Направления совершенствования технологии перемещения вскрышных пород на карьерах ограниченной глубины

Рост потребности в минеральном сырье вынуждает осваивать новые месторождения с осложненными геологическими условиями, большой мощностью покрывающих пород и коэффициентом вскрыши. Теперь даже на месторождениях сырья для производства строительных материалов мощность вскрышных пород нередко превышает 15-20 м. Процесс транспортировки горной массы, по утвердившемуся мнению, является наиболее дорогостоящим, самым трудо-, энерго- и материалоемким. Вследствие чего эффективность вскрышных работ в значительной степени зависит от применяемых технологий и оборудования для перемещения вскрышных пород.

Можно выделить 3 типа залежей, предопределяющих выбор технологии вскрышных работ:

пластообразные с углом падения до 90°, трубо- и столбообразные;
пластообразные с глубиной залегания более 100 м и крутопадающие, вытянутые в плане;
пластообразные с глубиной залегания до 50-100 м.

Для месторождений первого типа очевидна необходимость размещения вскрышных пород во внешних отвалах, чем предопределяется высокая стоимость и значительные нарушения природного равновесия. На месторождениях второго типа возможно применение внутреннего отвалообразования при отработке карьерного поля этапами, что доказано работами проф. П.И.Томакова и последующими исследованиями. Благодаря этому сокращается расстояние перевозки горной массы в отвал. Наиболее благоприятные условия для перемещения вскрышных пород складываются при разработке месторождений третьего типа. Однако, при кажущейся простоте решения вопроса о выборе технологии вскрышных работ для месторождений третьего типа и сложности для первого, на практике при решении данного вопроса возникают определенные трудности. Для крутых и вертикальных напластований количество реально применимых вариантов систем разработки невелико, хотя трудоемкость проектной проработки каждого варианта велика. На неглубоких карьерах со сравнительно мощной вскрышей могут в качестве конкурентоспособных рассматриваться все или почти все известные виды оборудования. Так, при мощности вскрышных пород в несколько десятков метров, когда полезное ископаемое разрабатывается 1-3 уступами, в качестве основных нужно сравнивать значительное число вариантов, например, с укладкой вскрышных пород во внутренние отвалы:

1. При перемещении вскрышных пород в направлении, перпендикулярном фронту горных работ:

одноковшовыми, многоковшовыми и башенными экскаваторами;
отвалообразователями, загружаемыми экскаваторами;
бульдозерами;
одноковшовыми погрузчиками.

2. При перемещении вскрышных пород в продольном направлении, вдоль фронта работ, до торца карьера, полустационарной выработки, скользящего съезда или перемычки:

колесными скреперами;
конвейерами, загружаемыми одно- или многоковшовыми экскаваторами, погрузчиками, бульдозерами;
самосвалами, загружаемыми различными экскаваторами, погрузчиками;
железнодорожным транспортом, загружаемым экскаваторами и погрузчиками;
гидромониторами с напорным гидротранспортом;
земснарядами.

Перечисленное оборудование может работать в различных сочетаниях. Например, на основной части уступа вскрышные породы перемещаются драглайнами в выработанное пространство, а в тупиковой — вывозятся самосвалами. Или для отработки верхнего уступа используются роторный экскаватор и отвалообразователь, а нижнего — драглайн. При таком обилии вариантов решение может быть принято только после квалифицированных технико-экономических сравнений

В табл.1 приведен пример сравнения вариантов разработки наносов мощностью до 20 м. Производительность карьера по вскрыше 2 млн.м3 в год. Поскольку полезное ископаемое разрабатывается несколькими уступами, в схемах с использованием драглайнов применяется 2-3-кратная переэкскавация. В схемах с одно- и двухопорными отвалообразователями (мостами) рассматривалась возможность установки одного из отвалообразователей или конвейера-перегружателя на рабочей площадке не только вскрышного, но и добычного и отвального уступов. Наиболее благоприятные условия для ведения горных работ создают схемы, в которых применены отвалообразователи, так как при переэкскавации значительную часть рабочего пространства карьера занимают временные внутренние отвалы, затрудняя ведение добычных работ и поставку сырья заданного состава, что в приведенных показателях не отражено. Варианты с применением отвалообразователей обеспечивают достаточно высокие показатели. В приведенном примере определенные преимущества схемы с автотранспортом, как правило, проигрывающей в сравнении с поточными технологиями, объясняются особенностью организации движения самосвалов, которые заезжают во внутренние отвалы с торцов и в центре карьера. В этом случае линии конвейеров проходят вдоль всего фронта вскрышных и отвальных работ, то есть неординарное технологическое решение благодаря сокращению расстояния перемещения горной массы даже при использовании цикличного транспорта позволило достичь высоких показателей.

Преимущества схем, в которых применены отвалообразователи, по сравнению со схемами с драглайнами проявляются в зависимости от производительности комплекса. Если производительности комплексов близки и коэффициент переэкскавации породы драглайном равен 1, применение драглайна оказывается более выгодным (рис.1,2). Поэтому драглайны часто используются на вскрышных работах в разных отраслях горной промышленности (рис 3,4)

Около 100 лет назад в Германии начали изготавливать для перемещения вскрышных пород в выработанное пространство самоходные конвейеры. Эта идея получила развитие в 50-60 гг. в Часов-Ярском р/у. Благодаря таланту местных горняков и конструкторов удалось создать разнообразные машины, которые опровергали установившиеся в горном мире взгляды. Были сконструированы одноопорные отвалообразователи на шагающем ходу экскаваторов — принципиально новый для того периода вид оборудования. Вскоре выпустили двухопорные отвалообразователи на гусеничном ходу, обычно называемые транспортно-отвальными мостами. Мосты отличались от немецких предшественников небывало малой массой, доказав возможность использования легких и несложных машин. Подобное оборудование начали применять на других карьерах, обычно изготавливая его на собственных механических заводиках (рис.5,6). Двухопорные отвалообразователи отличаются от одноопорных в 2 раза меньшей массой (табл.2), а, следовательно, и стоимостью. Более того, анализ технологических схем показал, что приемная консоль одноопорного отвалообразователя, не выполняя полезных функций, вынуждает увеличивать ширину рабочей площадки уступа. У одноопорных машин соотношение длин отвалообразователь — отвальная — приемная консоль составляет 4:3:1. То есть ненужная технологически, но необходимая конструктивно как противовес приемная консоль увеличивает длину машины примерно на 1/4. Двухопорные машины более технологичны. Они обеспечивают образование необходимого объема зимних запасов за счет телескопичности, создаваемой смещением опоры вдоль пролетного строения, и установки конвейера-перегружателя. Такие комплексы способны при использовании конвейера-перегружателя перемещать породу с трех вскрышных подуступов. Приведенные данные позволяют объективно оценить достоинства разных схем и видов оборудования. А в настоящее время, в отличие от предшествовавшего периода предприятия могут заказывать наиболее экономичное оборудование, которое будет изготавливаться и по индивидуальным заказам, в соответствии с горно-геологическими условиями данного карьера.

Возможность создавать новое оборудование кардинально влияет на принятие решения о внедрении нестандартных схем. В качестве примера можно привести карьер цементного завода Данбар, Англия, разрабатывающего 2 пласта известняка мощностью 4,6 и 10,9 м, разделенных серией пластов некондиционных пород общей мощностью 11 м. Наносы содержат крупнообмолочный материал. На горных работах используются только драглайны (рис.7). Полезное ископаемое загружается в думпкары. Породы прослойков драглайн перемещает в основание внутренних отвалов. Наносы, укладываемые отвалообразователем, образуют их второй ярус. Чтобы улучшить качество рекультивации и предотвратить переувлажнение пород из-за скопления воды между гребнями отвалов, последние после отработки каждой вскрышной заходки срезают бульдозером. Драглайн с ковшом вместимостью 1.4 м3 и стрелой длиной 30.5 м загружает отвалообразователь на гусеничном ходу. Протяженность фронта работ всего 610 м. Поэтому схема характеризуется весьма жесткой связью. Все экскаваторы отрабатывают заходки одинаковой ширины. Чтобы избежать разубоживания полезного ископаемого нижнего пласта, в его подошве оставляют целики. Отвалообразователь на гусеничном ходу длиной 96 м с шириной ленты 914 мм имеет загрузочную воронку, в конструкцию которой включены колосниковая решетка и пластинчатый питатель. Масса отвалообразователя 450 т — более чем в два раза больше массы аналогичных отвалообразователей (табл.2), предназначенных для загрузки роторными экскаваторами, поэтому не испытывающих ударных нагрузок и не имеющих такого сложного приемного узла. Применение драглайна, радиус разгрузки которого больше, чем у мехлопаты, позволило несколько уменьшить длину отвалообразователя, причем для увеличения радиуса действия вскрышного драглайна снизили вместимость ковша.

Стремление уменьшить работы по планировке поверхности отвалов, осуществлять послойную укладку пород привело к созданию нескольких конструкций узлов разгрузки породы: с поворотной разгрузочной консолью, с оборудованием промежуточного разгрузочного устройства на отвальной консоли (на транспортно-отвальных мостах этот вопрос решали, монтируя последовательно несколько конвейеров), с телескопическим разгрузочным конвейером, размещенным под основным конвейером на отвальной консоли (рис.8).

Менее сложная, чем на карьере Данбар, схема для перемещения пород из прослойка применена на угольном карьере Альберта, Канада. Мехлопата с ковшом вместимостью 3,8 м3 загружает отвалообразователь на гусеничном ходу. На приемной консоли установлена воронка с ленточным питателем. Длина разгрузочной консоли отвалообразователя — 29,3 м, ширина ленты конвейера — 1220 мм, производительность — 20 м3/ч, масса 84,3 т, т.е. значительно превышает массу аналогичных машин, загружаемых роторными экскаваторами. Оборудование работает круглый год.

Таким образом, для большинства карьеров глубиной до 80-100 м повышение технико-экономических показателей ведения вскрышных работ связано с внедрением различных схем и поперечным перемещением вскрышных пород в выработанное пространство, по кратчайшему пути. Хотя есть трудно решаемые вопросы. Такие как укладка вскрышных пород в заполненное водой выработанное пространство, когда происходит разубоживание добываемого из подводного забоя полезного ископаемого, оползание отвалов, селективное размещение пород в толще отвала. Совершенствованию вскрышных работ горняки-технологи продолжают уделять серьезное внимание. Это подтверждает, в частности, такой факт. Из числа регистрируемых изобретений по открытой разработке месторождений в классе Е21С 41/00 ежегодно до 1/3 приходится на новые технические решения по вскрышным и отвальным работам. Систематически получают охранные документы новые технологии, в которых вскрышные породы перемещают драглайны. Следовательно имеются веские основания считать, что сохраняются хорошие перспективы совершенствования технологии вскрышных работ при использовании имеющегося парка оборудования. А это весьма существенно для переживаемого страной периода, когда инвестиции на реконструкцию предприятий выделяются редко.