DisCollection.ru

Авторефераты и темы диссертаций


Обоснование технологии комбинированной разработки месторождений мрамора в суровых климатических условиях

Кадеров Михаил Юрьевич, 17.04.2009

 

- предложен принцип обеспечения независимости рабочих зон открытых и подземных горных работ при комбинированной разработке мраморного месторождения;

- установлена зависимость относительной величины коэффициента выхода блоков от времени года;

- выявлен характер влияния климатических условий на продолжительность сезона работы карьера при комбинированной разработке месторождений

- получены аналитические зависимости для расчета производственной мощности предприятия при комбинированной разработке месторождения мрамора с учетом его прочностных свойств, концентрации оборудования и сезонности работы карьера.

Методы исследования включают: анализ и обобщение проектной документации, научно-технической литературы, данных производственной практики; аналитическое и горно-геометрическое моделирование с применением программного обеспечения на ЭВМ; натурные и лабораторные эксперименты.

Личный вклад автора заключается: в постановке задач исследования; разработке методики расчета объёмов добычи и количества комплексов оборудования на горных работах при комбинированном способе разработки с сезонной работой карьера; в обосновании технологии горных работ на руднике при штольневом вскрытии шахтного поля с применением перегрузочных площадок; проведении натурных и лабораторных экспериментов и обобщении их результатов.

Достоверность научных положений подтверждена применением современных методов и технических средств при проведении исследований, а также сопоставимостью результатов, полученных различными методами исследований, с данными практики и натурных экспериментов, применением графических редакторов и вычислительных программ на ЭВМ при моделировании в формате 2D и 3D измерениях.

Отличие от ранее выполненных работ заключается в том, что впервые выполнены исследования, результаты которых позволяют обосновать параметры комбинированной технологии месторождений мрамора в суровых климатических условиях с учетом сезонной работы карьера.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

- разработана методика раскроя месторождения на зоны ведения открытых и подземных работ при комбинированной разработке месторождения и сезонной работе карьера;

- предложена технология и организация работ по вскрытию шахтного поля штольнями из бортов карьера, обеспечивающая независимое ведение горных работ открытым и подземным способами при комбинированной разработке месторождения;

- разработана методика для обоснования продолжительности сезона работы карьера, объёмов добычи и количества комплексов оборудования на горных работах при комбинированной разработке месторождения мрамора в суровых климатических условиях.

Реализация работы.

Результаты исследований использованы при разработке проекта рудника «Доверия» и участка “Отдельный” Кибик-Берёзовского месторождения мрамора. Экономический эффект от внедрения результатов работы составил 8,6 млн.руб./год.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры «Открытые горные работы» СФУ ИГДГиГ; на Международной научно-технической конференции «Теория и практика добычи, обработки и применения природного камня» (г. Магнитогорск 2005, 2006, 2007, 2008, 2009).

Публикации.

По результатам выполненных исследований опубликовано 8 печатных работ, в том числе 3 в изданиях, аннотированных ВАК.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложена на 164 страницах машинописного текста, включает 29 таблиц, 74 рисунка, 1 приложение и список использованной литературы из 135 наименований.

Автор выражает глубокую признательность и благодарность за помощь и консультации при подготовке диссертации профессору А.И. Косолапову за постоянное внимание и идеи, оказываемая помощь которого способствовала успешному выполнению работы, а также к.т.н. Е.В. Черепанову и к.т.н. А.Ю. Невежину.

Основное содержание работы

Диссертационная работа базируется на трудах советских и российских ученых в области разработки твердых полезных ископаемых различными способами.

В России исследования особенностей технологии разработки месторождений мрамора подземным и комбинированным способами впервые выполнены в диссертационных работах Е.В. Безверхой и А.Ю. Невежина, подготовленных под руководством проф. А.И. Косолапова.

В нашей стране наиболее крупные месторождения мрамора расположены в Сибири и на северном Урале - в районах с суровыми климатическими условиями, где минимальная температура отмечается в декабре – январе и достигает (-37°С)/(-55°С), а максимальная температура 34/45°С – в июле, зима длинная - с большим количеством снегопадов, а лето короткое - с

Современные технологии разработки месторождений мрамора основаны на широком применении камнерезных машин, для охлаждения рабочих органов которых в большом количестве используется вода. При этом ведение открытых горных работ в условиях отрицательных температур осложняется следующим обстоятельствами:

- технологическую воду необходимо нагревать до температуры 45о-50°С;

- высокая разность температур между мрамором в приповерхностном слое и горячей водой приводит к значительному росту техногенных напряжений в массиве, снижающих выход блоков.

- на поверхности уступов образуются наледи, затрудняющие движение технологического оборудования;

- собирать и очищать воду для повторного использования практически невозможно;

- большие затраты энергии для обеспечения необходимых условий работы технологического оборудования и комфортных условий персоналу.

Исследованиями проф. А.И. Косолапова доказано, что при значительных суточных колебаниях температур весной и осенью резко снижается выход блоков и облицовочных изделий из них (максимуму амплитуды соответствует минимум выхода блоков).

Настоящие исследования подтверждают ранее высказанные утверждения о влиянии на эффективность открытой разработки месторождения мрамора температуры его поверхности, а также ее пространственной изменчивости, что можно объяснить временной вариацией термических напряжений в мраморе, оказывающих значительное влияние на выход блоков. Все выше перечисленное предопределяет целесообразность сезонной работы карьера. Но при отработке месторождения только открытым способом обостряется проблема занятости персонала. Ее рациональное решение возможно при комбинированной разработке месторождения мрамора. При этом в межсезонье персонал и оборудование будут заняты в шахте, где массив на глубине более 10-ти метров всегда имеет положительную температуру, обеспечивающую наиболее благоприятные условия для работы. Частичный рост трудоемкости значительно компенсируется ее снижением при работе карьера в благоприятное время года. Это доказывает эффективность данного варианта и повышает привлекательность инвестирования в разработку месторождений мрамора в суровых климатических условиях. При этом, с целью сокращения затрат на горно-капитальные работы необходимо осуществлять вскрытие шахтных запасов способом, обеспечивающим минимальный объем вспомогательных работ, и в кратчайшие сроки. Вскрытие месторождения мрамора, относящегося к нагорному типу, чаще всего осуществляют штольнями, которые проходят со склона горы. Но по мере понижения горных работ появляется возможность их проходки из бортов карьера. Причем, вариант вскрытия тех же запасов слепыми стволами менее эффективен из-за стесненности и больших объемов теряемого мрамора (для размещения подъемной машины). В этом случае при вскрытии штольнями комбинированная разработка может осуществляться с взаимозависимыми и независимыми рабочими зонами открытых и подземных работ. В первом случае интенсивность отработки месторождения, а следовательно, и объемы добычи ограничены скоростью понижения горных работ в карьере, которая зависит от различных факторов, в том числе рыночного спроса на тот или иной вид мрамора. Это обстоятельство предопределило необходимость экономического сопоставления вариантов комбинированной разработки. В свою очередь, из-за различной интенсивности горных работ в карьере и шахте, первоначально необходимо обосновать долю каждого вида работ, при которой возможно обеспечить одновременную отработку шахтного и карьерного полей, то есть необходимо выполнить рациональный раскрой месторождения.

Для этого использована методика раскроя месторождения облицовочного мрамора на зоны открытых и подземных горных работ, предложенная к.т.н. А.Ю. Невежиным, в которой в качестве экономического критерия использован индекс доходности инвестиций (ИД). Данная методика получила развитие в настоящей работе и дополнительно позволяет учитывать при раскрое месторождения:

- сезонность работы карьера;

- вскрытие шахтного поля штольнями из бортов карьера.

Схемы раскроя месторождения показаны на рис. 1. При этом варианты границ раскроя ограничивались минимальной шириной дна карьера (Lкmin) и шахтного поля (Lшmin).

Рис. 1. Схемы вариантов раскроя месторождения мрамора при его разработке комбинированным способом при круглогодичной (а) и сезонной работе карьера (б): 1, 2 – карьерное и шахтное поля

Результаты расчетов, выполненных для условного месторождения с заданными размерами, показали, что в условиях сезонной работы карьера размеры шахтного поля значительно больше карьерного (рис. 1, б), то есть доля открытого способа снижается. В рассмотренном примере доля открытого способа разработки не может превышать 30%. Причем, не исключены варианты, когда подкарьерные запасы потребуется разрабатывать подземным способом (варианты 1, 2, 3 на рис. 1, б). Графики, приведенные на рис. 2, убедительно свидетельствуют о правомерности утверждения о целесообразности сезонной работы карьера при комбинированной разработке месторождения мрамора в суровых климатических условиях. За счет этого индекс доходности инвестиций можно увеличить в 1,9-2,3 раза.

При комбинированной разработке месторождений мрамора с взаимозависимыми рабочими зонами (ВЗРЗ) открытых и подземных работ (рис. 3, а) скорости понижения при различных способах должны быть одинаковыми. В этом случае общий объем добычи блоков ограничивается наименее интенсивным способом, характером разделения месторождения по способам разработки и режимом работы карьера (круглогодичный или сезонный). В случае варианта разработки (рис. 3, б) с независимыми рабочими зонами (НРЗ) и сезонной работе карьера раскрой осуществляют, учитывая полную загрузку персонала и оборудования в течение года и одновременной доработке месторождения открытым и подземным способом. Очевидно, что в последнем случае будет достигаться большая производственная мощность при меньшем объеме инвестиций. Следовательно, вариант НРЗ должен обеспечивать более высокую эффективность разработки месторождения комбинированным способом. Для проверки данного утверждения выполнены численные исследования с целью установления влияния варианта разработки на эффективность инвестирования в разработку месторождений мрамора комбинированным способом, результаты которых представлены в табл. 1. При этом расчет параметров камер и целиков выполнен с использованием методики, разработанной профессором М.А. Иофисом, которая позволяет учесть физико-механические свойства мрамора и особенности комбинированной разработки.

Рис. 2. Влияние доли месторождения, отрабатываемой карьером, на эффективность инвестиций в разработку месторождения комбинированным способом: 1 и 2 – при круглогодичной и сезонной работе карьера

Рис. 3. Схемы комбинированной разработки месторождения мрамора с ВЗРЗ (а) и с НРЗ (б): 1 и 2 – существующее и положение горных работ на конец разработки; 3 – временные целики в шахте для размещения скользящих съездов; 4 – целик для размещения перегрузочной площадки; 5 – уклон