Міністерство освіти і науки України

Національний гірничий університет

Анісімов Олег Олександрович

УДК 622.271.33

Управління режимом гірничих робіт залізорудних кар’єрів при відпрацюванні розкривних порід крутопохилими шарами

Спеціальність 05.15.03 – “Відкрита розробка родовищ корисних копалин”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ – 2007

Дисертацією є рукопис.

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

Науковий керівник – лауреат Державної премії України в галузі науки і техніки, доктор технічних наук, професор Дриженко Анатолій Юрійович, професор кафедри відкритих гірничих робіт Національного гірничого університету (м. Дніпропетровськ), Міністерство освіти і науки України.

Офіційні опоненти – лауреат Державної премії України в галузі науки і техніки, член-кореспондент Національної академії наук України, доктор технічних наук, професор Шапар Аркадій Григорович, директор Інституту проблем природокористування та екології НАН України (м. Дніпропетровськ);–

кандидат технічних наук, доцент Слободянюк Валерій Костянтинович, доцент кафедри відкритих гірничих робіт Криворізького технічного університету Міністерства освіти і науки України.

Провідна установа – Інститут геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України , відділ геомеханічних основ технології відкритої розробки родовищ (м. Дніпропетровськ).

Захист дисертації відбудеться 31.05.2007 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.02 із захисту дисертацій при Національному гірничому університеті Міністерства освіти і науки України за адресою: 49005, м. Дніпропетровськ – 5, пр. К.Маркса, 19.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України за адресою: 49005, м.Дніпропетровськ-5, пр. К. Маркса, 19.

Автореферат розісланий 27.04. 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 08.080.02,

к. т. н., доцент В.В. Панченко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Проблема управління режимом гірничих робіт залізорудних кар’єрів пов’язана з недосконалістю технологічних схем відпрацювання похилих і крутих пластових покладів, які планується розробляти до глибини 500...700 м з обсягами виймання гірських порід у межах 20...80 млн. т на рік. У зв’язку із систематичним поглибленням робочої зони проектна продуктивність кар'єрів підтримується в основному шляхом надання робочим бортам все більшого куту укосу і, як показує аналіз роботи глибоких кар’єрів, найбільш перспективним способом виймання розкривних порід є відпрацювання крутопохилими шарами. Гірничі роботи на залізорудних кар'єрах України характеризуються систематичним відставанням виймання об’ємів порід розкриву від проектних, що потребує постійного коригування режиму гірничих робіт і обумовлює актуальність теми дисертації.

Аналіз гірничотехнічної літератури і раніше виконаних наукових досліджень, а також практика експлуатації глибоких кар’єрів показує, що робоча зона формується з виділенням етапів як за периметром, так і за глибиною. Послідовність переміщення уступів і напрямок відпрацювання глибоких кар’єрів, обґрунтування раціональних технологічних схем та існуючі методики визначення основних параметрів робочої зони при відпрацьовуванні крутопохилими шарами потребують доповнень. Вищенаведене обумовило актуальність наукової задачі, що полягає у встановленні закономірності формування параметрів робочої зони при відпрацьовуванні крутопохилими шарами, яка дозволяє визначити раціональний графік режиму гірничих робіт.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Дисертаційна робота пов'язана з пріоритетним напрямом розвитку науки і техніки "Нові технології і ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості і агропромисловому комплексі", а також з госпдоговірними темами "Обґрунтування параметрів гірничотранспортних робіт при поглибленні кар’єру ПГЗК із керованою консервацією та розконсервацією тимчасово неробочих розкривних уступів у робочій зоні" (№ держреєстрації 0105U007353), "Розробити рекомендації щодо повного використання відвальних земель при складуванні порід розкриву" (№ держреєстрації U004672), а також ТЕО розробки кар'єру РУ ім. Кірова "Сєвєрний", де автор як виконавець розробив методики визначення раціональних режимів гірничих робіт та параметрів робочої зони кар’єрів.

Мета роботи полягає в теоретичному обґрунтуванні способів управління режимом гірничих робіт залізорудних кар’єрів при відпрацюванні розкривних порід крутопохилими шарами за рахунок застосування технологічних підходів до визначення основних параметрів робочої зони.

Відповідно до поставленої мети при виконанні дисертаційної роботи вирішувалися такі задачі:

1. Визначити тенденції розвитку видобутку залізної руди в Україні, виконати аналіз відомих технологічних схем і способів управління режимом гірничих робіт.

2. Встановити залежності інтенсивності виймання порід розкриву від основних параметрів робочої зони при різних способах відпрацювання родовищ і їх вплив на управління режимом гірничих робіт.

3. Розробити метод визначення основних параметрів, що впливають на розміри робочої зони з урахуванням відпрацювання розкривних порід крутопохилими шарами етапу і мінімальними об’ємами виймання розкриву.

4. Розробити раціональні способи управління режимом гірничих робіт при відпрацюванні видовжених за лінією простягання залізорудних родовищ.

5. Обґрунтувати режим гірничих робіт для діючих залізорудних кар’єрів України при відпрацюванні родовищ за новими технологічними рішеннями.

Ідея роботи полягає у встановленні послідовності відпрацювання крутоспадних видовжених за лінією простягання залізорудних родовищ шляхом формування тимчасово неробочих ділянок бортів у робочій зоні кар'єрів і наступної їх розконсервації крутопохилими шарами етапу у визначеному напрямку.

Об'єкт дослідження – розробка видовжених за лінією простягання залізорудних родовищ крутопохилими шарами щодо розкривних порід.

Предмет дослідження – визначення технологічних рішень щодо формування режиму гірничих робіт при відпрацьовуванні розкривних порід крутопохилими шарами.

Методи дослідження. При вирішенні поставлених задач були використані такі методи: наукового узагальнення публікацій – для виявлення сучасного стану вирішення зазначених задач; аналітичний – для дослідження параметрів технології й обґрунтування ефективності застосування розробки залізорудних родовищ крутопохилими шарами етапу; графоаналітичний – для гірничо-геометричного аналізу розвитку робочої зони кар'єру; математичної статистики – для аналізу продуктивності виймального і транспортного устаткування по розкривних породах; метод техніко-економічного обгрунтування – для визначення раціональних технологічних схем відпрацювання кар'єрного поля.

Наукова новизна отриманих результатів:

1.Вперше для способу управління режимом гірничих робіт шляхом відпрацювання розкривних порід декількома крутопохилими шарами, які формують діагонально до лінії простягання покладу, для кар’єрів, що експлуатують крутоспадні видовжені родовища, встановлені залежності між продуктивністю екскаваторів, довжиною їх блоків, висотою уступів у шарах, кутом робочого борту і кутом орієнтування діагональних блоків, за допомогою яких досягається можливість визначення раціонального зростального графіка режиму гірничих робіт.

2. Вперше встановлена експоненційна залежність темпу поглиблення гірничих робіт від глибини розробки для типових залізорудних кар’єрів при поетапній відробці родовищ крутопохилими шарами одночасно на 2-3-х ділянках етапів, що забезпечує можливість при проектуванні кар’єрів визначати доцільний поточний коефіцієнт розкриву у різні періоди експлуатації.

3.Удосконалений графоаналітичний метод визначення параметрів робочої зони кар’єру, що впливають на режим гірничих робіт при відпрацюванні розкривних уступів залізорудних родовищ крутопохилими шарами, який на відміну від відомих, передбачає виділення етапів щодо розкривних порід уздовж простягання покладу; в кожному етапі формуються крутопохилі шари, кількість яких залежить від кута падіння родовища, ширини і кута нахилу шару, а також з якого боку родовища вони формуються.

4.Вперше теоретично обґрунтована технологічна схема поетапної відробки крутопохилими шарами крутоспадних залізорудних родовищ, яка відрізняється відпрацюванням розкривних порід одночасно на ділянках 2-3-х етапів в шарах, що розташовані діагонально до лінії простягання покладу, за яким виконується також посування фронту гірничих робіт, що дозволило забезпечити відповідне зростання графіка режиму гірничих робіт.

Наукові положення, які захищаються в дисертації:

1. Мінімально необхідні поточні об’єми виймання порід розкриву при відпрацюванні крутоспадних видовжених родовищ досягаються за рахунок підвищення укосів бортів до 30…42є, що дає можливість найшвидше досягти проектного дна кар’єру, а також шляхом відпрацювання порід розкриву діагональними блоками з орієнтуванням їх під кутом 14…30є від висячого та лежачого боків покладу, з формуванням встановлених екскаваторних блоків у межах простягання родовища на робочому горизонті, що дозволяє розробку більшої частини розкриву перенести на майбутній період.

2. При розробці крутоспадних залізорудних родовищ крутопохилими шарами етапу темп поглиблення гірничих робіт змінюється за експоненціальною залежністю від глибини кар'єру, на підставі чого мінімально необхідні поточні об’єми виймання порід розкриву досягаються шляхом управління положенням розкривних уступів, яке забезпечується переміщенням робочих площадок зверху вниз з консервацією та розконсервацією уступів розкривних порід у крутопохилих шарах одного етапу і за рахунок чого досягається раціональний графік зростаючого режиму гірничих робіт з розкриву.

Практичне значення роботи:

1. Розроблена методика визначення основних параметрів робочої зони кар’єру при відпрацюванні крутоспадних залізорудних родовищ крутопохилими шарами з консервацією і розконсервацією розкривних уступів, використання якої дозволило обґрунтувати ефективність застосування нової технологічної схеми.

2. Визначені раціональні значення темпу поглиблення гірничих робіт для різних за розмірами типових залізорудних кар’єрів при відпрацюванні розкривних порід крутопохилими шарами, що змінюються згідно з річною продуктивністю у межах від 2,5 до 24 м на рік, використання яких на етапі проектування дозволяє обґрунтувати режим гірничих робіт.

3. Обґрунтовані раціональні параметри робочої зони і режими гірничих робіт із зростаючим коефіцієнтом розкриву для залізорудних кар’єрів Полтавського ГЗК та гірничо-збагачувального комплексу "Міттал Стіл Кривий Ріг".

4. Обґрунтована доцільна відстань перевезення порід розкриву автотранспортом залежно від кількості розкривних уступів висотою 15 м в межах крутопохилого шару. При відпрацюванні двох уступів ця відстань становить від 0,75 до 2,75 км, трьох – від 1 до 3,5 км, чотирьох – від 1,25 до 3,6 км.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків та рекомендацій підтверджуються: використанням основних положень теорії і практики відкритих гірничих робіт; достатньою збіжністю результатів теоретичних досліджень із статистичними показниками використання устаткування на гірничих роботах діючих кар'єрів (похибка від фактичних показників не перевищує 7...10 %); коректним використанням результатів математичної обробки статистичних даних; позитивними результатами і фактичним економічним ефектом від впровадження розроблених рекомендацій з формування робочої зони на діючому залізорудному кар'єрі №2-біс "Міттал Стіл Кривий Ріг".

Реалізація результатів роботи.

Результати дисертаційної роботи, використані у патенті України №67386 А "Спосіб відкритої розробки крутоспадних плитоподібних родовищ корисних копалин" при розробці кар'єру №2-біс ГЗК "Міттал Стіл Кривий Ріг". При впровадженні технологічних рішень за цим патентом в проекті "Розкриття нижніх горизонтів кар'єру №2-біс. Відвалоутворення в кар'єрі №1" (ВАТ "Укргіпроруда", м. Харків) отриманий очікуваний річний економічний ефект 21,22 млн. грн (акт Укргіпроруди від 21.12.2006 р.). Частка очікуваного економічного ефекту від використання результатів дисертаційної роботи у винаході становить 1,76 млн. грн. (розрахунок Укргіпроруди від 21.12.2006 р.). Загальний фактичний річний економічний ефект від впровадження технологічних рішень за патентом становить 8,5 млн. грн (акт гірничо-збагачувального комплексу ВАТКриворіжсталь" від 25.05.2005 р.).

Особистий внесок здобувача полягає у формулюванні мети і задач дослідження; обґрунтуванні наукових положень; висновків і рекомендацій; розробці послідовності реалізації методики визначення мінімально необхідного поточного коефіцієнта розкриву при відпрацьовуванні кар'єрного поля крутопохилими шарами етапу; визначенні основних параметрів, що впливають на управління режимом гірничих робіт.

Апробація результатів дослідження. Основні положення і результати дисертації доповідалися й обговорювалися на міжнародних науково-технічних конференціях: "Форум гірників – 2003, 2006" (Дніпропетровськ, 2003, 2006), науково-технічній конференції молодих вчених "Геотехнічні проблеми розробки родовищ" (Дніпропетровськ, 2004), міжнародній конференції "Інтегровані системи управління в гірничо-металургійному комплексі" (Кривий Ріг, 2004), конференції "Сталий розвиток гірничо-металургійної промисловості" (Кривий Ріг, 2004). Результати дисертаційної роботи були використані в конкурсній роботі на здобуття щорічної премії Національного гірничого університету в галузі освіти і науки, де вона посіла призове місце, а авторові присуджено почесне звання "Лауреат" (Дніпропетровськ, 2005).

Публікації. Основні положення і результати роботи опубліковані в 9 наукових працях, у тому числі 5 статтях у фахових журналах і збірниках наукових праць, 3 – у доповідях на міжнародних конференціях; отриманий патент на винахід.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел з 138 найменувань на 12 сторінках. Загальний обсяг роботи - 188 сторінок, у тому числі 47 рисунків на 35 сторінках, 12 таблиць на 6 сторінках і 6 додатків на 26 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність дисертації, сформульовані мета, задачі і методи дослідження, об'єкт, предмет та ідея роботи, наукові положення, відображені наукова новизна і практичне значення отриманих результатів, наведені дані стосовно апробації та публікацій.

Розділ 1. Аналіз тенденції розвитку видобутку залізної руди в Україні. Постановка мети, задач і визначення методів досліджень

Аналіз сучасного стану і перспектив розвитку відкритого видобутку залізних руд в Україні, а також огляд наукових досліджень і проектних рішень, присвячених способам регулювання режиму гірничих робіт і методам оптимізації параметрів систем розробки, показує, що для вирішення задач, пов'язаних з управлінням режимом гірничих робіт, необхідні нові технологічні схеми і доповнення до методик визначення основних параметрів робочої зони.

Проблемам розвитку теорії відпрацювання глибоких кар’єрів, оцінці ефективності розробки крутоспадних родовищ, освоєнню надр із застосуванням поетапного відпрацювання кар’єрних полів, а також управлінню режимом гірничих робіт присвячені роботи академіків М.В. Мельникова, В.В. Ржевського, професорів М.Г. Новожилова, О.І. Арсентьєва, В.Г. Близнюкова, В.Ф. Бизова, М.В. Васильєва, Ю.Г. Вілкула, А.Ю. Дриженка, В.А. Завсегдашнього, В.І. Прокопенка, Л.М. Солодовника, Б.М. Тартаковського, П.І. Томакова, В.С. Хохрякова, М.С. Четверика, А.Г. Шапаря, канд. техн. наук В.М. Богданова, В.П. Ліньова, Б.К. Оводенка, Л.В. Якубенка та багатьох інших вчених і фахівців.

Виділення типів кар’єрів в наукових роботах А.Ю. Дриженка і В.П. Мартиненка, присвячених визначенню основних параметрів кар'єрів, дозволяють на їх прикладі визначати параметри робочої зони і режими гірничих робіт.

Залізорудні родовища України і країн СНД представлені в основному залізистими кварцитами, шари яких залягають під кутами 60...90є, простежуються на глибину 1,5...2 км і мають горизонтальну потужність 120...875 м. Як відомо, управління режимом гірничих робіт дозволяє значно ефективніше відпрацьовувати залізорудні родовища. На всіх залізорудних кар'єрах України спостерігається різке відставання розкривних робіт від передбачених проектом календарних планів. Розвиток видобутку залізної руди в Україні показує, що управляти режимом гірничих робіт можливо зміною кута укосу борта кар'єру, послідовністю відпрацювання кар'єрного поля (виділення етапів, консервація і розконсервація бортів кар'єру на окремих ділянках, формування борта кар'єру діагональними, поздовжніми і поперечними блоками), темпом поглиблення гірничих робіт. Відповідно до першої задачі виконаний аналіз способів управління режимом гірничих робіт. При наявній на підприємствах техніці й існуючих технологічних схемах відпрацювання розкривних порід може здійснюватися із застосуванням крутопохилих шарів етапу, що дозволить управляти режимом гірничих робіт, але вимагає додаткових наукових досліджень для обґрунтування закономірностей формування параметрів робочої зони кар'єрів і вдосконалення існуючих методик їх розрахунку. У зв’язку з чим були обґрунтовані мета, задачі і визначені методи дослідження.

Розділ 2. Дослідження впливу параметрів робочої зони кар’єру на інтенсивність виймання порід розкриву при відпрацьовуванні крутопохилими шарами етапу

Режим гірничих робіт істотно залежить від кутів формування робочих бортів кар'єрів, а зміна їх параметрів призводить до зміни поточного коефіцієнта розкриву. Відомі технологічні схеми дозволяють розробляти крутоспадні родовища з формуванням кутів нахилу робочих бортів до 19...24є. Розробка порід розкриву крутопохилими шарами дозволяє значно підвищити кут робочого борту і швидше розпочати розробку нижніх добувних уступів. Під крутопохилим шаром етапу пропонується розуміти геометричну фігуру, що має об’єм породи розкриву, укладений між двома суміжними контурами тимчасово неробочого борту кар’єру, який сформований під кутом 28...42є до горизонтальної площини і відпрацьовується послідовно з переміщенням зверху вниз однією робочою площадкою, ширина якої (50...60 м) забезпечує відпрацювання запасів корисної копалини на глибину, відповідну висоті 2-3-х уступів.

Встановлено, що крутопохилі шари етапу повинні формуватися щодо скельних порід розкриву на фронтальних бортах (рис. 1), починаючи від виходу корисної копалини під нижній розкривний уступ по лежачому і висячому боках родовища в поперечному розрізі і діагонально орієнтуватися уздовж простягання родовища. Довжина за лінією простягання розділяється на 2-3 етапи ( ), які складаються з довжини екскаваторного блоку і з'їздів між суміжними уступами. Ширина понизу додатково включає уловлювальні площадки. Фронтальні робочі борти щодо скельних порід розкриву формуються від контактів покладу корисної копалини по лежачому і висячому боках із обладнанням робочих площадок, які з верхніми площадками утворюють етапи з декількох тимчасово законсервованих уступів. Між ними, відповідно до Правил безпеки, залишають площадки безпеки. Систематичне переміщення фронту розкривних робіт у поздовжньому і поперечному напрямках призводить до планомірного відпрацювання об’єму скельних порід розкриву і часткового перенесення виймання їх на завершальний термін експлуатації кар'єру.

На основі геометричного взаємозв'язку кутів укосу робочого борту, неробочої його ділянки і кута падіння покладу корисної копалини при відпрацюванні порід розкриву крутопохилими шарами етапу швидкість розносу висячого тимчасово неробочого борту vг при поглиблені кар'єру на величину hг має вигляд:

, м/р., (1)

де бн – кут тимчасово неробочої ділянки борту кар'єру, град; бр.в. – кут робочого борту кар’єру, град; г – кут падіння покладу корисної копалини, град.

Крутопохилі шари формують ширину групи уступів в етапі. Взаємозв'язок між шириною групи уступів в етапі по висячому Вэ.в., і лежачому Вэ.л. боках родовища має вигляд:

, м, (2)

де бр. л. – кут робочого борту кар'єру по лежачому боку родовища корисної копалини, град.

Ширина групи уступів в етапі – параметр робочої зони, що визначає формування робочої зони кар’єру при відпрацюванні порід розкриву крутопохилими шарами, величина якої впливає на об’єми виймання і є одним із способів управління режимом гірничих робіт.

Кількість формованих екскаваторних блоків і їх довжина впливають на кут орієнтування діагональних блоків до лінії простягання родовища, який є одним із способів управління режимом гірничих робіт і за допомогою якого досягаються мінімальні об’єми виймання порід розкриву. Розробку руди ведуть поздовжньо від відпрацьованого торця кар'єру з постійними транспортними комунікаціями до протилежного (рис. 1). Діагональні блоки формують у напрямку від лежачого боку до висячого й орієнтують під кутом до лінії простягання:

, град, (3)

де mг – горизонтальна потужність шару корисної копалини, м; Lэб – довжина екскаваторного блоку, м.

Рис. 1. Схема формування робочої зони кар'єру крутопохилими шарами етапу: 1 – видобувні уступи; 2 – торець кар'єру з постійними транспортними комунікаціями; 3 – нижні робочі площадки етапу; 4 – верхні площадки етапу; 5 – ділянки порід розкриву, розробка яких перенесена на завершальний період відпрацювання родовища; 6 – границя кар'єрного поля; lэ – довжина етапу.

При відпрацюванні кар'єру крутопохилими шарами етапу з темпом поглиблення 10...15 м на рік швидкість посування борта складе 20...30 м на рік. Дані показники дозволяють обґрунтувати режим гірничих робіт при відпрацьовуванні родовища з розробкою крутопохилими шарами етапу.

Таким чином у розділі були вирішені друга і третя задачі. Встановлені залежності інтенсивності виймання порід розкриву від основних параметрів робочої зони кар’єру та розроблений метод визначення основних параметрів, що впливають на способи управління режимом гірничих робіт при відпрацюванні розкривних порід крутопохилими шарами етапу, стали основою першого наукового положення.

Розділ 3. Управління режимом гірничих робіт при вийманні порід розкриву крутопохилими шарами

Як відомо, послідовність, напрямок та швидкість виймання порід розкриву і корисної копалини – це основні способи управління режимом гірничих робіт. Об’єми виймання розкривних порід залежать від застосованої технологічної схеми. Параметри технологічних схем пов’язані з устаткуванням, що використовується на кар’єрах. Для Полтавського ГЗК і гірничо-збагачувального комплексу "Міттал Стіл Кривий Ріг" виконані порівняльні дослідження статистичних даних змінної продуктивності екскаваторів. Упродовж місяця змінна продуктивність екскаватора ЕКГ-8І на кар'єрі Полтавського ГЗК при двозмінній роботі змінювалася в межах 1264,89±636,85 м3/зміну, для умов кар'єрів гірничо-збагачувального комплексу "Міттал Стіл Кривий Ріг" цей параметр становив 1257,24±703,04 м3/зміну. Відповідно до заданого темпу поглиблення гірничих робіт, швидкості руху робочих бортів кар'єру і визначеної продуктивності екскаваторів досліджена кількість шарів з розкриву, що підлягають відпрацюванню при поточній глибині кар’єру. Кількість шарів, що відпрацьовуються, впливає на ширину групи уступів в етапі і відповідно на режим гірничих робіт при вийманні порід розкриву крутопохилими шарами.

Зміна орієнтування напрямку виїмкових ділянок за діагоналлю до простягання покладу веде до зміни довжини етапу (рис. 2), а відповідно, і до зміни режиму гірничих робіт. Розроблені схеми формування кар'єру за лінією простягання рудного покладу. Крутопохилі шари етапу розбиваються на блоки, які складаються з поздовжньої виїмкової і діагональної ділянок, що з'єднують суміжні блоки. Довжина блоку становить від 500 до 800 м. Кут орієнтування діагональних західок відносно лінії простягання родовища при роботі екскаватора ЕКГ-8І за новою технологічною схемою 10°. При відпрацюванні екскаваторних блоків екскаватором ЕКГ-10 кут орієнтування становить 8°, а ЕКГ-5 – не перевищує °.

На основі гірничо-геометричного аналізу встановлено, що в умовах залізорудних кар'єрів (табл.1) кут робочого борту за простяганням змінюється в межах від 7 до 16°. Кількість екскаваторних блоків з видобутку руди змінюється від 5 до 15, а з розкриву – від 7 до 14. На глибині 250...350 м, що мають натепер діючі кар'єри, кількість законсервованих блоків становитиме від 2 до 4. Кількість екскаваторних блоків з видобутку руди і розкриву при заданій продуктивності розрахована для умов застосування екскаваторів ЕКГ-8І.

Зі збільшенням глибини гірничих робіт довжина кар'єру по поверхні збільшується, а темп поглиблення при постійній продуктивності з руди зменшується. Після виходу кар'єру на проектні глибину і контури в одному із торців кар'єру темп поглиблення гірничих робіт істотно збільшується. Темп поглиблення гірничих робіт від глибини кар'єру змінюється за експонентною залежністю, яка дозволяє визначати його значення і встановлювати режим гірничих робіт. Точка пересікання на графіку (рис. 3) двох ліній показує середню доцільну величину темпу поглиблення для типових залізорудних кар'єрів. Дана величина становить близько 9,5  м на рік, що підтверджується темпами поглиблення на діючих залізорудних кар'єрах України за минулий період їх розробки.

Визначення поточного коефіцієнта розкриву при відпрацюванні кар'єрних полів виконується на основі реалізації математичних розрахунків, пов’язаних з розвитком гірничих робіт крутопохилими шарами етапу. Для типових кар’єрів на основі математичних розрахунків отримані показники зміни поточного коефіцієнта розкриву при відпрацюванні видовженого родовища крутопохилими шарами (рис. 4). Найбільший поточний коефіцієнт розкриву відповідає кар’єрам 6-го типу – 2,75 м3/м3, кар’єри мають значні розміри і відповідно об’єми порід, що видобуваються. Найменші значення Кт відповідають кар’єрам кар’єрам 4-го типу – 1,2 м3/м3. В початковий період відпрацювання усі залежності мають зростаючий характер, що позитивно відображається на режимі гірничих робіт.

Таким чином в розділі вирішена четверта задача: розроблені раціональні способи управління режимом гірничих робіт, основними регулюючими параметрами яких є кут орієнтування екскаваторних блоків при відпрацюванні розкривних порід, темп поглиблення гірничих робіт, кількість крутопохилих шарів з розкриву, що визначає ширину групи уступів в етапі. Отримані результати стали основою другого наукового положення.

Таблиця 1

Основні параметри гірничотранспортної системи відпрацювання типових кар'єрів крутопохилими шарами етапу

Показники | Кар'єр

1 тип (РУ ім.Кірова) | 3 тип | 4 тип | 5 тип (Полтавський ГЗК)

гірничо-збагачувальний комплекс ВАТ "Міттал Стіл Кривий Ріг"

Гранична глибина кар'єру (Нк), м | 300 | 500 | 500 | 600

Довжина кар’єру по поверхні, м | 1000 | 3000 | 4000 | 5000

Ширина кар’єру по поверхні, м | 1000 | 2000 | 1200 | 1500

Поточна глибина кар'єру, м | 200 | 300 | 300 | 300

Кут укосу неробочого борту в торцях кар'єру (в), град | 38 | 38 | 42 | 45

Кількість етапів з розкриву, од. | 9 | 11 | 11 | 13

Ширина шару етапу, м | 50 | 60 | 60 | 60

Висота крутопохилого шару етапу, м | 45 | 45 | 45 | 45

Кількість шарів, що підлягають відпрацьовуванню при поточній глибині, од. | 5 | 5 | 5 | 7

Середній темп поглиблення по руді, м/р. | 9,5 | 3,5 | 6,2 | 6,3

Розділ 4. Розробка рекомендації стосовно зміни режиму гірничих робіт залізорудних кар'єрів під час розробки розкривних порід крутопохилими шарами

На основі теоретичних досліджень і встановлених залежностей відпрацювання крутопохилими шарами розкривних порід, встановлених показників кута орієнтування екскаваторних блоків і темпу поглиблення гірничих робіт, при реалізації математичних розрахунків розробки крутоспадних родовищ, були обґрунтовані основні параметри і режим гірничих робіт для діючих кар’єрів. Обґрунтовані основні параметри відпрацювання кар'єру “Сєвєрний” РУ ім. Кірова (1-й тип). Встановлено, що найкращі показники відповідають відпрацюванню родовища крутопохилими шарами етапу з кутами робочих бортів до 42є. Ширина крутопохилого шару дорівнює 32 м. Висота тимчасово неробочої ділянки 50 м, вона відпрацьовується уступами висотою 10...12 м. Коефіцієнт розкриву становить 5,85 м3/м3, що позитивно відображається на режимі гірничих робіт.

Досліджені й обґрунтовані режими гірничих робіт, складені календарні плани відпрацювання кар'єрів №2-біс і №3 ГЗК "Міттал Стіл Кривий Ріг"(3 і 4-й типи). Розроблена і впроваджена нова технологічна схема відпрацювання цих кар'єрів з тимчасовою консервацією групи уступів у етапах при розвитку вглиб крутопохилими шарами під кутом 40є (патент України №63386 А). У результаті розрахунків виявлено, що за новою технологічною схемою зменшується річна продуктивність кар'єру №2-біс з розкривних порід на 972 тис. м3. Завдяки цьому знижується середній коефіцієнт розкриву з 0,66 до 0,53 м3/т. Отриманий економічний річний ефект від впровадження нової технологічної схеми склав 8 млн. грн. Нова технологічна схема відпрацювання кар'єру №3 ГЗК "Міттал Стіл Кривий Ріг" передбачає формування робочої зони етапами. Довжина етапів становить 600…800 м. Кількість їх за висотою робочої зони – 3, за довжиною кар'єру – 3. Ширина нижньої робочої площадки перших знизу етапів щодо лежачого боку – 62 м, щодо висячого – 65 м. Результуючі кути укосів робочих бортів щодо лежачого боку – 45є, висячого – 30,5…38є. Запропонована технологічна схема дозволяє зменшити коефіцієнт розкриву на 0,187 м3/т. При досягненні зоною поглиблення граничної глибини у відпрацьованій частині кар'єрного поля можливо розміщувати внутрішній відвал порід розкриву.

Для родовищ Полтавського ГЗК (5-й тип) доцільний режим гірничих робіт досягається при формуванні крутопохилих шарів етапу з кутами укосів 30…40є. При цьому кількість екскаваторних блоків за лінією простягання на видобутку руди становить 4, а на розробці розкривних порід – 7. Аналіз календарного плану розвитку гірничих робіт при відпрацюванні кар'єру крутопохилими шарами етапу показує, що коефіцієнт розкриву зменшується на 0,07 м3/т.

Управління режимом гірничих робіт дозволяє зменшити поточний коефіцієнт розкриву за рахунок використання нових технологічних рішень пов’язаних з підвищенням кутів робочих бортів до 30...45є. Відповідно в розділі вирішена п’ята задача, пов’язана з обґрунтуванням режиму гірничих робіт для діючих залізорудних кар’єрів України.

Отримані в роботі результати дозволили обґрунтувати раціональні способи управління режимом гірничих робіт при розробці залізорудних родовищ і встановити основні параметри робочої зони при відпрацюванні розкривних порід крутопохилими шарами.

ВИСНОВКи

У дисертації, що є завершеною науково-дослідною роботою, поставлена і вирішена актуальна наукова задача, яка полягає у встановленні закономірності формування параметрів робочої зони при відпрацюванні крутопохилими шарами. На основі встановленої закономірності створені методи визначення основних параметрів робочої зони, раціональних технологічних схем формування кар'єру, оптимізації параметрів гірничих робіт з використанням установлених залежностей їх зміни при поетапному відпрацюванні крутопохилими шарами етапу та обґрунтовані інтенсивність розвитку робіт при розконсервації тимчасово неробочих розкривних уступів і параметри поглиблення залізорудних кар'єрів зі збільшенням глибини. Сукупність створених методів дозволяє визначати раціональний режим гірничих робіт. Це має важливе значення і є суттєвим для підвищення ефективності управління режимом гірничих робіт залізорудних кар'єрів гірничодобувних підприємств.

Найбільш важливі наукові та практичні результати роботи полягають у наступному:

1. При видобутку залізної руди на глибоких кар’єрах із збільшенням глибини робочої зони встановлено погіршення режиму гірничих робіт, яке пов’язано зі зменшенням об’ємів виймання порід розкриву відносно запланованих. Найбільш перспективним способом є розробка розкривних порід крутопохилими шарами. Відомі технологічні схеми і способи визначення параметрів при розробці крутопохилих шарів потребують доповнень, удосконалення і теоретичного обґрунтування, що дозволить керувати режимом гірничих робіт.

2. Вдосконалений графоаналітичний метод визначення основних параметрів при відпрацюванні крутопохилими шарами, який впливає на управління режимом гірничих робіт. Положення крутопохилих шарів і їх параметри дозволяють визначити ширину групи уступів, які підлягають відпрацюванню щодо лежачого і висячого борта кар’єру в етапах, а відповідно впливають на швидкість посування робочого борту. Це дозволило розробити нові технологічні рішення з відпрацювання видовжених родовищ крутопохилими шарами етапу. Під крутопохилим шаром етапу пропонується розуміти геометричну фігуру, що має об’єм породи розкриву, укладений між двома суміжними контурами тимчасово неробочого борту кар’єру, який сформований під кутом 28...42є до горизонтальної площини і відпрацьовується послідовно з переміщенням зверху вниз однією робочою площадкою, ширина якої (50...60 м) забезпечує відпрацювання запасів корисної копалини на глибину, відповідну висоті 2-3-х уступів.

3. Графоаналітичний метод визначення основних параметрів потребує оцінки стійкості гірського масиву висаджених порід. Керування стійкістю масиву, шляхом каскадного висадження, дозволяє проводити гірничі виробки (з'їзди) по схилу свіжорозпушених порід і безпечно розміщувати виймально-навантажувальне і транспортне устаткування в умовах природної усадки скельної маси. При цьому коефіцієнт стійкості змінюється від 1,01 до 1,4, що є достатнім показником для безпечного ведення гірничотранспортних робіт. Для забезпечення безпечної роботи встановлені кореляційні залежності між шириною призми зсуву розпушених порід розкриву, часом їх консолідації, глибиною зсуву і впливом на них об’ємів привантажених скельних порід при роботі екскаватора на розпушеному уступі та при проходці з'їздів з частковим розвантаженням гірської маси під укіс на кар'єрі №1 гірничо-збагачувального комплексу "Міттал Стіл Кривий Ріг". Ширина призми зсуву становить 4...6 м, а глибина – до 2,5 м.

4. Визначені основні способи управління режимом гірничих робіт при відпрацюванні крутопохилих шарів. До них відносяться: кут орієнтування діагональних блоків до лінії простягання родовища, темп поглиблення гірничих робіт, ширина групи уступів, що підлягають відпрацьовуванню, довжина виймального блоку з розкриву. При розробці уступів висотою 15 м екскаваторами ЕКГ-8І довжина екскаваторного блоку при проходці діагональними і поздовжніми західками з урахуванням запасів висадженої породи становить близько 270 м, при проходці екскаватором ЕКГ-10 – 285 м, ЕКГ-5 – 250 м. Раціональний кут орієнтування діагональних західок відносно лінії простягання при відпрацюванні екскаватором ЕКГ-8І, який дозволяє підтримувати режим гірничих робіт, становить 10°. При відпрацюванні екскаваторних блоків ЕКГ-10 даний кут орієнтування становить 8°, ЕКГ-5 – кут не перевищує 12°. Визначено закономірність зміни темпу поглиблення гірничих робіт від глибини розробки для типових залізорудних кар'єрів, яка є експоненційною, при цьому зміна темпу поглиблення гірничих робіт при відпрацюванні крутопохилими шарами етапу для підтримки постійної продуктивності становить від 2,5 до 24 м на рік.

5. Інтенсивність виймання шарів розкриву залежить від продуктивності екскаваторів, довжини їх блоків, висоти уступів, а також кута робочого борту, кута орієнтування діагональних блоків і кута падіння родовища.

6. Коефіцієнт розкриву, що відповідає оптимальному режиму гірничих робіт при формуванні типових кар'єрів крутопохилими шарами етапу, при досягненні глибини 400 м для кар'єрів 2-го типу складає 1,2 м3/м3. Для кар'єру 3, 4 і 5-го типів при проектній глибині 500...600 м – відповідно: 1,6; 1,2; 1,12 м3/м3. Для кар'єрів 6-го типу при досягненні граничної глибини розробки 800 м поточний коефіцієнт розкриву складе 2,75 м3/м3. Коефіцієнт розкриву при відпрацюванні залізорудних родовищ за існуючими схемами значно вищий.

7. Найкращі показники кар'єру "Сєвєрний" РУ ім. Кірова відповідають відпрацюванню родовища крутопохилими шарами етапу з кутами робочих бортів до 42є. Коефіцієнт розкриву на даному кар'єрі становить 5,85 м3/м3. Швидкість поглиблення при куті укосу робочого борту 16° складає 7,4 м/р., при відпрацюванні під кутом 42° – 16,4 м/р. Графік режиму гірничих робіт показує зниження об’ємів виймання розкривних порід при відпрацюванні крутопохилими шарами етапу в порівнянні з існуючою схемою розвитку гірничих робіт.

8. Обґрунтовані режими гірничих робіт для кар'єрів гірничо-збагачувального комплексу "Міттал Стіл Кривий Ріг". При цьому розроблена і впроваджена нова технологічна схема відпрацювання кар'єрного поля з тимчасовою консервацією групи уступів за етапами при розвитку в глибину крутопохилими шарами етапу під кутом 40є. При проектуванні використана технологічна схема відпрацювання глибинної зони кар'єру №2-біс (патент України №  А). При переході на нову технологічну схему буде знижена річна продуктивність кар'єру №2-біс щодо розкривних порід на 972 тис. м3. Так само зменшується середній коефіцієнт розкриву з 0,66 до 0,53 м3/т. Фактичний економічний річний ефект від впровадження нової технологічної схеми склав 8 млн. грн. Відпрацювання кар'єру №3 передбачається крутопохилими шарами етапу, при цьому коефіцієнт розкриву зменшиться на 0,187 м3/т. Щорічне зменшення об’ємів виймання розкривних порід становитиме в середньому 1995,5 тис. м3.

9. Для Полтавського ГЗК розроблені режими гірничих робіт на кар'єрі при відпрацюванні родовища з різними кутами укосів бортів. Виявлено, що найкращі показники відповідають відпрацюванню родовища крутопохилими шарами етапу з кутами укосів 30...40є. Календарний план розвитку гірничих робіт при відпрацюванні кар'єру крутопохилими шарами етапу показує, що коефіцієнт розкриву зменшується на 0,07 м3/т. До 2016 р. при впровадженні нової технологічної схеми відпрацювання кар'єрів об’єми виймання розкриву зменшаться на 19,92 млн. м3.

10. При розробці залізорудних пластових родовищ управління величиною поточного коефіцієнта розкриву (від 0,6 до 3,4 м3/м3) досягається шляхом поступової розконсервації тимчасово неробочих бортів крутопохилими шарами етапу, що відпрацьовуються діагональними блоками під кутом 14…30є відносно лінії простягання з обох боків падіння корисної копалини, внаслідок чого забезпечується досягнення раціональних графіків ступенево зростаючого режиму гірничих робіт на кар'єрах.

Основні положення дисертаційної роботи знайшли відображення в наступних публікаціях:

1. Анисимов О. А. Обобщение опыта поэтапной разработки железорудных карьеров // Сб. научн. тр. / НГАУ. – 2003. – № 13. – С. 123-127.

2. Управление выемкой пород вскрыши на глубоких железорудных карьерах Украины / А. Ю. Дриженко, О. А. Анисимов, Г. В. Козенко, В. Н. Домничев, В. Ф. Черконос // Екологія і природокористування: Зб. наук. праць ІППЕ. – 2004. – №7. – С. 94-98.

3. Дриженко А. Ю., Анисимов О. А. Методика расчета параметров поэтапной разработки пород вскрыши на железорудных карьерах // Разработка рудных месторождений. – 2004. – №85. – С. 128-131.

4. Дриженко А. Ю., Анисимов О. А. Технология проведения автомобильного съезда по высоким откосам бортов карьера с насыпными скальными породами // Сб. научн. тр. / НГУ. – 2004.– Т.1, №19. – С. 79-85.

5. Анисимов О. А. Установление параметров рабочей зоны при расконсервации железорудного карьера “Северный” // Науковий вісник НГУ. – 2004. – №9. – С. 17-20.

6. Пат. 67386 А Україна, МКИ Е 21 С 41/00. Спосіб відкритої розробки крутоспадних плитоподібних родовищ корисних копалин / А.В. Сокуренко, В.О. Шеремет, А.В. Кекух, О.О. Анісімов, Г.В. Козенко, О.В. Брехунов, В.М. Домнічев, В.Ф. Черконос, В.П. Темній, О.В. Дрімлюга, В.І. Коломієць, А.Ю. Дриженко (Україна). - № ; Заявл. 11.09.03; Опубл. 15.06.04, Бюл. №6. – 3 с.ил.

7. Дриженко А. Ю., Анисимов О. А. О влиянии физико-механических характеристик горных пород на показатели углубочно-сплошной системы разработки глубоких карьеров // Академический вестник: Матер. міжнар. конф."Інтегровані системи управління в гірничо-металургійному комплексі". – 2004. – №13. – С. 27-29.

8. Анисимов О. А. Исследование производительности экскаваторов в глубинной зоне железорудных карьеров // Геотехнічна механіка: Матер. конф. "Геотехнічні та геомеханічні проблеми розробки родовищ". – 2005.– №55. – С. 105-111.

9. Анисимов О. А. Определение параметров разработки глубоких карьеров крутонаклонными слоями этапа // Матер. міжнар. конф. "Форум гірників – 2006". – Дніпропетровськ: НГУ, 2006. – С. 214 - 217.

Особистий внесок здобувача в роботах, опублікованих у співавторстві: [2] – постановка задач, обґрунтування технологічних схем відпрацьовування залізорудних родовищ; [3] – методика визначення параметрів тимчасово неробочих бортів кар'єру при розконсервації ; [4] – обґрунтування параметрів технологічних схем при проведенні внутрішнього з'їзду по насипних скельних породах, аналіз результатів; [6] – встановлення технічних рішень та параметрів нової технологічної схеми при відпрацьовуванні залізорудних родовищ; [7] – встановлення закономірностей стійкості розкривних порід при розконсервації бортів глибоких кар'єрів.

АНОТАЦІЯ

Анісімов О.О. Управління режимом гірничих робіт залізорудних кар’єрів при відпрацюванні розкривних порід крутопохилими шарами. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.15.03 – "Відкрита розробка родовищ корисних копалин". – Національний гірничий університет, Дніпропетровськ, 2007.

Дисертація присвячена встановленню закономірності формування параметрів робочої зони при відпрацюванні крутопохилими шарами й обґрунтуванню теоретичних підходів до способів управління режимом гірничих робіт, які дозволяють визначити раціональний графік режиму гірничих робіт.

Вдосконалений графоаналітичний метод визначення основних параметрів при відпрацюванні крутопохилими шарами, який впливає на управління режимом гірничих робіт. Положення крутопохилих шарів і їх параметри дозволяють визначити ширину групи уступів, які підлягають відпрацюванню щодо лежачого і висячого борта кар’єру в етапах і впливають на швидкість посування робочого борту. Це дозволило розробити нові технологічні рішення з відпрацювання видовжених родовищ крутопохилими шарами етапу.

На основі раціональних технологічних схем формування кар'єру, оптимізації параметрів гірничих робіт з використанням установлених залежностей обґрунтовані інтенсивність розвитку робіт і параметри робочої зони залізорудних кар'єрів. Обґрунтовані режими гірничих робіт для діючих