МіНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

КРИВОРІЗЬКИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Романенко Олександр Васильович

УДК 622.271.45:622.882

Наукові основи технології внутрішнього відвалоутворення на крутоспадних родовищах

Спеціальність 05.15.03 - відкрита розробка родовищ

корисних копалин

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Кривий Ріг - 2005

Дисертацією є рукопис

Роботу виконано в Інституті проблем природокористування та екології Національної академії наук України

Науковий консультант – член-кореспондент НАН України,

доктор технічних наук, професор

Шапар Аркадій Григорович,

Інститут проблем природокористування та

екології НАН України, директор.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Блізнюков Віктор Григорович,

Державний науково-дослідний гірничорудний інститут Міністерства промислової політики України, м. Кривий Ріг, директор

доктор технічних наук, с.н.с.

Симоненко Володимир Іванович,

Національний гірничий університет, м. Дніпропетровськ,

професор кафедри відкритих гірничих робіт

доктор технічних наук, професор

Бакка Микола Терентійович,

Житомирський державний технологічний університет, м.Житомир,

завідувач кафедри геотехнологій та промислової екології

Провідна установа – Інститут геотехнічної механіки ім. М.С.Полякова НАН України, м. Дніпропетровськ

Захист дисертації відбудеться "19" січня 2006 р. о 1000 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.09.052.02 при Криворізькому технічному університеті за адресою: 50002, Кривий Ріг, вул.Пушкіна, 37.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Криворізького технічного університету за адресою: 50002, Кривий Ріг, вул.Пушкіна, 37.

Автореферат розіслано "17" грудня 2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

доктор технічних наук О.М.Голишев

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Гірничо-металургійний комплекс є провідною галуззю економіки України, яка забезпечує понад 70% валютних надходжень до державного бюджету. Родовища Кривбасу експлуатуються біля 100 років. За період розробки родовищ у межах гірничих відводів створено величезні техногенні виїмки в земній поверхні та відвали розкривних порід. Це обумовило погіршення екологічного середовища як за рахунок підвищення забруднення атмосфери пилом, газами, іншими технологічними викидами, так і за рахунок скорочення продуктивних земельних площ.

Вітчизняний і закордонний досвід застосування технології з внутрішнім відвалоутворенням на родовищах горизонтального залягання свідчить, що при цьому досягаються не тільки мінімальні ландшафтні ушкодження і зменшується безповоротна втрата земельних ресурсів, але і підвищується загальна ефективність відкритої розробки, насамперед, за рахунок значного скорочення витрат на транспортування розкривних порід.

Широке впровадження на гірничо-збагачувальних комбінатах (ГЗК) технології внутрішнього відвалоутворення при розробці крутоспадних родовищ на даний час стримується відсутністю єдиного методологічного підходу і наукових принципів обґрунтування раціональних параметрів технології внутрішнього відвалоутворення на діючих кар'єрах.

У зв'язку з цим, розробка наукових основ обґрунтування та вибору оптимальних параметрів технології внутрішнього відвалоутворення при розробці крутоспадних родовищ, що забезпечить підвищення техніко-економічних показників гірничодобувних підприємств та раціональне використання природних ресурсів - є актуальною науково-практичною проблемою як на об’єктовому, так і національному рівнях.

Її розв’язання дозволить збільшити ефективність відкритої розробки і при цьому зменшити питому землеємність.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. В основу дисертаційної роботи покладено результати, одержані особисто автором у період 1990–2005 рр. при виконанні досліджень з наукового обґрунтування раціональних параметрів внутрішнього відвалоутворення згідно з державним планом Міністерства освіти і науки України при виконанні НДР “Обоснование основных этапов приближения к устойчивому развитию на основе определения их целевых ориентиров и ограничений с учетом нормативных показателей этого процесса” (№ держ. реєстрації 0199U004402), ”Екологічно-орієнтовані технології видобутку корисних копалин природних та техногенних родовищ відкритим способом” (№ держ. реєстрації 0104U002839), “Вивчення просторово-часового співвідношення можливих змін природної та техногенної складових показників стану навколишнього середовища” (№ держ. реєстрації 0104U002371), “Наукове обґрунтування основних принципів керованої трансформації господарського комплексу техногенно навантажених регіонів для забезпечення поетапного досягнення показників сталого розвитку” (№ держ. реєстрації 0104U002370), галузевих програм Міністерства промислової політики України та планів наукових робіт ВАТ Північний ГЗК та ВАТ Інгулецький ГЗК.

Метою роботи є завершення формування наукової бази застосування технології внутрішнього відвалоутворення в практиці розробки крутоспадних родовищ.

Для досягнення визначеної мети у роботі поставлено та вирішено такі наукові та практичні завдання:

1. Розробити вихідні положення наукових засад технології формування відвалів у виробленому просторі глибоких кар’єрів у процесі їх експлуатації на базі дослідження закономірностей формування робочої зони відвалу в динаміці розвитку гірничих робіт.

2. Розробити методичні основи автоматизованого планування гірничих робіт з внутрішнім відвалоутворенням, які включають:

- оптимізаційну математичну модель планування гірничих робіт з внутрішнім відвалоутворенням;

- інтегровану систему автоматизованого планування гірничих робіт.

3. Розробити та дослідити технологію формування первинного відвалу для внутрішнього відвалоутворення одним етапом одночасно по всій його висоті та обґрунтувати методичні основи вибору її раціональних параметрів, в тому числі:

- обґрунтувати раціональні параметри за умови забезпечення стійкості укосів внутрішнього відвалу та заданої продуктивності кар’єру по руді;

- розробити технологічні схеми формування та методику визначення їх раціональних параметрів.

4. Розробити методичні рекомендації щодо впровадження у практику технології формування відвалів у виробленому просторі глибоких кар’єрів, обґрунтувати її ефективність та визначити області застосування.

В основу досліджень покладено наукову ідею, яка полягає у використанні специфічних особливостей окремих зон виробленого простору глибокого кар’єру при розробці технології внутрішнього відвалоутворення.

Об'єкт досліджень – крутоспадні залізорудні родовища корисних копалин.

Предмет досліджень – технологія внутрішнього відвалоутворення на крутоспадних родовищах.

Методи дослідження. У роботі використано такі методи досліджень: статистичний – при аналізі сучасного стану гірничорудної промисловості України та екологічних проблем; аналітичний - для дослідження параметрів технологічних схем та виявлення закономірностей взаємозв’язків між ними; техніко-економічного аналізу – при визначенні ефективності застосування рекомендованих технологічних схем; гірничо-геометричного аналізу - при розробці та застосуванні інтегрованої системи автоматизованого планування гірничих робіт; метод варіантів – для визначення раціональних технологічних схем; економіко-математичного моделювання – для оптимізації параметрів технології.

Наукові положення, що захищаються:

1. Всі різновиди технології з внутрішнім відвалоутворенням на крутоспадних родовищах корисних копалин можуть бути класифіковані за двома ознаками формування внутрішнього відвалу у виробленому просторі: час початку застосування способу і зона виробленого простору, в якій відсипають розкривні породи.

2. Тривалість формування первинного відвалу залежить від можливості створення робочих місць для відвалоутворюючого устаткування на робочій площадці кожного з ярусів відвалу, а тому після закінчення формування первинного відвалу може виникати неузгодженість посування його нижньої брівки та нижньої брівки робочого борту кар’єру, що може бути компенсовано шляхом розробки і виконання технологічних та організаційних заходів, в тому числі: зменшення продуктивності кар’єру по руді або розміщення частини розкривних порід у зовнішній відвал.

3. Частина площі розкритого рудного тіла може бути виділена для тимчасового локального внутрішнього відвалоутворення, величина якої є функцією, головним чином, кута напрямку поглиблення гірничих робіт та швидкості їх поглиблення, тому виділення частини рудного тіла для тимчасового відвалу вимагає тимчасового зменшення річної продуктивності кар’єру або збільшення виробничої потужності устаткування.

4. Питома землеємність зовнішнього відвалу як при технології з внутрішнім відвалоутворенням, так і без нього, зменшується при збільшенні кінцевої довжини кар’єру та зменшенні його глибини, а площа зовнішнього відвалу при внутрішньому відвалоутворенні не залежить від кінцевої довжини кар’єру по дну, тому коефіцієнт, який характеризує зменшення питомої землеємності при внутрішньому відвалоутворенні, змінюється пропорційно збільшенню довжини кар’єру по дну в межах від 1 до 11,8 раза.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Вперше розроблено класифікацію локальних формувань із розкривних порід за їх функціональним призначенням, а також виділено тимчасові локальні формування, призначення яких полягає в регулюванні обсягів транспортування порід на зовнішні відвали у часі.

2. Встановлено зони виробленого простору за призначенням: а) зона для розміщення порід первинного відвалу; б) зона для розміщення порід основного відвалу; в) зона залишкового виробленого простору, який не буде заповнений породами після закінчення експлуатації кар’єру.

3. Уперше одержано основні закономірності формування робочої зони відвалу, які враховують динаміку відсипки порід в ярусах.

4. Розроблено та досліджено нову технологію відвалоутворення у зоні виробленого простору „основний відвал”, особливістю якої є розташування фронту робіт відвальної західки паралельно напрямку розвитку гірничих робіт кар’єру.

5. Вперше встановлено формалізовану залежність відстані транспортування розкривних порід у зовнішній відвал від їхнього обсягу, яка дала можливість при розрахунках відстані транспортування звести кількість вихідних параметрів до мінімуму (одного) – обсягу розкривних порід, що укладають у відвал.

6. Розроблено інтегровану систему автоматизованого планування гірничих робіт, яку засновано на принципах урахування взаємного впливу параметрів розвитку гірничих робіт із внутрішнім відвалоутворенням, двохетапності планування, використанні єдиної інформаційної бази даних всіма підсистемами.

7. Встановлено, що строк формування первинного відвалу при глибині кар’єру 600 м складає 3,67-4,42 роки. При цьому в період формування первинного відвалу 48,0-50,3% обсягів розкривних порід, що розробляються, необхідно розмістити у зовнішній відвал для забезпечення проектної продуктивності кар’єру. Якщо відмовитись від зовнішнього відвалоутворення, то на період формування первинного відвалу продуктивність кар’єру треба зменшити як мінімум на 46,7%.

Наукове значення роботи полягає у розробці наукових основ технології внутрішнього відвалоутворення на крутоспадних родовищах, що забезпечує зменшення експлуатаційних витрат та землеємності відкритої розробки.

Практичне значення роботи полягає в тому, що:

1. Розроблено методичне забезпечення щодо впровадження в практику відкритих гірничих робіт технології внутрішнього відвалоутворення на глибоких кар’єрах, яке включає такі результати досліджень:

- розроблено методику визначення раціональних параметрів технологічних схем формування первинного відвалу за умови забезпечення стійкості його укосів та заданої поточної продуктивності кар’єру по руді, призначену для використання в практиці проектування та експлуатації;

- розроблено методику аналізу ефективності технології розробки глибоких кар’єрів з внутрішнім відвалоутворенням за землеємністю, на основі якої виконано дослідження щодо встановлення характеру взаємозв’язків між кінцевими параметрами кар’єру та землеємністю зовнішнього відвалу при технології із внутрішнім відвалоутворенням.

2. Встановлено, що площа зовнішнього відвалу при внутрішньому відвалоутворенні одним чи двома етапами не залежить від кінцевої довжини кар’єру по дну, а є функцією глибини кар’єру, ширини його дна та результуючих кутів укосу бортів кар’єру.

3. При кінцевій глибині кар’єру 300-700 м застосування технології з внутрішнім відвалоутворенням забезпечує економічну ефективність розробки родовища за рахунок зменшення приведених витрат на 7,6-25,1%.

4. Визначено раціональні області застосування запропонованих технологічних схем із внутрішнім відвалоутворенням.

Обґрунтовано, що при горизонтальній потужності покладу більше 300 м і кінцевій глибині кар’єру до 300 м включно незалежно від довжини кар’єру по дну раціонально застосовувати технологію внутрішнього відвалоутворення одним етапом з двома транспортними виходами із кар’єру.

При горизонтальній потужності покладу більше 300 м і кінцевій глибині кар’єру, яка перевищує 300 м, раціонально застосовувати технологію внутрішнього відвалоутворення одним етапом з двома транспортними виходами із кар’єру тільки при кінцевій довжині кар’єру по дну до 4 км, а при більшій довжині раціонально застосовувати технологію відвалоутворення двома етапами (шарами) з двома транспортними виходами із кар’єру.

Реалізація результатів дослідження. Розроблено методичні рекомендації щодо впровадження у практику технології внутрішнього відвалоутворення на глибоких кар’єрах, які включають також „Рекомендації по формуванню баз даних для автоматизованого проектування гірничих і відвальних робіт глибоких залізорудних кар’єрів”, затверджені та прийняті до використання Державною акціонерною компанією „Укррудпром” 20.02.2002 р. Впровадження технології внутрішнього відвалоутворення на Ганнівському та Першотравневому кар’єрах ВАТ ”ПівнГЗК” забезпечило фактичний економічний ефект у розмірі 8462201 грн., а з урахуванням витрат майбутніх періодів – 3394015 грн. та дозволило зменшити площу зовнішніх відвалів на 12 га.

Розроблено рекомендації щодо створення локальних формувань на кар’єрі ІнГЗК, а на перспективу - технологія відвалоутворення на всю висоту відвалу на дні кар’єру на гор. -600 м, що відповідає кінцевій глибині кар’єру. Це дозволить розмістити у внутрішній відвал близько 510 млн. м3 розкривних порід і зменшити площу зовнішніх відвалів на 806 га.

Матеріали дослідження використано при розробці нормативних матеріалів „Положення про проектування внутрішнього відвалоутворення та складування відходів виробництва у залізорудних і флюсових кар’єрах”, які узгоджено Міністерством юстиції України і затверджено наказом Міністерства промислової політики України від 17.08.2004 р., № .

Особистий внесок здобувача. Автором самостійно визначено ідею роботи, її мету та завдання досліджень, основні наукові положення, висновки та рекомендації, а також накреслено шляхи їх вирішення. Ним виконано дослідження науково-технічних передумов технології розробки крутоспадних родовищ із внутрішнім відвалоутворенням, розроблено вихідні положення наукових основ технології формування відвалів у виробленому просторі глибоких кар’єрів у процесі їх експлуатації, розроблено методичні основи автоматизованого планування гірничих робіт із внутрішнім відвалоутворенням, розроблено та досліджено технології внутрішнього відвалоутворення в зоні первинного відвалу, розроблено рекомендації для впровадження в практику технології внутрішнього відвалоутворення на глибоких кар’єрах та обґрунтовано її ефективність та області застосування.

Апробація результатів дисертації. Результати роботи на різних етапах її виконання доповідалися і були позитивно оцінені на технічних радах інституту "Укрдіпроруда" (м. Харків, 1995-2002 рр.); наукових семінарах ІГТМ НАНУ (м. Дніпропетровськ, 1998-2003 рр.), нарадах у ІППЕ НАНУ (м. Дніпропетровськ, 1990-2005 рр.); Другій міжнародній науково-практичній конференції "Теорія і практика рішень екологічних проблем у гірничодобувній і металургійній промисловості" (м. Дніпропетровськ, 1995 р.); на Першій міжнародній конференції "Геотехнічна механіка освоєння надр" (м. Дніпропетровськ, 1998 р.); на міжвузівській науково-практичній конференції "Проблеми і напрямки застосування САПР у навчальному процесі й автоматизація проектно - конструкторських робіт сучасних виробництв" (м. Кривий Ріг, 1998 р.); на науково-практичній конференції "Гірничі технології в XXI сторіччі" (м. Кривий Ріг, 2000 р.); на II-й міжнародній науково-практичній конференції "Проблеми і перспективи використання геоінформаційних технологій у гірничій справі" (м. Дніпропетровськ, 2000 р.); на Міжнародній науково-практичній конференції "Проблеми геоінформатики при комплексному освоєнні надр" (м. Дніпропетровськ, 2001 р.); на Шостому міжнародному симпозіумі "Освоение месторождений минеральных ресурсов и подземное строительство в сложных гидрогеологических условиях" (м. Белгород, 2001 р.); на Науковій конференції "Еколого-біологічні дослідження на природних та антропогенно-змінених територіях" (м. Кривий Ріг, 2002 р.); Міжнародній науково-технічній конференції „Сталий розвиток гірничо-металургійної промисловості – ” (м. Кривий Ріг, 2005 р.).

Публікації. Результати дисертації опубліковані в 2 колективних монографіях, 39 наукових статтях, з яких 35 у фахових виданнях, а також одержано 5 патентів України.

Сруктура і обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, п’яти розділів, висновків, списку використаних джерел із 186 найменувань і додатків. Загальний обсяг дисертації – 331 сторінок, з них 76 рисунків і 53 таблиць.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми наукових досліджень. Сформульовано: мету, наукову ідею, об’єкт і предмет досліджень, наукове значення і наукову новизну роботи; викладено основні наукові положення, що виносяться на захист; визначено особистий внесок здобувача в одержанні наукових результатів; наведено дані про публікації, апробацію і впровадження результатів досліджень у виробництво.

Розділ 1. Науково-технічні передумови технології розробки крутоспадних родовищ із внутрішнім відвалоутворенням.

Гірничорудна промисловість України є базовою галуззю народного господарства і збереже своє першорядне значення надалі, тому що в галузях промисловості, продукція яких виготовляється з чорних металів, створюється більше 50% національного доходу.

Основна частина балансових запасів залізних руд (86%) зосереджена в Кривбасі. Це визначає особливе значення гірничодобувних підприємств міста Кривого Рогу в економіці України. Родовища залізних руд Кривбасу є в основному крутоспадними.

Видобуток залізної руди в Україні здійснюється переважно відкритим способом. У структурі гірничодобувної промисловості виробництво товарних залізних руд гірничо-збагачувальними комбінатами складає більше 75%.

Основний видобуток забезпечується Південним, Північним, Центральним, Інгулецьким гірничо-збагачувальними комбінатами, і гірничо-збагачувальним комплексом ВАТ ”Криворіжсталь”, що розташовані в межах міста Кривого Рога, та Полтавським гірничо-збагачувальним комбінатом.

Гірничодобувні підприємства Кривбасу забезпечують потреби металургійних підприємств України в сировині на 90% і є основними постачальниками продукції на експорт.

Видобуток корисних копалин відкритим способом супроводжується величезним техногенним пресом на навколишнє середовище і всі його компоненти. При відкритій розробці крутоспадних покладів, після завершення гірничих робіт, тільки на одному кар’єрі в надрах земної кори залишається вироблений простір обсягом до 250 млн. м3 і близько 500 га площі земель на денній поверхні, зайнятій зовнішніми відвалами розкривних порід. Ще більші площі сільгоспугідь порушуються при складуванні відходів збагачення. Тільки у Кривбасі різними об’єктами залізорудних підприємств зайнято 30 тис. га земель.

Переробка сирої руди у високоякісну товарну продукцію (збагачування) характеризується значними відходами, обсяг яких у цілому по гірничо-збагачувальних комбінатах досягає понад 30 млн. м3 на piк. Kpiм того, у відвали щорічно складується більше 60 млн. м3 розкривних порід.

Подальший розвиток гірничо-металургійного комплексу України повинен бути орієнтованим на розв’язання технічних i технологічних проблем, спрямованих на поліпшення екологічної ситуації за рахунок упровадження цільових заходів щодо охорони навколишнього середовища.

Тому особливу актуальність набуває проблема створення i широкого впровадження маловiдходних та ресурсозберігаючих технологій відкритого способу розробки.

В основу цих технологій повинно бути покладене різке зниження землеємностi гірничого виробництва за рахунок утилізації відходів (розкривних порід, шламів) у виробленому просторі кар’єру.

Вітчизняний і закордонний досвід застосування технології з внутрішнім вiдвалоутворенням на родовищах горизонтального залягання і крутоспадних свідчить, що при цьому досягаються мінімальні ландшафтні ушкодження і зменшується безповоротна втрата земельних ресурсів.

Обґрунтуванню раціональних схем і параметрів застосування внутрішнього відвалоутворення на крутоспадних родовищах приділяється велика увага в наукових дослідженнях. Цій і загальним проблемам відкритої розробки присвячено роботи вчених: Агошкова М.І., Арсентьєва О.І., Бакки М.Т., Бизова В.Ф., Блізнюкова В.Г., Гуменика І.Л., Дриженка А.Ю., Мартиненка В.П., Мельникова М.В., Новожилова М.Г., Ржевського В.В., Симоненка В.І., Тартаковського Б.М., Томакова П.І., Турчанинова М.А., Храпка О.І., Шапара А.Г., Щелканова В.О. та інших.

Дослідженнями встановлено, що при відкритій розробці крутоспадних родовищ великої довжини, а також при послідовній розробці групи родовищ 40-80% розкривних порід можна розмістити у внутрішніх відвалах, що дозволяє значно зменшити площу земель, що порушуються зовнішніми відвалами.

Виконаний аналіз відомих досліджень і практичних рішень в області внутрішнього відвалоутворення дозволяє зробити висновок, що через недосконалість теоретичної бази технологія внутрішнього відвалоутворення на крутоспадних родовищах на практиці застосовується епізодично. У діючих кар’єрах розкривні породи, як правило, відсипають тільки в окремих зонах на поверхні виробленого простору.

На основі аналізу відомих наукових праць та технічних рішень сформульовано актуальність, сутність науково-практичної проблеми, мету, завдання та методи дослідження.

Розділ 2. Вихідні положення наукових основ технології формування відвалів у виробленому просторі глибоких кар’єрів у процесі їх експлуатації.

З урахуванням виявлених під час аналізу сучасного стану внутрішнього відвалоутворення закономірностей та наукових розробок у цьому напрямку розроблено класифікацію способів формування відвалів у виробленому просторі глибоких кар’єрів у процесі їх експлуатації (табл. 1).

Розподіл виконано за такими ознакам: а) час (початок) застосування способу, тобто, до чи після досягнення гірничими роботами проектного дна кар’єру; б) зона виробленого простору, в якій відсипають розкривні породи.

В табл. 1 в окрему групу виділено локальні способи відсипання порід на всій поверхні виробленого простору діючого кар’єру, але не наведено розподіл локальних формувань із порід за функціональним призначенням. Це зроблено в табл. 2, де розподіл виконано за такими ознаками: а) зона кар’єру, як виробничого об’єкта, на яку впливає локальне формування; б) функціональне призначення локального формування. При формуванні відвалу способами відсипання порід групи I (табл. 1) одночасно по всій його висоті насамперед треба досягти гірничими роботами проектного дна кар’єру (рис. 1, а). Після цього формують первинний відвал, який необхідно створити перед переходом на відвалоутворення одночасно на всій висоті відвалу. Якщо результуючий кут укосу неробочого борту кар’єру більший, ніж природний кут укосу порід, що відсипаються, то первинний відвал 1 (рис. 1, б) розташовують на дні кар’єру біля неробочого борту. У випадку, коли результуючий кут укосу неробочого борту кар’єру менший від природного кута укосу порід, що відсипаються, то первинний відвал розташовують на неробочому борту кар’єру (рис. 1, в). В обох випадках відвал потім розвивається в напрямку кінцевого контуру кар’єру. Після закінчення експлуатації кар’єру залишається не заповнений породами вироблений простір 3 (рис. 1, г). Отже, вироблений простір кар’єру можна розподілити на такі зони (рис. 1, г): 1 - зона для розміщення порід первинного відвалу (первинний відвал); 2 - зона для розміщення порід основного внутрішнього відвалу (основний відвал); 3 - зона залишкового виробленого простору, який не заповнений породами. З урахуванням викладеного виконано групування зон виробленого простору кар’єру за призначенням.

Сформульовано основні закономірності формування робочої зони внутрішнього відвалу:

- відвальні вибої, в яких проводиться укладання гірських порід, переміщуються у просторі зі швидкістю, прямо пропорційною продуктивності відвального устаткування й обернено пропорційною ширині відвальної західки, висоті і куту укосу ярусу;

- роботи із забезпечення транспортного доступу на відвальний ярус повинні проводитися з більшою або однаковою швидкістю відносно створення піонерних насипів, а створення піонерних насипів – із більшою або однаковою швидкістю відносно робіт з укладання гірських порід;

- вертикальна швидкість збільшення висоти відвалу прямо пропорційна горизонтальній швидкості посування відвальних ярусів і обернено пропорційна котангенсу кута укосу відвалу;

- швидкість посування відвального ярусу повинна бути меншою або дорівнювати швидкості посування розташованого нижче ярусу.

Виконано дослідження взаємозв’язків параметрів технології відвалоутворення в зоні виробленого простору кар’єру „основний відвал”.

Одержані результати свідчать, що збільшення результуючого кута укосу відвалу приводить до істотного скорочення відстані транспортування розкривних порід. Встановлено, що при збільшенні кута укосу на 4 градуси скорочення відстані транспортування розкривних порід на висоті Н відносно дна кар’єру 100 м складе 110 м, а при висоті 200 м - 240 м.

Таблиця 1

Класифікація способів формування відвалів у виробленому просторі глибоких кар’єрів у процесі їх експлуатації та визначення стану їх досліджень

Група | Час (початок) застосування | Способи

формування

відвалу | Сутність способів |

І | Після досягнення гірничими роботами проектного дна кар’єру | Одночасно по всій висоті відвалу одним або декількома ярусами | Попередньо піонер-кар’єром розробляють частину покладу до проектного дна з транспортуванням розкривних порід на зовнішні відвали, а потім розробляють весь поклад і відсипають внутрішній відвал | ІІ | До досягнення гірничими роботами проектного дна кар’єру | Шарами | Розробляють поклади шарами (етапами) з розміщенням порід у виробленому просторі і подальшою переекскавацією їх при розробці кожного наступного шару | В окремих, спеціально підготовлених блоках | При певній глибині кар’єру він розподіляється на три блоки: блок підготовчих робіт, блок розробки розкривних порід та корисних копалин, блок формування відвалу. Призначення блоків почергово змінюється. Заскладовані розкривні породи повторно екскавуються і переміщуються в блок, де видобувні роботи на даному етапі закінчено | ІІІ | До та після досягнення гірничими роботами проектного дна кар’єру |

Локально | Породи відсипають в окремих зонах (ділянках), розташованих на всій поверхні виробленого простору діючого кар’єру |

Таблиця 2

Класифікація локальних формувань із розкривних порід
за їх функціональним призначенням

Клас | Зона

впливу | Функціональне
призначення
локального формування | Тип локального формування |

І | Транс-портні кому-нікації | А. Створення та підтримання транспортної системи | 1. Полотно та насип для доріг | 2. З’їзди | 3. Перемички | 4. Укриття з порід для захисту транспортних систем

Б. Регулювання (керування) транспортним вантажопотоком | 1. Акумулюючі склади | 2. Перевантажувальні пункти | 3. Тимчасовий відвал | В. Зменшення обсягів транспортування порід на зовнішні відвали | 1. Навал порід на укосах та площадках борту кар’єру | 2. Навал порід на дні кар’єру та його бортах |

ІІ | Укоси кар’єру | А. Підтримання (забезпечення) стійкості укосів | 1. Підпірна призма із порід | 2. Підпірна призма із порід із застосуванням інших конструктивних елементів | Б. Обвалення укосів | 1. Навал порід у приукісній зоні на верхній площадці уступу (ярусу) |

Рис. 1. Схема до визначення основних зон виробленого простору кар’єру:

1  первинний відвал; 2  основний відвал; 3  залишковий вироблений простір, який не заповнений породами після закінчення експлуатації кар’єру

Запропоновано нову схему формування ярусів внутрішнього відвалу, яка відрізняється від відомих тим, що фронт відсипання порід в західці відвалу паралельний напрямку розвитку гірничих робіт (рис. 2), досліджено схему розвитку ярусів внутрішнього відвалу (рис. ).

Рис. 2. Технологічна схема формування багатоярусного внутрішнього відвалу з розташуванням фронту робіт у відвальній західці паралельно напрямку розвитку гірничих робіт у напрямку від одного борту до протилежного

Рис. 3. Схема розвитку ярусів внутрішнього відвалу від одного борту до протилежного з фронтом робіт, розташованим паралельно напрямку розвитку видобувної робочої зони кар’єру

Довжина робочої площадки () дорівнює

,м, (1)

де – координата верхньої брівки нижнього ярусу відвалу на момент засипання обсягу, що дорівнює (, м3), м; – координата нижньої брівки верхнього (i+1)-го ярусу відвалу на момент засипання обсягу (, м3), м; – ширина берми на рівні верхньої поверхні і-го ярусу, м; – поперечна ширина фронту відвалоутворення кожного ярусу, м; – площа вертикального перерізу і-го ярусу, м2.

На основі виконаних досліджень встановлено залежності зміни координати точки верхньої брівки нижчележачого ярусу (хв) від величини відсипаної площі (Sн) цього ярусу і залежності зміни координати нижньої брівки вищележачого ярусу (хн) від величини відсипаної площі (Sв) верхнього ярусу. На ділянках західки біля бортів кар’єру висота ярусу, що відсипається, змінна, а тому швидкості переміщення нижньої і верхньої брівок відвальної західки не однакові і знаходяться в показниковій залежності від обсягів відвалоутворення.

Запропонована технологія внутрішнього відвалоутворення, розрахункові принципи і побудовані на їх основі номограми в сукупності являють собою методику вибору раціональних параметрів технології формування внутрішнього відвалу в зоні „основний відвал”, яка розташована за зоною „первинний відвал”, згідно з розробленим нами групуванням зон (рис. 1).

Досліджено технологічні схеми транспортування гірської маси під час розробки покладу піонер-кар’єром та наступного формування первинного відвалу.

Для обчислення середньої відстані транспортування розкривних порід від границі відвалу до місця розвантаження порід у відвал було виконано геометричне моделювання з застосуванням ЕОМ при змінних значеннях обсягів розкривних порід, які укладають у відвал.

Досліджено взаємозв'язки параметрів гірничих робіт при локальному тимчасовому відвалоутворенні на поверхні рудного покладу. На основі виконаних досліджень визначено, яку площу рудного тіла можна тимчасово законсервувати для розміщення внутрішнього відвалу, і при цьому не буде знижено задану продуктивність кар’єру Qк

, м2 , (2)

де ШН, ШНН – ширина робочої площадки відповідно нормативної і ненормативної ширини, м; LН, LНН – сумарна довжина фронту робіт по руді відповідно до нормативної ширини робочої площадки і ненормативної, м; h – висота уступу, м; LБ – довжина екскаваторного блока, м; брб – кут укосу робочого борту кар'єру, град.; в – кут напрямку поглиблення, град., QЕ – продуктивність екскаватора, м3/рік.

Швидкість необхідного річного поглиблення гірничих робіт (hГ) залежно від площі (S0) тимчасового внутрішнього відвалу, що консервує робочу рудну зону, при заданій продуктивності кар'єру (QК), складає

, м/рік, (3)

де m – горизонтальна потужність рудного покладу, м; L – середня довжина фронту робіт, м.

Розділ 3. Методичні основи автоматизованого планування гірничих робіт із внутрішнім відвалоутворенням.

Для підвищення ефективності автоматизованого планування гірничих робіт створено єдиний методичний підхід до питань моделювання гірничотехнічних об'єктів. Математична модель відкритих гірничих робіт являє собою множину М, елементами якої є: ІР - інформація про властивості родовища (геометричні, геологічні, фізико-механічні, гідрологічні, економічні та ін.); ІК - інформація про параметри кар'єру; ІВ - інформація про параметри відвалів, яка обробляється за визначеними правилами ПМ , що дозволяє із необхідною точністю розв’язувати задачі планування ефективного порядку ведення видобутку корисних копалин на підставі встановлених відповідностей між параметрами родовища, кар'єру та відвалів з їх реальним станом у просторі

, (4)

де МК - кількість елементів моделі.

Множина ІР інформаційних показників про властивості родовища являє собою множину замкнутих контурів, розташованих на кожному горизонті із визначеними геологічними властивостями.

Математичне моделювання кар'єрів і відвалів полягає в тому, що борт кар'єру і поверхня укосів відвалу, як гірничотехнічні об'єкти, подаються замкнутими лінійними контурами (багатокутниками) брівок уступів і відвальних ярусів.

Аналіз геометричних операцій, які виконуються на площині, показує, що для моделювання замкнутих лінійних контурів достатньо п'яти типів геометричних примітивів: точка, пряма, відрізок, ламана і багатокутник.

Встановлено, що розв’язання гірничо-геометричних задач для цілей автоматизованого планування гірничих робіт полягає у рішенні задач локалізації, побудови та обчислення параметрів геометричних примітивів. Методи розв’язання цих задач являють собою множину правил виконання гірничо-геометричних розрахунків ПМ .

Взагалі, завдання визначення раціонального розвитку гірничих робіт сформульовано наступним чином.

В області U* тривимірного простору моделі відкритих гірничих робіт М серед усіх можливих формувань обсягів U =  Uj (U ? U* ) необхідно знайти той, що забезпечує виконання умови мінімізації приведених витрат виконання гірничих робіт за період Т.

Математичне моделювання розробки крутоспадних родовищ з внутрішнім відвалоутворенням і мінімізація цільової функції при обмеженнях виконується методом послідовного наближення шляхом розв’язання двох завдань: визначення положення контурів кар'єру і відвалів методом автоматизованого перебору альтернативних варіантів та планування гірничих і відвальних робіт у діалоговому режимі.

На першому етапі визначається кінцевий контур кар'єру. Для цього параметри кутів укосів уступів і розміри площадок початкової поверхні задаються рівними параметрам борту кар’єру в кінцевому положенні, які визначаються з умов стійкості порід і технічних параметрів гірничо-транспортного устаткування. Початкові розміри дна кар'єру задаються мінімально припустимими з технологічних умов.

Потім виконується моделювання руху поверхні бортів кар’єру за встановленими напрямками (рис. 4) шляхом побудови еквідистант брівок уступів заданої відстані з урахуванням сформульованих закономірностей формування борту кар’єру і розрахунку обсягів видобутку гірської маси за геологічними різновидами.

З урахуванням наведеного розроблено „Рекомендації по формуванню баз даних для автоматизованого проектування гірничих робіт глибоких залізорудних кар’єрів”, які прийнято до використання Державною акціонерною компанією „Укррудпром”, розроблено структуру інтегрованої системи автоматизованого планування гірничих робіт „KAR”.

Одержання закінчених проектних рішень і відповідних проектних документів забезпечується за рахунок використання розвинутого програмного забезпечення і застосування сучасного графічного обладнання (сканерів, дигітайзерів, швидкісних принтерів і плотерів).

Рис. 4. Схема до визначення кінцевого і проміжного контурів кар'єру методом рухомої поверхні

Розділ 4. Технологія внутрішнього відвалоутворення в зоні первинного відвалу.

Виконано обґрунтування параметрів внутрішнього відвалу за умови забезпечення стійкості укосів та заданої продуктивності кар’єру по руді.

Після досягнення гірничими роботами проектного дна кар’єру виникає завдання формування первинного відвалу, параметри якого повинні забезпечити максимальний обсяг внутрішнього відвалоутворення, мінімальний строк його формування при забезпеченні стійкості укосів та планових обсягів видобувних робіт. Первинний відвал формується з максимальними темпами на всю висоту, після чого фронти робіт відвалу та робочого борту переміщуються паралельно з однаковою швидкістю.

На основі виконаних досліджень установлено залежність між глибиною кар’єру Нк та висотою внутрішнього відвалу Нв

, (5)

де бв , бл – проектний результуючий кут укосу борту кар’єру, розташованого з висячого та лежачого боків рудного покладу, град.; в – ширина дна кар’єру, м; Кр – коефіцієнт розпушення порід; Hн товща розкривних порід зверху над рудним тілом, м.

Встановлено, що за критерієм „стійкість відвалу” кількість прийнятих ярусів відвалу повинна відповідати такій умові

, (6)

де Шр - ширина робочої площадки одного ярусу відвалу, м; брв – стійкий кут результуючого укосу внутрішнього відвалу, град.; бП – кут природного укосу порід, що відсипаються у відвал, град.

З урахуванням наведеного установлено характер залежності кількості ярусів відвалу від висоти внутрішнього відвалу та його стійкого результуючого кута укосу брв .

Обґрунтовано та досліджено параметри формування первинного відвалу. Після досягнення гірничими роботами проектного дна кар’єру з'являється можливість формувати внутрішній відвал з певною висотою . Перед початком формування внутрішнього відвалу услід за посуванням фронту робіт робочого борту необхідно сформувати робочі площадки окремих ярусів. Це робота з формування первинного відвалу, яка виконується з урахуванням наведених вище рекомендацій щодо визначення параметрів, які забезпечують стійкість укосів та планову продуктивність кар’єру. Первинний відвал можна сформувати за певний проміжок часу.

Обсяг робіт з формування первинного відвалу можна визначити так.

Встановлено загальну формулу для визначення обсягів робіт (Vm) з формування кожного (m)-го ярусу первинного відвалу

, м3, (7)

де S - площа поперечного перерізу навалу порід під першою робочою площадкою, м2; L1 – ширина перерізу знизу, м; HЯ – висота ярусу, м; n – кількість ярусів первинного відвалу.

Загальний обсяг робіт з формування первинного відвалу дорівнює

, м3 . (8)

Встановлено також формулу для визначення сумарної площі поперечного перерізу первинного відвалу при однаковій висоті ярусів

, м2 , (9)

де Кпр - коефіцієнт пропорційності.

Встановлено, що середню довжину первинного відвалу можна визначити із рівняння

, м, (10)

де Hяв - висота верхнього ярусу, що межує з поверхнею, м.

Отже, обсяг робіт з формування первинного відвалу можна визначити так

, м3 . (11)

Розроблено технологічні схеми формування первинного відвалу та визначені їх раціональні параметри, зокрема визначено параметри формування первинного відвалу при застосуванні цих технологічних схем.

Розділ 5. Рекомендації для впровадження в практику технології внутрішнього відвалоутворення на глибоких кар’єрах та обґрунтування її ефективності і області застосування.

Обґрунтовано раціональні області застосування способів формування внутрішнього відвалу за економічною ефективністю. У відомих дослідженнях доведено, що ефективність технології розробки крутоспадних родовищ із внутрішнім відвалоутворенням значно зростає при формуванні відвалу одночасно по всій висоті (одним етапом) і двома шарами (етапами). При подальшому збільшенні кількості етапів значення ефективності збільшується незначно (1,5-2,0%). У зв'язку з цим розглядаємо застосування тільки одноетапної і двохетапної технологій із внутрішнім відвалоутворенням.

Аналіз існуючих схем розкриття кар’єрних полів глибоких кар'єрів показує, що кількість транспортних виходів для переміщення розкривних порід, в основному, дорівнює одному або двом. В останньому випадку вони розташовані, як правило, на протилежних бортах кар’єру.

З урахуванням наведеного сформовано шість варіантів технології розробки крутоспадних родовищ залежно від кількості транспортних виходів для переміщення розкривних порід із кар'єру і місця розташування відвалів.

Варіант 1. Технологія розробки крутоспадних родовищ із зовнішнім відвалоутворенням і одним транспортним виходом.

Варіант 2. Технологія відкритої розробки крутоспадних родовищ із зовнішнім відвалоутворенням і двома транспортними виходами.

Варіант 3. Технологія розробки крутоспадних родовищ із внутрішнім відвалоутворенням одним етапом і одним транспортним виходом.

Варіант 4. Технологія розробки крутоспадних родовищ із внутрішнім відвалоутворенням двома етапами й одним транспортним виходом.

Варіант 5. Технологія розробки крутоспадних родовищ із внутрішнім відвалоутворенням одним етапом і двома транспортними виходами.

Варіант 6. Технологія розробки крутоспадних родовищ із внутрішнім відвалоутворенням двома етапами і двома транспортними виходами.

При виконанні розрахунків значень обсягів і відстаней перевезення розкривних порід у динаміці розвитку гірничих робіт по варіантах 1-6 для різноманітних значень гірничо-геометричних параметрів використано розроблену нами математичну модель розвитку гірничих робіт KAR.

У результаті гірничо-геометричного аналізу з використанням системи KAR та економіко-математичного моделювання визначено сумарні приведені витрати на розробку крутоспадних родовищ по варіантах 1-6.

За результатами розрахунків встановлено залежності зміни економічних показників на розробку родовищ по варіантах 1-6 з внутрішнім та зовнішнім відвалоутворенням при зміні горизонтальної потужності покладу в межах в = 100-400 м.

На підставі виконаних досліджень зміни відносних відхилень сумарних приведених витрат виконано ранжування ефективності застосування розглянутих варіантів розробки крутоспадних родовищ. Результати ранжування дозволяють зробити такі висновки.

При кінцевій глибині кар’єру 300-700 м (проектні рішення по Кривбасу) застосування технології з внутрішнім відвалоутворенням забезпечує економічну ефективність.

Обґрунтовано, що при горизонтальній потужності покладу більше 300 м і кінцевій глибині кар’єру до 300 м включно незалежно від довжини кар’єру по дну раціонально застосовувати технологію внутрішнього відвалоутворення одним етапом з двома транспортними виходами із кар’єру. При горизонтальній потужності покладу більше 300 м і кінцевій глибині кар’єру, яка перевищує 300 м, раціонально застосовувати технологію внутрішнього відвалоутворення одним етапом з двома транспортними виходами із кар’єру тільки при кінцевій довжині кар’єру по дну до 4 км, а при більшій довжині раціонально застосовувати технологію відвалоутворення двома етапами (шарами) з двома транспортними виходами із кар’єру.

Впровадження у практику рекомендованих технологічних схем з внутрішнім відвалоутворенням дозволить зменшити сумарні приведені витрати на розробку родовищ на 7,6-25,1% .

Виконано оцінку ефективності внутрішнього відвалоутворення за землеємністю, розроблено методику аналізу ефективності технології розробки глибоких кар’єрів із внутрішнім відвалоутворенням за землеємністю, яка дозволяє оцінити технологію, що застосовується, за наступними критеріями (табл. ).

Результати розрахунків, які виконано за методикою, використано для побудови графіків (рис. , ), які характеризують взаємозв’язок між параметрами технології розробки та їх вплив на землеємність.

Таблиця 3

Критерії оцінки технології з внутрішнім відвалоутворенням за землеємністю

№

пп | Критерії | Розрахункова формула | 1. | Питома землеємність зовнішнього відвалу (П) при технології без внутрішнього відвалоутворення, га/тис.т

2. | Питома землеємність зовнішнього відвалу (Пв) при технології з внутрішнім відвалоутворенням, га/тис.т | 3. | Відносне зменшення питомої землеємності зовнішнього відвалу при технології з внутрішнім відвалоутворенням, яке характеризується коефіцієнтом (КП), разів | 4. | Зменшення площі зовнішнього відвалу (?S) при технології з внутрішнім відвалоутворенням, га | Sз - площа зовнішнього відвалу при розробці кар’єру без внутрішнього відвалоутворення, га;

Sзв - площа зовнішнього відвалу при технології з внутрішнім відвалоутворенням, га;

Vр - обсяг руди, що видобувається, за весь період розробки кар’єру, т. | На основі аналізу графіків установлено, що питомі землеємності зовнішнього відвалу як при технології з внутрішнім відвалоутворенням, так і без нього, змінюються за однаковим законом: зменшуються при збільшенні кінцевої довжини кар’єру по дну та зменшенні його глибини.

Коефіцієнт зменшення питомої землеємності при застосуванні технології з внутрішнім відвалоутворенням може змінюватися в межах КП (?к = 1 км, Нк = 700 м) до КП = 11,8 (?к = 8 км, Нк = 300 м).

На основі всіх виконаних у роботі досліджень, аналізу та узагальнення одержаних результатів розроблено методичні рекомендації щодо проектування технології внутрішнього відвалоутворення на глибоких кар’єрах, які базуються на використанні розроблених у роботі теоретичних основ, що забезпечують вибір раціональних параметрів:

1. Технології формування внутрішнього відвалу одночасно по всій його висоті (одним етапом).

2. Технології формування внутрішнього відвалу двома етапами.

3. Локальних формувань із розкривних порід