кардинальное изменение конструкции ковша почти не повлияют на стоимость машины, но принесёт ощутимую пользу потребителю-горняку.

Теперь российские собственники предприятий имеют возможность приобретать импортное оборудование. Однако данных о результатах его применения в отечественной литературе немного. Наиболее благоприятными характеристиками для разработки обводненных залежей обладают канатные скреперы и плавучие грейферные снаряды. У канатных скреперов, а также многоковшовых цепных экскаваторов процесс разработка забоя отличается от одноковшовых экскаваторов. По этой причине надводная часть забоя не оползает и эти машины могут разрабатывать подводный забой (залежь) на значительно большую глубину. Например, фирма Fritz Stichweh (Германия) максимальную глубину подводного забоя канатных скреперов определяет как 1/6 расстояния между опорами. На объектах, эксплуатирующих канатные скреперы с двумя опорами, по данным фирмы, глубина разработки достигает 20 м и более.

112 2

Еще большими возможностями обладают грейферные снаряды. Для разработки песчано-гравийных месторождений уже используются грейферные снаряды, оснащённые ковшами вместимостью 15 м3. Фирмы сообщают о выпуске таких машин с глубиной черпания до 100 м. Обычно снаряд проектируется для конкретного заказчика и, чтобы не перегружать лебедку, канатоёмкость барабана соответствует глубине залежи.

Следует отметить, что обезвоживающие устройства, которыми комплектуются канатные скреперы и грейферные снаряды, позволяют снижать влажность горной массы до 18%, и затем загружать её на ленточные конвейеры. Поэтому грейферные снаряды, эксплуатируемые на карьерах, как правило, разгружают горную массу на конвейеры, смонтированные на понтонах, которые доставляют ее до линии береговых конвейеров.

Выбор рационального вида оборудования и технологии разработки обводненного месторождения требует экономического обоснования. В этом вопросе сохраняются трудности.

В известных справочниках отсутствуют данные о производительности оборудования, разрабатывающего подводный забой. Нормы технологического проектирования различных горных отраслей как правило содержат материалы о разработке обводненных забоев только земснарядами и драгами. Сведения по импортному оборудованию малопригодны для корректных сравнений, поскольку фирмы выполняют расчеты по собственным методикам, не совпадающим как с отечественными, так и методиками других фирм. Таким образом, получить сопоставимые данные по производительности оборудования, а, значит, и экономике – затруднительно.

При разработке обводненных месторождений особенно важно заблаговременно определиться с использованием выработанного пространства. После завершения горных работ заполненное водой выработанное пространство карьера может быть использовано в различных целях. Так, на Люберецком карьере формовочных песков (Московская обл.) образовался огромный водоём, берега которого, сложенные мелкозернистым песком золотистого цвета (бывшая рабочая площадка уступа), превращены в прекрасное место отдыха для жителей Москвы и Подмосковья.

Майкопская нерудная компания, разрабатывающая частично обводненные месторождение ПГС, на рекультивированной территории высаживает деревья, а после полной отработки месторождения планирует создать здесь зону отдыха с водоёмом площадью 100 га [5].

Интересна деятельность Германии в области рекультивации нарушенных горными работами площадей. В федеральной земле Мекленбург-Форпомерн ежегодно проводится минерально-сырьевой форум, в рамках которого организуется конкурс на лучшие работы по рекультивации. Например, предприятие Rogenstorf GmbH, разрабатывающее песчано-гравийное месторождение, удостоилось премии за деятельность по защите, восстановлению и созданию (?)биотопов и сооружению многоуровневой системы водоемов. Здесь прибрежные части некоторых озёр засажены тростником, на берегах высажены разнообразные виды растений и уложены крупные валуны. Также на рекультивированные участки завезены некоторые виды животных, приспособленных к погодным и географическим условиям данного региона.

Особую похвалу заслужило предприятие Kreidewerk Rьgen GmbH, осуществившее рекультивацию карьера «Блауэс Мэр» (г. Засснитц, Мекленбург-Передняя Померания). Карьер был преобразован в водоем площадью 9 га с красивыми прибрежными полосами и общественным пляжем. Уступы карьера были выровнены и выположены, затем засажены деревьями.

Этот преобразованный природный ландшафт удачно дополнил находящийся рядом Национальный парк Ясмунд.

Есть программы и в других федеральных землях. В Баварии ежегодно отводится более 600 га под разработку месторождений ПГС. Особую популярность в рекультивации отработанных карьеров получило направление по созданию мест отдыха. Для этих целей оборудуются водоёмы, отводятся места для купания и рыбалки, территории оснащаются необходимой инфраструктурой. Их посещение в большинстве случаев – платное. Ведь далеко не везде разрешено жарить шашлыки, а купаться в непредназначенных для этого озёрах категорически воспрещается! Для занятия рыбалкой необходимо прослушать курс лекций и получить лицензию. Большая часть рекультивируемой территории предназначается для посадки лесов. Выделяются рекультивируемые территории и под жилищное строительство [6].

Интересен пример использования выработанного пространства карьера Palm Beach Aggregates (Флорида, США). Карьер, производительностью 3 тыс. т в час, разрабатывает обводнённое карбонатное месторождение для производства НСМ. Собственник предприятия принял решение после прекращения горных работ создать бассейн с размерами 750z1200 м для резерва пресной воды, который затем будет передан (продан) Управлению водного округа штата [7].

Выводы

Большинство песчано-гравийных месторождений относится к обводнённым, запасы которых во многих случаях отрабатываются не на полную мощность полезной толщи. Законодательство о недропользовании не создает стимулов, нацеливающих работников предприятий на полную выемку запасов. Оборудование, предназначенное для разработки подводных забоев, кроме земснарядов и драг, в России не производится. Применяемое на отечественных карьерах оборудование во многих случаях не позволяет отрабатывать обводнённую толщу на полную глубину. Отсутствие специализированного оборудования приводит к удорожанию добычных работ и ощутимым потерям минерального сырья.

Каждый вид оборудования имеет свою область применения. Однако методика сравнения вариантов разработки обводненных месторождений на различную глубину с водопонижением и без него разными видами оборудования, учитывающая экологические, в том числе долговременные, последствия, к настоящему времени не создана. Нормативные документы не содержат данных, необходимых для расчетов и корректного сравнения вариантов. Вследствие чего в проектах горных работ принимаются ошибочные решения.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Лопатников М.И. Состояние минерально=сырьевой базы промышленности строи= тельных материалов. Технология, оборудование и сырьевая база горных предпри= ятий промышленности строительных материалов Х международная конференция. М., Гемос Лимитед. 2002.

2. Водный кодекс Российской Федерации: официальный текст по состоянию на 1 октя= бря 1999 года. Министерство юстиции Российской Федерации. Норма=Инфра, 1999. 76 с. Статья 59, п. 4–5; статья 60, п. 6; статья 65, п. 1–6.

3. Новый завод в Краснодарском крае. Строительные материалы. №10/2011. c. 78.

4. Буткевич Г.Р. Проблемы разработки обводненных месторождений. Строительные материалы, №7/2003, с. 11.

5. Стеблянский С.В. С места – в карьер. Строительный эксперт. №03–04, 2012.

6. Gabriele Broll. Rekultivierung in Bergbaufolgelandschaften: Bodenorganismen, bodenцkologische Prozesse und Standortentwicklung. /Gabler Wissenschaftsverlage, 2000, c. 203–205.

7. Pit & Quarry, 2011, January, р. 12–17.

Журнал "Горная Промышленность" №4 2012, стр.112