Анализ направлений интенсификации работы горных машин и технологии отработки Хибинских месторождений апатито-нефелиновых руд

В.А. Пивнев, к.т.н., ОАО «Апатит»

В статье дан анализ горно-геологических, технологических и организационных особенностей разработки месторождений ОАО «Апатит». Рассмотрены системы разработки месторождений. Показана структура парка горной техники , схема взаимоувязки параметров технологических процессов и используемой техники. Анализируются основные пути модернизации производства с целью поддержания производственной мощности рудников: интенсивный и экстенсивный. Подробно рассмотрена система разработки с подэтажным обрушением, доминирующая на рудниках, и её параметры. Оценка эффективности применения различного бурового и транспортного оборудования.

022 1 0Рис. 1 Продольные разрезы и горноAгеологические условия эксплуатируемых Хибинских месторождений нефелиновых руд

За последние 40 лет горное производство в нашей стране «прошло» довольно длительный период реструктуризации отрасли как с точки зрения коренного изменения форм собственности (от государственной до частной), так и с точки зрения используемого оборудования и технологических схем. Хотя сами технологические схемы и не изменились коренным образом, но используемое оборудование практически полностью заменено горными машинами нового технического уровня (в основном импортного производства), что соответственно значительно повысило технико-экономические показатели работы горных предприятий. Однако дальнейшее их повышение может быть осуществлено на базе глубокого анализа технологии работ и внедрения новых систем разработки и новых (модернизированных) машин при условии сбалансированного роста производительности на всех операциях технологического цикла. На рис. 1 приведены продольные разрезы эксплуатируемых Хибинских месторождений и их основные горно-геологические условия.

Динамика производственной мощности отдельных предприятий ОАО «Апатит» (рис. 2) свидетельствует о том, что отработка определённых запасов в настоящее время ведётся на стадии «затухающей мощности» и поддержание производственной мощности объединения осуществляется за счёт увеличения нагрузки на вновь вводимых рудных полях. Высокие мировые цены на полезные ископаемые, сложившиеся в начале XXI века, позволили полностью заменить весь парк оборудования рудников ОАО «Апатит». Сегодня на рудниках используются высокопроизводительные буровые станки Sandvik DT420-C (Solo); погрузочно-доставочные машины Sandvik LH203 (Toro-150D), Sandvik LH409 (Toro-400E), Sandvik LH410 (Toro-007), Sandvik TH540 (Toro40D), Sandvik LH514 (Toro-1400E); буровые установки SANDVIK DD320-40 (Миниматик, Аксера), машины для зарядки шпуров (PAUS), крепления горных выработок (Spreymek, Utimek, Sandvik) и другие.

022 2Как известно, рост (или просто поддержание) производительности горнодобывающего предприятия может быть обеспечен либо вводом в эксплуатацию нового рудника, либо строительством новых горизонтов на существующих рудниках, оснащаемых новой техникой. И всё это требует огромных капитальных затрат, поскольку ОАО «Апатит» традиционно ориентировано на поставки горных машин из Финляндии и Швеции. Эта техника – весьма дорогостоящая, требует не менее дорогого технического обслуживания в рамках сервисных договоров. Вместе с тем, к сожалению, в последнее время иностранные фирмы – изготовители при изменении модельного ряда часто меняют номенклатуру комплектующих изделий.

Совершенствование технологии выемки руды может рассматриваться в двух принципиально различных ракурсах (направлениях):

1. Совершенствование или разработка новых технологических схем отработки запасов (схемы, совмещающие или исключающие некоторые операции – такие как доставка руды до рудоспусков, например, в схемах с донным выпуском и т.д.);

2. Совершенствование или разработка новых машин, обеспечивающих более высокие показатели их работы (скорость бурения, производительность погрузочно-доставочного оборудования и другое).

Особенностью современных отечественных горно-добывающих предприятий в условиях крайнего Севера является существенное выбытие высококвалифицированных кадров (как рабочих, так и инженерных специальностей) и как следствие – дефицит персонала, особенно на подземных горных работах. Данное обстоятельство в значительной мере связано с оттоком населения из регионов Крайнего Севера, и в ближайшее время, по различным прогнозам, указанная тенденция сохранится. Поэтому повышение производительности выполнения отдельных технологических операций остаётся одним из главных условий интенсификации производства в условиях горно-добывающих предприятий, расположенных за чертой Полярного круга.

Интенсификация производства в горно-добывающей промышленности всего мира осуществляется путём увеличения концентрации горных работ на базе внедрения высокопроизводительного оборудования. Характерная особенность современных высокотехнологичных горно-добывающих предприятий состоит в высокой концентрации горных работ, то есть в обеспечении высоких нагрузок на основную «очистную единицу» предприятия (очистные забои, блоки, «крыло» рудника и т.д.). В результате уменьшается количество добычных блоков на рудниках. Однако данное обстоятельство одновременно требует и обеспечения высокой надежности работы оставшихся блоков, поскольку остановка (аварийная или плановая) любого из последовательных «звеньев» технологического процесса – фактически означает существенное снижение производительности (или даже остановку) всего предприятия.

При разработке крепких руд единственным рациональным (эффективным) способом их подготовки к выемке остаётся буровзрывной способ. Использование тяжёлых комбайнов не позволяет в настоящее время обеспечить требуемые технико-экономические показатели проходки горных выработок (скорость проведения, стоимость проходки 1 п.м. выработки и т.д.). При буровзрывной подготовке руды выполняется технологический цикл операций, включающий бурение, зарядку, взрывание-проветривание, уборка горной массы (погрузка, доставка), откатка по горным выработкам к стволам. Необходимо отметить, что практически во всех случаях (как при подготовке, так и при очистной выемке) последовательно выполняются операции бурения, зарядки-взрывания и проветривания. При проходке горных выработок в последовательный цикл включается также и погрузка горной массы (либо доставка ПДМ до погрузочного устройства) и крепление горных выработок. На рис. 3 представлена структурная схема взаимоувязки параметров технологических процессов и технических средств для их осуществления.022 3

Рис. 3 Структурная схема взаимоувязки параметров технологических процессов и технических средств для их осуществлени

Как видно из рис. 3, основной объект «воздействия» – массив горных пород, характеризующийся такими параметрами как крепость, трещиноватость, напряженно-деформированное состояние и рядом других. Основным объектом воздействия является «буровая головка» (например, перфоратора), которая также характеризуется целым рядом параметров, таких как: производительность (скорость бурения), частота удара, энергия удара и другими. Рассматриваемое взаимодействие «буровой инструмент – массив горных пород» реализуется практически на всех основных этапах технологии выемки полезного ископаемого, включающих подготовительно-нарезные работы (проходка горизонтальных и вертикальных выработок) и очистные работы (отбойка руды в очистных камерах). Параметры указанных технологических процессов взаимоувязаны через пооперационные производительности и коэффициенты резерва по последовательно выполняемым операциям (скорость подготовки – скорость подвигания фронта очистной выемки – производительность доставочной техники – ёмкости аккумулирующих бункеров (рудоспусков) – производительность откаточных горизонтов и др.). Пооперационные производительности зависят от таких параметров как простои, отказы, плановые ремонты и т.д. Как видно из представленной структурной схемы, повышение производительности, например, буровой головки необходимо «адаптировать» для целого ряда технологических операций в различных технологических процессах (проходка, очистная выемка и т.д.), а затем обеспечить резервы производительности по следующим процессам – доставка, объёмы аккумулирующих бункеров, откатка и другое.

Поскольку основной операцией (представленной во всех технологических процессах) остаётся бурение (или буровая головка перфоратора), то увеличение производительности буровой головки (скорости бурения шпуров) может служить базой для увеличения нагрузки на очистной блок и в конечном итоге на панель, горизонт и в целом на предприятие. Решение данной проблемы можно обеспечить за счёт закупки нового высокопроизводительного оборудования, которая связана со значительными, капитальными затратами.

Как показывает анализ зависимостей стоимости бурового оборудования от его производительности в течение всего периода развития фирмы Atlas Copco, и российских производителей (рис. 4), прирост производительности за счёт закупки новой техники обходится горным компаниям очень дорого. Необходимо отметить, что переход на новые виды техники на действующем предприятии – это процесс очень длительный и «очень болезненный», требующий обслуживания машин различных производителей, зачастую несовместимых в рамках технологических комплектов оборудования. Поэтому для действующих предприятий более оправданным становится поиск путей интенсификации производства на базе модернизации уже используемого оборудования.Изменение производительности бурового оборудования за весь период его совершенствования

Как отмечалось выше, повышение (поддержание) производственной мощности рудника может быть осуществлено по двум принципиально различным направлениям: ввод в эксплуатацию новых горизонтов с закупкой для них дополнительной техники (экстенсивный путь развития) и увеличение производительности рудника за счёт внедрения модернизированной или новой техники или систем разработки (интенсивный путь развития). Очевидно, что и первое и второе направления могут потребовать существенных инвестиций в производство. На рис. 5. представлены принципиально возможные направления интенсивного и экстенсивного пути развития производства.

Как видно из блок-схемы (см. рис. 5), наименьшими капитальными и эксплуатационными затратами характеризуются направления развития, реализуемые за счёт совершенствования условий отработки рудного тела (системы разработки) и эксплуатации горных машин. Большими затратами (и существенно большим эффектом) характеризуется направление «модернизации способов отработки рудного тела и горных машин».Рис. 5 Принципиально возможные способы повышения производственной мощности рудника

Современное состояние механизации подземных горных работ на рудниках ОАО «Апатит» требует разработки долгосрочных программ интенсификации производства, основанных на глубоком анализе всего технологического комплекса рудника и внедрении машин (модернизированных или специально разработанных), позволяющих повысить производительность выполнения основных технологических операций.

Устойчивая работа рудника возможна только при условии бесперебойной работы всех его служб, включающих: воспроизводство подготовленных к очистной выемке запасов (проходка горных выработок), очистную выемку руды, погрузочные и перегрузочные пункты, внутришахтный основной и вспомогательный транспорт, подъем, вентиляция, водоотлив и т.д. В связи с этим, при проектировании технологии отработки запасов, одним из основных является вопрос правильного выбора коэффициентов резерва по указанным процессам. Так, например, скорость подготовки запасов должна на 5–10% превышать скорость их отработки, а постоянный резерв по подготовленным к выемке запасам должен составлять около 20%. Такая организация работ позволяет поддерживать во времени заданную производственную мощность рудника и исключает (сводит к минимуму) вынужденные простои технологических звеньев из-за аварийных ситуаций на сопряженных технологических службах.

Для условий ОАО «Апатит» интенсификация производства путём увеличения производительности машин, осуществляющих основные операции технологического цикла, должна включать в себя интенсификацию подготовительно-нарезных работ, интенсификацию очистных работ и увеличение производительности (пропускной способности) откаточных горизонтов. Только при сбалансированном росте производительности этих звеньев технологического процесса возможно получить эффект от внедрения новых модернизированных машин.

В настоящее время на Кировском руднике (ОАО «Апатит») применяются две разновидности системы разработки с обрушением руд и вмещающих пород:

- подэтажное обрушение с торцевым выпуском;

- этажное обрушение с отбойкой руды массовыми взрывами и выпуском руды с применением вибропитателей типа ВДПУ-4ТМ.

В 2009 году удельный вес системы разработки с подэтажным обрушением и торцевым выпуском на Кировском руднике достиг 75% и продолжает расти. Применение данной системы разработки в горно-геологических условиях Кукисвумчоррского и Юкспорского месторождений позволяет получать высокие технико-экономические показатели отработки запасов. Применение высокопроизводительного погрузочнодоставочного и бурового оборудования обеспечивает высокую производительность труда и низкую себестоимость добытой горной массы, что позволяет обеспечить небольшую себестоимость валовой руды. Простота конструктивных элементов данной системы разработки, а также достаточно низкий удельный вес подготовительно-нарезных выработок являются её основными преимуществами. Однако, при всех достоинствах данной системы разработки с подэтажным обрушением и торцевым выпуском, необходимо отметить и её существенные недостатки: необходимость обеспечения гарантированного обрушения покрывающих пород; невозможность одновременной отбойки больших объёмов руды в одной ромбовидной камере (что требует частого ведения взрывных работ и большого количества камер, находящихся в одновременной очистной выемке), необходимость постоянного контроля над качеством руды в очистных камерах.

Отбойка руды производится секциями ромбовидной формы. За один прием отбивается 2 веера скважин диаметром 102 мм (могут применяться другие диаметры, в зависимости от типа применяемого оборудования, и максимальной глубиной – 40 м. Очистные работы на каждом подэтаже начинаются с разделки отрезной щели – осуществляется проходка отрезной выработки, из которой проходится отрезной восстающий, на восстающий разделывается отрезная щель, затем на отрезную щель отбивается первый слой руды, и по мере выпуска руды щель заполняется пустыми породами. Далее отбойка осуществляется на обрушенный массив. Отработка очистного блока производится в нисходящем порядке.

Отбитая руда доставляется погрузо-доставочными машинами по буродоставочным и транспортным выработкам до рудоспусков, по которым она перепускается на горизонт откатки.

В настоящее время на подземных рудниках ОАО«Апатит» внедряется система разработки с этажным обрушением и выпуском руды на траншейное днище. При применении данной системы разработки отбойка руды в очистных камерах может производиться в больших объёмах, что существенно снижает частоту проведения взрывных работ. Доставку руды из траншей выполняет мощное высокопроизводительное самоходное оборудование, а процесс обуривания массива выполняется параллельно (таким образом, процессы бурения и доставки полностью совмещены во времени и практически не оказывают влияния друг на друга).

Система этажного обрушения с выпуском руды на траншейное днище используется для отработки весьма мощных рудных тел, и имеет следующие параметры:

- расстояния между погрузочными заездами в траншее – 24–30 м;

- расположение заездов в шахматном порядке;

- высота подэтажа – 20–25 м;

- количество этажей – 3–4;

- расстояние между буровыми штреками – 30–40 м;

- угол откоса боков траншей – 65°;

- размеры блока по простиранию 144–192 м, в крест простирания, равно горизонтальной мощности рудного тела;

- расстояния между траншейными и транспортными выработками (штреками или ортами) – 18 м.

При используемых системах разработки имеет место два основных технологических процесса – подготовка запасов к выемке и непосредственно их очистная выемка. Подготовка запасов к выемке включает в себя проведение целого комплекса горизонтальных, наклонных и вертикальных горных выработок. При использовании системы разработки с торцевым выпуском руды предусматривается проходка следующих выработок:

- буродоставочные штреки и орты;

- вентиляционно-транспортные штреки и орты;

- вентиляционно-сборочные штреки и орты;

- вентиляционно-ходовые и вентиляционные восстающие;

- отрезные восстающие, рудоспуски, породоспуски;

- участковые автосъезды.

При проходке подготовительно-нарезных выработок предусмотрены следующие виды крепления: железобетонные штанги, или железобетонные штанги с последующим нанесением набрызгбетона толщиной не менее 50 мм; в доставочных ортах и штреках – набрызгбетон толщиной также не менее 50 мм; монолитная бетонная крепь – на подэтажных выработках в зонах тектонических нарушений.

Скорости проходки подготовительно-нарезных выработок составляют порядка 80 м/месяц, скорости проходки восстающих с помощью КПН-4А составляют до 30 м/месяц и 80 м/месяц – комплексами типа Robbins 73RM. Годовой объём проходки горных выработок для обеспечения производственной мощности рудника 14 млн т составит 23500 м – для подэтажных выработок и 2200 м – для проходки восстающих.

Как уже отмечалось, при буровзрывном способе отбойки руды выполняется цикл технологических операций, включающий бурение, зарядку, взрывание-проветривание, уборку горной массы (погрузку, доставку), откатку по горным выработкам к стволам.Рис. 6 Типовой график организации работ в проходческом забое

И несмотря на то, что на всех технологических этапах разработки месторождения (подготовительные, нарезные, очистные работы) имеет место буровзрывной способ отбойки горной массы, в различных забоях (очистных, нарезных и т.д.), используемое оборудование и организация работ существенно отличны. Необходимо отметить, что практически во всех случаях (как при подготовке, так и при очистной выемке), последовательными операциями являются бурение, зарядка-взрывание и проветривание. На рис. 6 и 7 показаны график организации работ и структура затрат времени на операции технологического цикла проходческих работ.Рис. 6 Типовой график организации работ в проходческом забое

Как видно из рис. 6 и 7, проходческий цикл занимает две смены, а бурение – около трети этого времени. Необходимо также отметить, что кратность смен в проходческом цикле является неотъемлемым принципом практически всех горных производств. Данное обстоятельство обусловлено тем, что буровзрывные работы можно проводить только в междусменные перерывы. Поэтому проходческий цикл рассчитывается таким образом, чтобы заряжание и взрывание приходилось на междусменный перерыв, что значительно повышает производительность труда проходчиков, поскольку исключаются технологические их простои. Увеличение скорости бурения на проходческих работах позволяет пробурить большее количество шпуро-метров за время, которое отведено на обуривание забоя, и, соответственно, позволяет увеличить длину заходки при неизменном времени цикла. Соответственно, прямо пропорционально увеличивается и скорость проходки выработок. Так при средней скорости проходки горных выработок около 80 м/месяц, увеличение скорости бурения на 30% позволит увеличить скорость проходки до 92–95 м/месяц.

Подготовка запасов к выемке включает в себя проходку не только горизонтальных горных выработок, но и проходку вертикальных восстающих. Указанные выработки проводятся двумя принципиально различными способами – буровзрывная проходка с навесных полков с использованием КПНX4А (скорость проходки 30 м/месяц) и проходка буровыми установками Robbins 73RM (скорость проходки 80 м/месяц). В первом случае проходческий цикл включает в себя операции по подъёму полка до забоя, ручное бурение шпуров и последующий спуск полка (перед взрывом шпуров). Все это не позволяет достигать скоростей проходки превышающих 35 м/месяц. Проходка восстающих установками Robbins 73RM исключает проведение буровзрывных работ, но обуславливает большие энергозатраты и значительную стоимость проходки восстающих, что определяется также и стоимостью данных комплексов (~5 млн евро). Внедрение базового очистного оборудования (станки Solo) для проведения восстающих может увеличить скорости их проходки, и также позволит отказаться от закупки дорогостоящего оборудования. Однако для одностадийной проходки восстающих (на всю длину), необходимо разработать оборудование, позволяющее создавать буровые полости, достаточные для создания компенсационного пространства для отбойки длинных скважинных зарядов – порядка 25...100 м (на всю длину восстающего).

Внедрение подобного оборудования позволит увеличить скорость проведения горных выработок и создать, таким образом, задел для увеличения скорости очистной выемки.Рис. 8 Типовой график организации работ при системе разработки с подэтажным обрушением и торцевом выпуске руды

Организация очистных работ существенно отличается от рассмотренных выше подготовительных работ и для двух используемых на рудниках систем разработки – принципиально различна (рис. 8, 9). При системах разработки с торцевым выпуском руды в «комплекте» работает один станок Solo и две погрузочно-доставочные машины, которые ведут работы последовательно в трёх очистных камерах. При этом, бурение занимает около двух смен, а уборка горной массы – более пяти смен. Увеличение скорости бурения на 30% при такой системе разработки позволяет сократить время цикла на 3–4 часа, что позволит увеличить нагрузку на очистной блок на 5–6%.Рис. 9 Типовой график организации работ при системе разработки с этажным обрушением и траншейным днищем

При системе разработки с этажным обрушением и выпуском руды на траншейное днище (рис. 9) процесс обуривания блоков ведётся непрерывно несколькими буровыми станками в соседних камерах. Процесс бурения полностью совмещен во времени с процессом погрузки руды в вагоны «на днище» (доставка практически исключается). Время обуривания одновременно взрываемой части массива занимает более 40 смен. Поэтому увеличение скорости бурения на 30% при такой системе разработки позволяет сократить время цикла на 7–8 смен, что позволит увеличить нагрузку на очистной блок на 20–22%.

Таким образом, совершенствование буровых машин позволяет получить довольно ощутимый, но различный эффект на технологических операциях подземной разработки. Однако можно однозначно сказать, что совершенствование будет иметь значение в целом для рудника только при условии, что производительность откаточного горизонта обеспечит доставку отбитой руды к главным стволам.

Жёсткая взаимосвязь технологических звеньев рудника не предоставляет возможность получения экономического эффекта при совершенствовании машин (или повышении производительности) только для отдельных технологических звеньев. Так, например, повышение производительности выемочных (или буровых) машин не позволит повысить нагрузку на выемочный блок (участок) без соответствующего повышения производительности погрузочно-доставочного оборудования и участкового внутришахтного транспорта. В связи с этим вопросы повышения эффективности отработки запасов могут решаться только комплексного на базе научного подхода, основанного на анализе и обобщении данных о производительности основных технологических звеньев рудника, оценке путей повышения эффективности той или иной операции (например, на базе внедрения новой техники, или модернизации используемого оборудования) и затем, оценке необходимого (скорость бурения, время доставки и т.д.) и достаточного (надёжность и коэффициент резерва) повышения производительности всех последующих технологических звеньев.Рис. 10 Экспертная оценка эффективности внедрения модернизированных ударных систем в условиях объединенного Кировского рудника

Экспертная оценка эффективности внедрения модернизированных перфораторов на подготовительных и очистных горных работах показала возможность увеличения непосредственно скорости бурения шпура диаметром 43 мм с 1,85 м/мин до 2,72 м/мин (рис. 10а). При этом скорость проведения горных выработок увеличивается с 80 м/месяц до 92 м/месяц (рис. 10б).

Внедрение модернизированных ударных систем на очистных работах с выпуском на траншейное днище позволит пропорционально увеличить нагрузку на горизонт по фактору очистных работ. Однако повышение производственной мощности рудника в целом может быть достигнуто только при условии повышения пропускной способности откаточного горизонта. Анализ возможных путей повышения производительности локомотивного транспорта показал, что наиболее эффективным направлением решения данного вопроса является создание и внедрение новых спаренных тяговых электровозов с асинхронным приводом. На рис. 11 показана оценка производственной мощности рудника по факторам очистных работ и локомотивной откатки для базовых и модернизированных вариантов производства.Оценка производственной мощности рудника по факторам очистных работ и локомотивной откатки для используемого и модернизированного оборудования

Как видно из диаграмм в рис. 11, только комплексное внедрение модернизированных ударных систем на очистных работах (для системы разработки с выпуском на траншейное днище) и модернизированных электровозов с асинхронным приводом и векторным управлением тяговыми электродвигателями позволят повысить производственную мощность рудника с 10,8 млн т/год до 12,7 млн т/год.

Изложенные в настоящей статье особенности работы современных горно-добывающих предприятий в условиях крайнего Севера свидетельствуют об актуальности задачи создания отечественного оборудования нового технического уровня (повышение производительности на 50% и более).

Однако такую технику необходимо внедрять комплексно, то есть совершенствовать технику на всех операциях основного технологического процесса, так как изменения параметров отдельных операций приводит к необходимости изменения параметров всех последующих технологических процессов (операций).

Журнал "Горная Промышленность" №2 2012, стр.22