Міністерство освіти і науки України

Національний гірничий університет

Симоненко Володимир Іванович

УДК 622.271.3

ТЕХНОЛОГІЧНІ ОСНОВИ РОЗРОБКИ

НЕРУДНИХ РОДОВИЩ З ВНУТРІШНЬОКАР’ЄРНИМ
СКЛАДУВАННЯМ ВІДХОДІВ ГІРНИЧОГО ВИРОБНИЦТВА

Спеціальність 05.15.03 – “Відкрита розробка родовищ корисних копалин”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Дніпропетровськ – 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі відкритих гірничих робіт Національного гірничого університету (м. Дніпропетровськ), Міністерство освіти і науки України.

Науковий консультант - доктор технічних наук, професор Дриженко Анатолій Юрійович, професор кафедри відкритих гірничих робіт Національного гірничого університету (м. Дніпропет-ровськ), Міністерство освіти і науки України.

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор Четверик Михайло Сергійович, завідувач відділу геомеханічних основ технології відкритої розробки родовищ Інституту геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова Національної академії наук України (м. Дніпропетровськ);

- доктор технічних наук, професор Поліщук Сергій Зіновійович, завідувач відділу системного аналізу та моделювання процесів природокористування Інституту проблем природокористування і екології Національної академії наук України (м. Дніпропетровськ);

- доктор технічних наук, доцент Шпортько Валентин Петрович, професор кафедри прикладної економіки Національного гірничого університету (м. Дніпропетровськ), Міністерство освіти і науки України.

Провідна установа - Криворізький технічий університет, кафедра відкритих гірничих робіт, Міністерство освіти і науки України.

Захист дисертації відбудеться 11.07.2004 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованної вченої ради Д 08.080.02 із захисту дисертацій при Національному гірничому університеті Міністерства освіти і науки України за адресою: 49027, м. Дніпропетровськ – 27, пр. К. Маркса,19.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України за адресою:

м. Дніпропетровськ – 27, пр. К. Маркса,19.

Автореферат розісланий 08.06.2004 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

Д 08.080.02, канд.техн.наук, доцент В.В. Панченко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В Україні річний видобуток відкритим способом доломітів, вапняків, кварцитоподібних пісковиків, гранітів, андезитів, графіта та інших скельних нерудних корисних копалин, як мінеральної сировини для металургійної, будівельної, хімічної та харчової галузей промисловості перевищує 60 млн т. На 258 таких родовищах, які розташовані у 22 областях, ізометричні або плитоподібні поклади корисних копалин розробляються горизонтальними шарами при систематичному заглибленні гірничих робіт. Глибина кар’єрів проектами передбачається до 200...225 м. Розкривні породи і відходи переробки сировини, які уцілому є відходами гірничого виробництва, складують у зовнішніх відвалах та сховищах без розподілу за видами. В них також розміщують попутні корисні копалини (ПКК), що розробляються у покривній товщі розкривних порід валовим способом. Відвали і сховища відходів розташовані на відстані 2...10 км від кар’єрів. Порушені ними родючі землі площею 48...50 тис. га у 1,4...1,6 разів перевищують площу кар’єрних полів і повністю виводяться із сільськогосподарського використання. За загальною площею земель, які порушуються відкритими розробками, нерудні кар’єри займають друге місце у державі після залізорудних кар’єрів. Поряд з економічними збитками при порушенні таких земель погіршується екологічний стан природного середовища.

У результаті аналізу технології розробки скельних нерудних родовищ встановлено, що при глибині кар’єрів 100...110 м споживається на 20...30% енергетичних ресурсів більше, ніж в аналогічних умовах видобування бурого вугілля, марганцевої руди, сірчанистих вапняків, каолінів та вогнетривких глин, які представлені горизонтальними родовищами потужністю до 25 м. Для цих родовищ більш низьке споживання ресурсів та менші витрати на добування корисних копалин обумовлені переміщенням розкривних порід на невеликі відстані при складуванні їх у виробленому просторі, комплексним використанням мінеральних ресурсів та рекультивацією порушених земель для сільськогосподарського виробництва. Застосування відомої технології розробки з переваленням відходів драглайнами і переміщенням їх у вироблений простір конвеєрами та відвалоутворювачами на нерудних родовищах неможливе, що обумовлено їх невеликими розмірами у плані, меншою продуктивністю та більшою у 2...8 разів потужністю покладу корисної копалини.

Внутрішньокар’єрне складування відходів можна також використовувати за більшої глибини розробки і потужності покладу корисної копалини на видовжених родовищах шляхом їх поетапної відробки, у тому числі і крутими виїмковими шарами (КВШ). Ця технологія реалізується на залізорудних кар’єрах Кривбасу і деяких вугільних розрізах Росії. Однак, при її застосуванні для розробки нерудних скельних корисних копалин внутрішньокар’єрне складування відходів можливе тільки на останніх етапах відробки 5...6% родовищ. В цілому ж для згаданих нерудних родовищ технологія їх розробки з роздільним складуванням ПКК і відходів виробництва у межах кар’єрного поля, починаючи з початку його відробки, без порушення інших земельних площ відвалами та шламосховищами, не розроблена і не обґрунтована. Необхідною умовою є забезпечення рекультивації порушених кар’єрами земель для використання їх насамперед у сільськогосподарському виробництві.

У цьому зв’язку наукове обгрунтування технології відкритої розробки скельних нерудних родовищ із внутрішньокар’єрним складуванням відходів виробництва і попутної сировини з рекультивацією порушених земель переважно для сільськогосподарського використання є актуальна науково-практична проблема. Вирішення її дозволить добувати близько 80% нерудної сировини зі зниженням на 50...60% площі відведених земель, з яких біля 35...40% буде повернуто до сільськогосподарського використання. За рахунок цього буде досягнуто зниження у 2,5...4 рази енергетичних ресурсів, а також забезпечена маловідходність виробництва та зменшені екологічні порушення природного середовища.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Дисертаційна робота виконана згідно з тематичними планами важливих держбюджетних робіт Міністерства освіти і науки України “Обгрунтування ресурсозберігаючих технологій розробки скельних нерудних корисних копалин України на основі використання гірничотранспортних систем з удосконаленими конвеєрами”, “Обгрунтування технологічних параметрів добувних робіт при поетапній відробці та комплексному освоєнні родовищ скельних нерудних корисних копалин” (№№ держреєстрації 0194U009459, 0197U016035), Міністерства промислової політики України “Удосконалення відобування, переробки та утилізації вапняків України” (№ держреєстрації 0101U000336), де автор був відповідальним виконавцем, госпрозрахункових робіт з Балаклавським РУ (№№ держреєстрації 01910009697, UA01000471Р, 0195U012215 та 0194U015687), у яких автор був науковим керівником.

Мета роботи – наукове обгрунтування та створення ефективної технології розробки родовищ скельних нерудних корисних копалин з внутрішньокар’єрним складуванням відходів гірничого виробництва.

Для досягнення зазначеної мети у роботі ставились та вирішувались такі задачі:

1. На основі аналізу особливостей технології розробки скельних нерудних родовищ з внутрішньокар’єрним складуванням попутних корисних копалин і відходів виробництва розробити її теоретичні основи.

2. Систематизувати скельні нерудні родовища та виділити для них базові кар’єри як типові об’єкти досліджень технології розробки з внутрішньокар’єрним складуванням відходів.

3. Сформувати енергозберігаючі комплекси обладнання для нерудних кар’єрів при складуванні у їх виробленому просторі попутної сировини та відходів виробництва.

4. Обгрунтувати технологічні схеми гірничих робіт при поетапній відробці нерудних родовищ крутими шарами та схеми внутрішньокар’єрного складування відходів і попутних корисних копалин.

5. Апробувати і впровадити на нерудних кар’єрах технологічні схеми їх поетапної розробки крутими виїмковими шарами з внутрішньокар’єрним складуванням відходів, сформулювати концепцію освоєння нерудних родовищ.

Основна ідея полягає у використанні способу поетапної розробки кар’єрних полів крутими виїмковими шарами для інтенсивного формування виробленого простору, складування в ньому відходів виробництва та попутної сировини з початкового періоду відробки.

Об’єкт дослідження – процеси і способи механізованого проведення гірничих робіт з внутрішньокар’єрним складуванням розкриву, відходів переробки і попутної сировини при добуванні скельних нерудних корисних копалин.

Предмет дослідження – технологічні схеми і комплекси обладнання для ведення гірничих робіт з внутрішньокар’єрним складуванням відходів виробництва та формуванням техногенного родовища.

Методи дослідження. У роботі використані такі методи: статистичний – при систематизації кар’єрних полів і виділенні базових нерудних кар’єрів; аналітичний – для дослідження параметрів технології, установлення закономірностей енергоспоживання комплексами обладнання і обґрунтування ефективності застосування технології поетапної розробки корисних копалин на базових нерудних кар’єрах; техніко-економічного аналізу – при обґрунтуванні критерія вибору раціональних комплексів обладнання та оцінки результатів впровадження технологічних схем на гірничовидобувних підприємствах; гірничо-геометричного аналізу – для оцінки об’ємів виймання порід на етапах експлуатації та режиму гірничих робіт; метод варіантів – для обґрунтування технологічних схем; економіко-математичного моделювання – для оптимізації параметрів технологічних схем ведення відкритих гірничих робіт при внутрішньокар’єрному складуванні відходів виробництва та попутних корисних копалин; інструментального маркшейдерського нагляду – для підтвердження та перевірки розроблених технологічних схем у промислових умовах.

Наукові положення і результати, які захищаються:

1. При розробці нерудних родовищ скельних корисних копалин внутрішньокар’єрне складування відходів виробництва у відвалах та попутної сировини у техногенних родовищах буде реалізовано найбільш ефективно шляхом використання поетапної відробки родовищ. На першому етапі розробки породи розкриву та відходи доцільно складувати на 55...80% у межах поверхні кар’єрного поля, у подальшому їх потрібно переміщувати транспортом та гравітаційно у вироблений простір. Його формування необхідно проводити будівництвом кар’єру першої черги з темпами поглиблення 5...15 м/рік та наступною відробкою порід почерговими крутими шарами від верхнього уступу до нижнього за встановленими параметрами.

2. Питомі витрати на виймання, транспортування, внутрішньокар’єрне роздільне складування відходів виробництва і попутних корисних копалин та рекультивацію порушених земель збільшується з потужністю перекриваючих порід розкриву, глибиною кар’єру і його площею за лінійними залежностями, з урахуванням яких доцільними для застосування поетапної відробки скельних нерудних родовищ будуть кар’єрні поля глибиною 45...225 м, площею 10...300 га із потужністю розкриву 6...60 м.

3. При розробці скельних нерудних родовищ з внутрішньокар’єрним роздільним складуванням порід доцільність застосування комплексів гірничотранспортного обладнання повинна оцінюватися величиною питомої енергоємності їх роботи, яка з відстанню транспортування гірської маси збільшується за лінійними (для колісних навантажувачів і стрічкових конвеєрів) та експоненційними (для автосамоскидів та залізничних поїздів) залежностями. На їх основі раціональними засобами механізації будуть комплекси з автосамоскидами і колісними навантажувачами (на розкривних і відвальних роботах) та їх комбінації з конвеєрами і залізничними поїздами (на видобувних роботах), що застосовуються при переміщені корисних копалин із кар’єрів на висоту 40...60 м стрічковими конвеєрами і 30...114 м залізничними поїздами.

4. Раціональні параметри робочої зони кар’єрів (її розміри, об’єм і терміни формування), які забезпечують безперервне ведення гірничих робіт при мінімальних об’ємах переекскавації відходів виробництва у вироблений простір, досягаються формуванням кар’єру першої черги з одним робочим бортом вхрест простягання покладу корисної копалини, мінімальною за технологічними умовами шириною крутого виїмкового шару і максимальною безпечною висотою до 54...59 м прибортового відвалу, що розміщується під укосом шару. З урахуванням цього корисну копалину необхідно розділити за вертикальною потужністю на 1...3 крутих шари, створити у кожному із них окремі робочі площадки, та забезпечити короткотермінове функціонування відвалу під укосом кожного шару протягом 8...18 місяців, що підвищує його стійкість.

5. Мінімальні витрати на складування різнотипових відходів гірничого виробництва та рекультивацію відвалів, техногенних родовищ і шламосховищ будуть забезпечуватися при внутрішньокар’єрному гравітаційному відвалоутворенні скельних та м’яких порід прошарками у ярусах висотою до 85...90 м жолобома-скидачами, колісними навантажувачами і бульдозерами. На верхній площадці внутрішнього і приконтурного відвалів доцільно складувати шлами у картах намиву, з яких створюються шламосховища, а у верхньому ярусі техногенного родовища висотою до 15 м необхідно розмістити виділені в траншеях-деконтаторах і обезводжені фракції шламів, що утилізуються. При відробці першого етапу кар’єрних полів скельних нерудних родовищ площею 11...50 га шламосховища доцільно формувати у відпрацьованих сусідніх кар’єрах або на зовнішніх ділянках земельних неугідь для їх рекультивації.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Створена нова технологія розробки нерудних родовищ скельних і напівскельних корисних копалин, яка відрізняється роздільним розміщенням в установленому порядку усіх вийнятих в період експлуатації кар’єрів попутних корисних копалин та отриманих відходів виробництва в межах гірничих відводів, що забезпечило зменшення у 1,2...2,1 разів площі порушених земель та в 1,6...4 рази витрат на розкривні, відвальні і рекультиваційні роботи.

2. Вперше для різних способів поетапної відробки з внутрішньокар’єрним складуванням відходів гірничого виробництва на нерудних кар’єрах установлені закономірності зміни витрат на виймання розкриву, його транспортування, відвалоутворення і рекультивацію відвалів з урахуванням великого діапазону глибини розробки (30...225 м), площі кар’єрного поля (10...300 га), виймання порід у крутих і горизонтальних шарах, часткової та повної переекскавації відходів із тимчасових зовнішніх і внутрішніх відвалів у вироблений простір, що дозволило визначити ефективні способи розробки кар’єрних полів, які відрізняються між собою гірничо-геологічними умовами та гірничо-технічними параметрами.

3. Вперше для кар’єрів по видобутку скельних нерудних корисних копалин установлені залежності між їх довжиною, шириною, глибиною кар’єрів та їх річною продуктивністю по гірської масі і розкриву, що забезпечило виділення базових кар’єрів як основних об’єктів дослідження технології поетапної розробки родовищ з внутрішньокар’єрним роздільним складуванням відходів та попутної сировини.

4. Удосконалені методи розрахунку параметрів робочої зони кар’єру і технологічних схем при поетапній відробці скельних нерудних родовищ, які відрізняються врахуванням об’ємів розкривних порід, що роздільно складуються та неодноразово переекскавуються на поверхні кар’єрного поля, під укосом робочого борту, у виробленому просторі, а також його використанням для формування техногенного родовища і застосуванням показника мінімальної питомої енергоємності для вибору комплексів обладнання та попередньої оцінки ефективності технологічних схем при їх порівнянні, що забезпечило оптимізацію параметрів системи розробки.

5. Установлені нові для скельних нерудних родовищ залежності питомої енергоємності комплексів гірничотранспортного обладнання від відстані переміщення порід, з урахуванням використання мобільних колісних навантажувачів та нових перевантажувальних пунктів. На основі цього були сформовані енергозберігаючі комплекси для проведення розкривних, відвальних, видобувних і рекультиваційних робіт на базових кар’єрах.

6. Вперше для умов роздільного складування різнотипових відходів гірничого виробництва та попутних корисних копалин на нерудних кар’єрах установлені закономірності зміни питомих витрат і енергоємності на складування з урахуванням формування стійких високих ярусів із м’яких та твердих порід, створення постійних шламосховищ у виробленому просторі і на зовнішніх земельних ділянках та тимчасових – на поверхні кар’єрного поля перед фронтом гірничих робіт, виділення із шламів утилізуємих (товарних) фракцій відходів при їх складуванні. На основі цього визначено раціональний режим відробки родовищ, який забезпечив розміщення усіх типів відходів та попутних корисних копалин у виробленому просторі діючих та виведених з експлуатації кар’єрів або на зовнішніх земельних неугіддях і відводах з незначною площею, що дозволяє локалізувати екологічні порушення природного середовища та обгрунтувати нову концепцію освоєння нерудних родовищ.

7. Вперше розроблена методика визначення місткості проміжного складу корисних копалин у послідовних ланках екскаваторно-транспортно-розвантажувальних комплексів з конвеєрним транспортом за мінімальною величиною приросту між енергоємностями транспортно-перевантажувальних робіт усіх ланок, які функціонують у плановому режимі та з урахуванням їх фактичних простоїв, що дозволило установлювати параметри перевантажувальних площадок та транспортних комунікацій у робочій зоні, де виконується формування відвалів і техногенних родовищ.

Наукове значення роботи полягає у розробці теоретичних основ технології відкритої розробки нерудних родовищ скельних корисних копалин при внутрішньокар’єрному складуванні відходів та попутних корисних копалин, яка забезпечує раціональне використання землі, зниження витрат енергетичних ресурсів і екологічних порушень природного середовища.

Практичне значення роботи полягає: –

у розробці для нерудних кар’єрів методик розрахунку параметрів технологічних схем гірничих робіт при поетапній відробці родовищ крутими виїмковими шарами з внутрішньокар’єрним складуванням відходів гірничого виробництва і формуванням техногенних родовищ з попутних корисних копалин, а також розрахунку питомої енергоємності роботи комплексів обладнання у кар’єрах;–

у впровадженні розроблених методик при проектуванні технології з внутрішньокар’єрним складуванням відходів; –

в обгрунтуванні нової концепції освоєння нерудних родовищ скельних і напівскельних корисних копалин; –

у створенні нових конструкцій перевантажувальних пунктів та акумулюючих складів, обгрунтуванні їх параметрів та області їх використання на нерудних кар’єрах; –

у розробці нових технологічних схем розкривних і відвальних робіт та способів утилізації відходів виробництва при їх складуванні; –

у впровадженні технологічних схем виконання гірничих робіт при поетапній розробці Баничського родовища кварцитовидних пісковиків, Кадиківського та Псилерахського родовищ флюсових вапняків, Любимівського родовища гранітів; –

у впровадженні способу утилізації відходів збагачення вапняків, що раніше складувалися у відвалі, шляхом використання при виробництві агломерату; –

у використанні методик і результатів роботи при читанні лекцій та проведенні практичних занять з дисципліни “Технологія відкритої розробки родовищ корисних копалин” у навчальному процесі Національного гірничого університету.

Достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджується: використанням основних положень і законів теорії та практики відкритих гірничих робіт; використанням математичних моделей, які базуються на технічних, енергетичних і економічних показниках гірничого виробництва з достатнім рівнем адекватності; зіставленням результатів теоретичних досліджень із фактичними параметрами технології та показниками використання комплексів обладнання на гірничих роботах діючих кар’єрів (розбіжність не перевищує 9…12%); коректним використанням методів математичної обробки експери-ментальних і проектних даних; позитивними результатами дослідно-промислової перевірки та реальним ефектом впровадження розроблених рекомендацій на діючих нерудних гірничовидобувних підприємствах та при їх проектуванні.

Особистий внесок здобувача в розробку наукових результатів, винесених на захист. Автором сформульовані проблема, мета та задачі досліджень, ідея роботи, основні наукові положення, висновки і рекомендації, розроблені методики досліджень, теоретично обґрунтована ресурсо- та землезберігаюча технологія розробки нерудних родовищ крутими шарами з внутрішньокар’єрним роздільним складуванням відходів виробництва; з його участю розроблені конструкції перевантажувальних пунктів і складів, виконано впровадження проектів, рекомендацій та результатів дисертації на Глухівському кар’єрі кварцитів, кар’єрах Балаклавського рудоуправління та Любимівському гранітному кар’єрі.

Реалізація роботи:

Основні результати і рекомендації роботи використані: на Глухівському кар’єрі кварцитів – при його поетапній відробці з внутрішнім відвалоутворенням розкриву та при рекультивації внутрішніх відвалів, а також малопродуктивних земель у рахунок компенсації територій, які відведені для кар’єру (акт Глухівського кар’єру від 15.03.2000 р.); на Балаклавському рудоуправлінні – при внутрішньокар’єрному відвалоутворенні різнотипових розкривних порід Псилерахського кар’єру у приконтурному відвалі, при доробці флюсових вапняків крутими виїмковими шарами на Кадиківському кар’єрі та відвалоутворенні розкривних порід у прибортовому відвалі кар’єру за патентами 5505 та 17407 (акти Балаклавського РУ від 28.12.92, 30.12.92, 10.10.95, 10.01.96, 14.01.96, 19.12.97, 16.01.99 рр.); у проекті інституту Укрдіпроруда – при складуванні відходів переробки флюсових вапняків у виробленому просторі Кадиківського кар’єру (акт Укрдіпроруди від 06.10.2000 р.); на Балаклавському РУ – при утилізації сухих відходів збагачення, які призначалися для складування у відробленому кар’єрі (акт Балаклавського РУ від 27.06.97 р.); на Любимівському гранітному кар’єрі при реалізації технології поетапної розробки родовища із складуванням відходів виробництва першого етапу на борту і розкривних порід на прилеглих малопродуктивних землях для їх рекультивації (акт Любимівського кар’єру від 20.12.2000 р.). Всього за рекомендованими схемами у внутрішніх відвалах кар’єрів заскладовано понад 1,6 млн м3 різнотипових порід, у прибортових і приконтурних відвалах – біля 1,58 млн м3, рекультивовано 14,2 га земель, утилізовано без складання у відвали близько 216 тис. т відходів виробництва флюсових вапняків, що забезпечило реальний економічний ефект 10,146 млрд крб. у 1992–95 рр. та 2,641 млн грн – у 1996–99 рр.

Апробація результатів роботи. Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися на міжнародних науково-практичних конференціях: “Екологізація виробництва і управління відходами виробництва” (Дніпропетровськ, 1996), “Проблеми реформування економіки України в умовах транзиції” (Харків, 1998), ”Мельниковские чтения” (Москва, 1998), “Використання відходів виробництва гірничо-металургійного, паливно-енергетичного комплексів України, хімічних та гальванічних виробництв, у будівельній індустрії та дорожному господарстві” (Ялта, 2000), “Нові технології і обладнання з переробки промислових відходів і їх медико-екологічне забезпечення” (Трускавець, 2001), “Право власності на промислові відходи і його реалізація у сучасному законодавчо-нормативному полі” (Київ, 2001), “Науково-технічні аспекти використання відходів кольорової металургії, в тому числі алюмінієвої промисловості і суміжних з нею виробництв” (Рівне, 2002); науково-технічних галузевих і республіканських конференціях: “Проблеми геотехнології і інженерної екології” (Київ, 1992), “Комплексное и рациональное освоение железорудных месторождений и охрана природы” (Губкін, 1990), “Удосконалення комплексної розробки рудних родовищ” (Кривий Ріг, 1990), “Технічні засоби і організація видобутку корисних копалин підводним, підземним і відкритим способами” (Дніпропетровськ, 1990); на науково-технічній раді Міністерства промислової політики України (Київ, 2000) та техрадах інституту Укрдіпроруда (Харків, 1990-1992, 2000), Балаклавського рудоуправління (Севастополь, 1991-2000), концернів “Дніпронерудпром” (Дніпропетровськ, 1995) та “Укррудпром” (Кривий Ріг, 1998-2000), Глухівського кар’єру кварцитів, Токовського, Коростенського, Новопавлівського і Любимівського гранітних кар’єрів, засіданнях наукової ради проблемної науково-дослідної лабораторії № 1 Національного гірничого університету.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 61 наукова праця, у тому числі: монографії -– 1; статті у провідних фахових виданнях – 25; патенти та авторські свідоцтва – 20; доповіді на науково-технічних конференціях – 7; тези доповідей – 8. Особисто опубліковано 30 робіт, з яких у провідних фахових виданнях – 21, одержано патентів – 3.

У співавторстві опубліковано робіт загальним обсягом 28,9 у.д.а., з них автору належить 8,7 у.д.а.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, 6 розділів і висновків, списку використаних джерел із 240 найменувань на 25 сторінках; викладена на 280 сторінках машинописного тексту, містить 89 рисунків на 56 сторінках, 31 таблицю на 24 сторінках, та 8 додатків на 82 сторінках, загальний обсяг 467 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність досліджень, сформульовані науково-практична проблема, мета та задачі дослідження, об’єкт, предмет та ідея роботи, відображена наукова новизна і практичне значення, наведені наукові положення, що виносяться на захист, а також дані щодо апробації та публікації досліджень.

Розділ 1. Стан і перспективи розвитку відкритої розробки скельних нерудних родовищ України

В Україні знаходиться понад 1735 родовищ скельних та напівскельних нерудних корисних копалин. Із них для промислового освоєння виділено родовищ: 747 – осадових та метаморфізованих порід (вапняків, доломітів, кварцитів, пісковиків, мергеля, спанголітів); 628 – магматичного походження (гранітів, діоритів, гранодіоритів, графіту та ін.). М’які нерудні корисні копалини розвідані більше ніж на 520 родовищах. Технологія відкритої розробки їх науково обгрунтована, достатньо вивчена і впроваджена у практику видобутку пісків, глин, каолінів, суглинків та ін. Тому подібні родовища не виступають об’єктами виконаних досліджень.

В останні роки родовища нерудних корисних копалин експлуатуються з річним видобутком сировини у цілому для виробництва: флюсів – 25…30 млн т; цементу, вапна та ін. в’яжучих – 15…18 млн т; будівельного щебеня – 16…20 млн м3. Обсяги видобутку їх поступово зростають. Запаси оцінюються в об’ємі понад 5 млрд м3. Вони зосереджені у 22 областях країни. Залягають на глибині до 200…225 м під товщею розкривних порід до 30…50 м, а деякі й глибше. Розробляються кар’єрами, які інтенсивно заглиблюються та збільшуються за розмірами по поверхні від 0,25 до 3 км.

Понад 85% осадових і 100% магматичних нерудних корисних копалин розробляються зі складуванням розкривних порід та відходів переробки у зовнішніх відвалах і сховищах. Для них, а також під транспортні комунікації відводиться 22…50% усіх земельних площ гірничовидобувного підприємства. Відводи ж під кар’єрними полями становлять менше 20…36%. Тому на нерудних підприємствах близько 48…50 тис. га земель на 30–50 років виводяться з сільськогосподарського використання. Потім порушені зовнішніми відвалами і сховищами відходів землі рекультивують здебільшого під лісонасадження. У відроблених же кар’єрах накопичується вода, звалища сміття та ін. Це призводить до розбалансування і екологічного порушування навколишнього середовища.

Із поглибленням кар’єрів відстань перевезень відходів у зовнішні відвали збільшується, через що підвищуються й витрати енергетичних ресурсів, із них: у 1,1…1,6 разів кількість споживаної електроенергії, на 38…40% – палива, 10…15% – мастильних і обтиральних матеріалів. Витрати людської праці також підвищуються на 30…38%. Оскільки зазначені енергетичні ресурси у собівартості видобутку корисних копалин на кар’єрах становлять 76…82%, то і загальні економічні показники гірничих підприємств погіршуються.

Аналіз роботи багатьох кар’єрів показав шляхи поліпшення ефективності розробки родовищ нерудної мінеральної сировини: застосування технології з внутрішньокар’єрним складуванням відходів виробництва; транспортування гірської маси з широким використанням конвеєрів та електрифікованого залізничного транспорту; вилучення з розкривних порід попутних корисних копалин з формуванням із них техногенних родовищ (ТР) ПКК; утилізація відходів виробництва з використанням їх у народному господарстві. Не менш важливим шляхом є рекультивація порушених земель для використання у сільському господарстві як на етапах розробки родовищ, так і після їх завершення.

Розглядаючи стан дослідження зазначених вище проблем, слід відзначити уже відомі наукові здобутки. Різні питання з технології відкритої розробки родовищ корисних копалин розглядались у працях М.В. Мельникова, В.В. Ржев-ського, Є.Ф. Шешко, М.Г. Новожилова, Б.Н. Тартаковського, М.В. Васильєва, П.І. Томакова, А.Ю. Дриженка, А.Г. Шапара, І.Л. Гуменика, В.І. Прокопенка, В.Ф. Бизова, В.Г. Близнюкова, Е.І. Єфремова, Р.С. Крисіна, В.П. Мартиненка, М.С. Четверика, В.П. Шпортька, Ю.Г. Вілкула, В.Д. Воробйова, М.Т. Бакки, О.С. Пригунова, С.З. Поліщука, А.Г. Темченка, С.О. Жукова, Ю.І. Аністратова, В.С. Коваленка, В.Л. Яковлєва, Ю.І. Леля, Б.І. Шлаіна, В.І. Горкунова, К.М. Трубецького, А.Д. Буянова, Г.Р. Буткевича, І.І. Гаврилюка, Г.Д. Пчолкіна, А.С. Лягутка, А.Х. Кузьменка, С.А. Бондаря, М.В. Хільченка та ін.

Аналіз цих наукових праць показав, що глибокі кар’єрні поля можна від-робляти з розміщенням значної кількості відходів у виробленому просторі за способами поетапної розробки родовищ. Особливо ефективна технологія їх відробки крутими виїмковими шарами. Проте, для умов відкритої розробки скельних нерудних родовищ із внутрішньокар’єрним складуванням відходів та ПКК зазначені способи не досліджувалися. Велика розбіжність і кількість різних за розмірами кар’єрів ускладнює виконання досліджень. Подальшого обгрунтування потребують технології відвальних робіт із мінімальним порушенням земель при роздільному складуванні різнотипових порід і відходів, як скельних та м’яких, так і рідких та твердих. При тому виявлено, що буропідривні процеси на нерудних кар’єрах науково обгрунтовані, достатньо досліджені, апробовані та широко впроваджені на підприємствах. На основі аналізу особливостей діючої технології та відомих наукових праць сформульовані актуальність, суть науково-практичної проблеми, мета, задачі та методи дослідження.

Розділ 2. Теоретичні основи технології розробки скельних нерудних родовищ із внутрішньокар’єрним складуванням відходів і попутної сировини.

Аналізуючи досвід відкритої розробки родовищ та результати наукових досліджень, обгрунтовані основні концептуальні положення освоєння покладів нерудних скельних і напівскельних корисних копалин. Ними передбачається: роздільне складування відходів виробництва тільки у межах кар’єрного поля; заповнення виробленого простору уздовж неробочого борту на повну глибину кар’єрів до поверхні землі; утилізація порід розкриву та відходів переробки корисних копалин із подальшим використанням їх у народному господарстві, а також складування в техногенних родовищах у тому місці виробленого простору, яке забезпечить ефективну повторну відробку цих відходів; рекультивація поверхні відвалів і ТР, а також прилеглих земель під сільськогосподарські угіддя.

Зазначена технологія реалізується за удосконаленими і новими технологічними схемами ведення гірничих робіт. Під ними розуміється сукупність основних і допоміжних виробничих процесів у поєднанні з необхідними для їх виконання виробками, засобами механізації, що забезпечують безпечну та ефективну розробку корисних копалин. Вони включають локальні технологічні схеми розкривних і видобувних робіт, складування відходів і ПКК та відновлення поверхні порушуваних земель.

Розрахунками об’ємів утворення відходів за методом гірничогеометричного аналізу підтверджена можливість їх більш раннього внутрішньокар’єрного складування шляхом поетапної відробки кар’єрних полів крутими та горизонтальними шарами. Розглянуті можливі способи поетапної відробки нерудних родовищ. Відходи гірничого виробництва і ПКК переміщують частково у зовнішні та внутрішні відвали. Кар’єр першої черги (КПЧ) може формуватися до проміжної і кінцевої глибини. Породи переміщують в вироблений простір КПЧ як гравітаційно, так і колісним транспортом. До оцінки прийняті такі способи, які забезпечують найменші об’єми повторної переекскавації і переміщення порід у кар’єрному полі. За показниками середньорічних експлуатаційних питомих витрат на розкривні, транспортні, відвальні і рекультиваційні роботи 3В (грн/м3), середньої відстані переміщення відходів виробництва для їх складування L (км) та площі порушених розробками земель SН (га), оцінюється шість способів розробки: І – інтенсивно формують КПЧ до кінцевої глибини, його відходи переміщують у зовнішні відвали (переважно на рекультивацію неугідь) і ТР ПКК, потім залишкові відходи розміщують у виробленому просторі, який формується відробкою порід крутими шарами; ІІ – інтенсивно формують КПЧ до проміжноі глибини, його відходи – у зовнішні відвали, далі усі відходи з переекскавацією складають у виробленому просторі; ІІІ – інтенсивно формують КПЧ до кінцевої глибини, його відходи розміщують у тимчасових зовнішніх відвалах та ТР ПКК на борту, потім їх і усі інші відходи переміщують у вироблений простір; IV – інтенсивно формують КПЧ до кінцевої глибини, його відходи направляють у приконтурний відвал (ПКВ), на решті поверхні кар’єрного поля, потім їх переміщують з усіма іншими відходами у вироблений простір – спочатку тимчасово складують під укосом робочого борту у прибортовому відвалі (ПБВ), а згодом доставляють у постійний внутрішній відвал та ТР ПКК, відробка порід аналогічно як і у способах ІІ і ІІІ проводиться у горизонтальних шарах; V – КПЧ формують аналогічно способу ІV при розробці порід у КВШ з гравітаційним і транспортним переміщенням відходів у ПБВ та вироблений простір; VI – КПЧ формують аналогічно способу V, далі розробляють породи у КВШ з переміщенням у вироблений простір колісним транспортом.

Оцінка проводилась для кар’єрів, умовно розділених на групи 1...6 у порядку зростання продуктивності з корисної копалини ПИ (тис. м3/рік). Інші показники – кінцева глибина НК (м), площа поверхні SП (га) та потужність розкривних порід у товщі покриву НВ (м) такі: 1 – ПИ = 70...250, НК = 75...80, SП = 10...11,5, НВ = 15...18; 2 – ПИ = 400...600, НК = 85...100, SП = 30...45, НВ = 18...20; 3 – ПИ = 800...1000, НК = 100...105, SП = 50...75, НВ = 2...5; 4 – ПИ = 900...1200, НК = 55...65, SП = 90...108, НВ = 12...18; 5 – ПИ = 1300...1600, НК = 170...200, SП = 180...300, НВ = 45...60; 6 – ПИ = 1800...2000, НК = 60...80, SП = 70...100, НВ = 3...8.

Розмістивши способи поетапної відробки кар’єрних полів на осі абсцис у порядку зростання відстані L у кожному з них – V, VI, II, III, IV, I, установлені закономірності зміни L, площі SН та витрат ЗВ (рис. 1). Відстань переміщення відходів L зростає прямолінійно, збільшуючись у 1,7...2,4 рази (кар’єри 1, 2 груп) та непрямолінійно (у групах 3, 4, 5). При цьому, вказана відстань зростає у 1,3...7,5 разів на кар’єрах, що розробляють родовища способами із вийманням порід у горизонтальних шарах відносно кар’єрів, де відробка ведеться способами виймання у КВШ.

Площа порушених земель SН на кар’єрах 1,...,4, 6-ї груп однакова у способах V, VI та I, у інших – зростає у 1,1...1,4 рази. Для кар’єрів 5-ї групи площа SН збільшується в 1,2 рази у способі І.

Витрати ЗВ (див. рис. 1) змінюються зростаючи у 2,0...5 разів від використання на кар’єрах способів V, VI до способів II, III, а потім монотонно зменшуються у 1,2...2,2 рази при застосуванні способів I, IV. У цілому ж відстань L,площа SН та витрати ЗВ зростають від способів із вийманням порід у КВШ до способів з вийманням їх у горизонтальних шарах. Найменші величини показників L, SН і ЗВ забезпечуються при використанні способів поетапної відробки кар’єрних полів КВШ.

Розглядаючи детальніше вплив на величину витрат 3В показників НК, SП та НВ доказано, що використання способів поетапної відробки родовищ І, V, VI у порівнянні з існуючим – вийманням порід у горизонтальних шарах з переміщенням відходів виключно до зовнішніх відвалів та сховищ – стає доцільним, коли: НК 40...45 м, НВ 5...6 м, SП 10,5...11 га.

На основі наведених результатів сформульовані два перших наукових положення дисертації та вирішена перша задача досліджень. До подальшого розгляду рекомендовані способи поетапної відробки кар’єрних полів І, V і VІ.

У зв’язку з цим для детального обгрунтування рекомендованої технології виділені базові нерудні кар’єри, як типові об’єкти наших досліджень. Вони виділені при систематизації обстежених 258 кар’єрних полів нерудних родовищ за показниками SП та НК, що включає і НВ.

Кар’єрні поля нерудних родовищ розділені на 5 груп за ознаками кінцевої глибини розробки НК з інтервалом 30…50 м, що відповідає висоті стійкого ПБВ: неглибокі (до 20), мілкі (20…50), середньої глибини (51…100), глибокі (101…200) і надто глибокі (понад 201 м). За величиною загальної площі SП: малої (до 20), середньої (21…100) та великої (понад 101 га) площі. Неглибокі поля вже достатньо вивчені з точки зору технології їх розробки із складуванням роз-криву у виробленому просторі. Тому розглядається решта їх.

Статистичною обробкою обстежених 258 кар’єрних полів на ПЕОМ за методом найменших квадратів одержані кореляційні залежності між продуктивністю з гірської маси ПГМ, загальним ПВ і скельним розкривом ПСК (тис. м3/рік) та розмірами кар’єрних полів – довжиною LК, шириною ВК і глибиною НК (м). На їх основі виділено 7 типів базових нерудних кар’єрів (табл. 1), які охоплюють усі обстежені родовища. Їх основні параметри описуються рівняннями регресії з відповідними коефіцієнтами множинної кореляції RГМ та RВ:

а) малої площі:

1-й тип ПГМ = –38,1 + 0,085LК + 0,15ВК + 1,67НК; RГМ = 0,71;

ПВ = –25,97 – 0,19LК + 0,26ВК + 1,28НК; RВ = 0,82; (1)

б) середньої площі:

2, 3-й ПГМ = –1092,8 + 0,853LК + 1,451ВК + 5,263НК; RГМ = 0,78;

типи ПВ = –314,53 + 0,11LК + 0,59ВК + 1,53НК; RВ = 0,62; (2)

в) великої площі:

4, 5, 6, 7-й ПГМ = 715,7 – 0,17LК + 1,21ВК + 5,93НК; RГМ = 0,51;

типи ПВ = –612,5 + 0,095LК + 1,21ВК + 5,93НК; RВ = 0,64. (3)

За цими результатами вирішена друга задача досліджень.

Для обгрунтування раціональних технологічних схем ведення гірничих робіт, вибору комплексів обладнання (КО) і розрахунку параметрів технології розроблені відповідні методики та економіко-математична модель. За нею обгрунтування параметрів системи розробки і вибір раціональних технологічних схем робіт здійснюється за основним критерієм – мінімумом експлуатаційних питомих витрат СДmin (грн/м3). Для вибору КО і попередньої оцінки технологічних схем гірничих робіт з їх використанням уведено допоміжний критерій – мінімум питомої енергоємності технологічних процесів ?Эmin (кВт•год/м3).

Питомі витрати СД визначаються як сума витрат на буріння та вибухове подрібнення, екскавацію, транспортування, перевантажування і первинну підготовку (грохочення) порід, відвалоутворення і рекультивацію порушених земель.

У загальному вигляді величина ?Э визначалася за формулою:

щЭ=(щЭБ+щЭВ+щЭЭ+щЭТ+щЭДР+щЭН+щЭО+щЭРВ+щЭОП+щЭХО+щЭІВ)min, (4)

де ?ЭБ, щЭВ, щЭЭ, щЭТ, щЭДР, щЭН, щЭО, щЭРВ – питома енергоємність процесів буріння, вибухового подрібнення, екскавації, транспортування, дроблення та грохочення гірських порід, відвалоутворення, рекультивації та відновлення родючості порушених земель, кВт·год/м3; щЭОП, щЭХО – питома енергоємність робіт з обслуговування персоналом технологічних процесів та господарсько-побутових послуг на їх забезпечення, кВт·год/м3.

У виразах (4) кожна зі складових питомої енергоємності ?Э розраховується за відповідними формулами методики що приведена в дисертації. У загальному вигляді питома енергоємність на виконання і-го технологічного процесу ?Эі розраховувалася за виразом:

(5)

де mЭ, mП, mГСМ, m – відповідно число споживачів електроенергії, видів палива, мастильних та обтиральних матеріалів (ПММ) а також видів обслуговування персоналом технологічного процесу; РТ?, РГСМ? – витрати палива, мастильних і обтиральних матеріалів ?-го виду, кг; WЭj – кількість витраченої електроенергії j-м споживачем, кВт·год; qТ?, qГСМ? – питома теплота згоряння палива і мастильних та обтиральних матеріалів, кДж/кг; kТ – еквівалентний коефіцієнт перерахунку теплової енергії на електричну при спалюванні палива, ПММ та інших матеріалів у енергетичних котлах, кВт·год/кДж; ТТР? – витрати трудових ресурсів, людино-год; 0,05–0,073 – показник витрат енергії людиною при довготривалій роботі в середньому за 1 год (методика АН СРСР), кВт.

Таблиця 1

Головні параметри базових нерудних кар’єрів

Параметри | Тип базового кар’єру*

1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7

Кількість обстежуваних кар’єрних полів | 78 | 110 | 20 | 22 | 12 | 8 | 13

Виробнича продуктивність, тис.м3/рік:–

гірська маса; | 166 | 552 | 1090 | 1378 | 1689 | 2618 | 2592–

корисна копалина; | 115 | 417 | 780 | 1015 | 1226 | 1323 | 1764–

розкривні породи; | 51 | 135 | 310 | 363 | 463 | 1295 | 828

у т.ч. – скельні; | 8 | 28 | 54 | 10 | 89 | 663 | 407

– м’які | 43 | 107 | 256 | 353 | 374 | 632 | 421

Розміри кар’єрного поля, м:–

довжина; | 460 | 740 | 840 | 1800 | 1660 |