Обоснование и разработка схем циклично-поточной технологии с внутрикарьерными передвижными дробильно-перегрузочными комплексами

Обеспеченность минерально-сырьевыми ресурсами является основополагающим условием развития мирового сообщества. Известно, что и на достаточно отдаленную перспективу материальные потребности человечества на 75−80% будут покрываться за счет полезных ископаемых, относящихся, как правило, к невозобновляемым ресурсам. Значительных изменений структуры и объемов потребления или появления принципиально новых источников сырья и энергии пока не предвидится, поэтому даже при проведении режима строжайшего ресурсосбережения будет происходить дальнейшая интенсификация горного производства.

В современных рыночных условиях России, и особенно в переходный период, объемы добычи некоторых видов недефицитного с позиций сегодняшнего дня минерального сырья уменьшились и будут продолжать снижаться или оставаться на низком уровне в течение какого-то времени. Однако, по мере исчерпания возможностей ресурсосберегающих технологий извлечения, переработки и использования минерального сырья и его заменителей, объемы добычи большинства видов полезных ископаемых вновь начнут увеличиваться. С учетом постоянного нарастания абсолютного объема добычи и переработки горной массы из-за постепенного выбытия из эксплуатации запасов относительно богатых месторождений, неизбежным становится переход на большие глубины и рост масштабов добычи запасов относительно бедных по нынешним меркам месторождений полезных ископаемых /1, 2/. Тем самым объективно существует тенденция ухудшения экономических показателей горных работ.

Активно противодействовать данному процессу возможно как за счет перехода на малоотходные и экологически приемлемые технологии, так, в основном, и за счет интенсификации научно-технического прогресса в области технологии и техники добычи и переработки минерального сырья.

В зависимости от спроса на тот или иной вид сырья, запасов и условий залегания месторождений полезных ископаемых, их разработка ведется горно-добывающими предприятиями различной производственной мощности. Основное большинство крупных месторождений в стране и в мире эксплуатируются высокопроизводительными предприятиями. Для условий мощных глубоких карьеров характерной является особо высокая ответственность при проектировании, планировании и управлении горными работами, поскольку нерациональные решения приводят к большим экономическим потерям для предприятия даже просто из-за влияния масштабного эффекта, не говоря уже об ущербе от неверных решений. Поэтому основные, системообразующие решения по карьеру, являющемуся сложной производственной системой, должны приниматься в условиях достаточности исходной информации и в расчете на применение новых и новейших наукоемких технологий, что до сих пор, как правило, не учитывалось в полной мере при проектировании и планировании открытых горных работ.

Одной из основных задач для мощных глубоких карьеров является обоснование рационального сочетания основного технологического оборудования в комплектах, формирующих структуру комплексной механизации карьера.

При открытой разработке полезных ископаемых все более широкое распространение находит циклично-поточная технология (ЦПТ), позволяющая существенно сократить дальность транспортирования горной массы за счет применения ленточных конвейеров с углами наклона до 16−18°, снизить себестоимость транспортирования горной массы на 30−40%, поднять производительность труда в 1,4−2 раза. Суть циклично-поточной технологии заключается в применении для транспортирования разрабатываемых скальных пород конвейеров, при этом погрузка их ведется цикличным способом, а доставка — либо непосредственно поточным видом транспорта, либо комбинированным (сборочный транспорт — цикличный, основной технологический — поточный).

Интенсивный переход на ЦПТ добычи полезных ископаемых и выемки вскрышных пород, вызванный ростом затрат на транспортирование и, следовательно, поиском вариантов более эффективных комбинированных способов доставки горной массы с глубоких горизонтов карьеров, выявил ряд недостатков, свойственных первым вариантам схем новой технологии.

Применение стационарных и полустационарных дробильно-перегрузочных пунктов (ДПП) показало их несоответствие условиям ведения горных работ в глубоких карьерах. Для строительства ДПП на бортах карьеров необходимо создание специальных площадок и котлованов для размещения зданий с дробильным оборудованием, фактически являющихся корпусами крупного дробления обогатительных фабрик. Увеличение объемов выемки вскрышных пород при постановке борта карьера в конечное положение, например, для первой очереди ЦПТ, составляет 3−5 млн. м3 в зависимости от глубины расположения первого концентрационного горизонта. Выполнение строительно-монтажных работ также требует продолжительного времени (3−4 года), в результате чего к моменту сдачи комплекса ЦПТ в эксплуатацию вновь увеличивается до предельно допустимых значений дальность доставки руд или вскрышных пород сборочным транспортом до концентрационного горизонта в связи с понижением горных работ за период подготовки борта и строительства ДПП. Перенос полустационарного пункта на нижележащий горизонт или строительство нового стационарного обычно осуществляются через 90−140 м по вертикали.

В схемах с самоходными дробильными агрегатами основными недостатками стали практическая невозможность подведения конвейера к каждому экскаватору и жесткая технологическая взаимозависимость оборудования в последовательной схеме. Сбой в работе экскаватора или любого из перегрузочных устройств и конвейеров выводит из строя всю систему.

Наиболее перспективным для глубоких карьеров является широкое внедрение передвижных дробильно-перегрузочных комплексов (ПДПК) в блочном исполнении, лишенных указанных недостатков. Использование ПДПК позволяет расширить диапазон функционирования комбинированного автомобильно-конвейерного транспорта и создает предпосылки к переходу на адаптируемые горно-транспортные системы карьеров на базе гибких переналаживаемых технологий.

Отсутствие материалов, обосновывающих целесообразность применения в карьерах новых схем ЦПТ с ПДПК, позволяющих рассчитывать их параметры, проектировать и совершенствовать данную технологию, определяет актуальность исследуемой проблемы транспорта горной массы с глубоких горизонтов высокопроизводительных карьеров.

Исследования выполнены по плановой тематике Горного института КНЦ РАН в период с 1981 по 1996 гг. в рамках следующих программ: Комплексная программа научно-исследовательских работ по проблеме «Совершенствование методов проектирования параметров подземных рудников и карьеров» на 1981;1985 гг. (Постановление ГКНТ СССР от 22.04.1981 г.), Целевая комплексная программа ОЦ. ОЭ9 «Развитие техники и технологии добычи и обогащения полезных ископаемых и внедрение циклично-поточной технологии горных работ открытым способом» (Постановление ГКНТ’и Госплана СССР от 8.12.1981 г. и Распоряжение АН СССР от 17.03.1982 г.), Общесоюзная научно-техническая программа 0.08.01 «Разработать и освоить технологические процессы, флотационные реагенты и оборудование для добычи руд черных металлов на больших глубинах и их обогащения» (Постановление ГКНТ СССР от 30.10.1985 г. и Распоряжение АН СССР от 24.03.1986 г.), План научно-исследовательских работ на 19 861 990 годы и на период до 2000 года по созданию научных основ и методов повышения эффективности рационального комплексного освоения месторождений полезных ископаемых и охраны недр (Постановления ГКНТ.

СССР от 10.03.1986 г. и Госплана СССР от 28.04.1987 г.), Государственная научно-техническая программа «Ресурсосберегающие и экологически безопасные комплексные процессы горно-металлургического производства».

Цель работы состоит в повышении эффективности эксплуатации мощных глубоких карьеров за счет применения научно обоснованных схем циклично-поточной технологии с передвижными дробильно-перегрузочными комплексами.

Основная идея работы: при разработке крутопадающих месторождений мощными глубокими карьерами использование внутрикарьерных передвижных дробильно-перегрузочных комплексов, создаваемых на модульной основе, позволяет за счет их мобильности снизить себестоимость добычи и повысить производительность труда.

Методы исследований включают: аналитические, графические и графоаналитические методы, экономико-математическое моделирование с определением чистой приведенной стоимости инвестиционного проекта и внутренней ставки дохода, методы теории адаптации с элементами системного подхода и метод вариантов с использованием современных информационных технологий.

Основные научные положения, представленные к защите/.

1. Повышение эффективности открытых горных работ за счёт применения новых ресурсосберегающих и высокопроизводительных технологических схем позволяет значительно увеличить глубину карьеров и отнести на более поздние сроки традиционный переход на подземный способ отработки крутопадающих месторождений. Концептуально сверхглубокие карьеры с нетрадиционными технологией работ и вскрытием являются предприятиями нового поколения.

2. Высокопроизводительная открытая разработка месторождений обеспечивается применением циклично-поточной технологии с новым классом карьерного оборудования — передвижными дробильноперегрузочными комплексами в качестве промежуточного звена между автомобильным и конвейерным транспортированием горной массы. Основные параметры и показатели, а также грузопотоки глубокого карьера определяются с учетом постоянного перемещения рабочих зон в пространстве карьера.

3. Разработанные типовые схемы циклично-поточной технологии с использованием передвижных дробильно-перегрузочных комплексов, типоразмерный ряд которых сформирован на основе ряда предпочтительных чисел R10, позволяют учесть высокую динамику развития открытых горных работ и включают в себя предложенные в ходе исследований и серийно выпускаемые модели основного технологического оборудования.

4. Использование схем циклично-поточной технологии с передвижными дробильно-перегрузочными комплексами позволяет решить проблему вскрытия глубоких карьеров и по сравнению со схемой вскрытия вертикальными скиповыми стволами снизить затраты на проходку горных выработок в 1,6 раза и повысить технологическую гибкость транспортной системы карьера за счёт мобильности и каскадного расположения передвижных дробильно-перегрузочных комплексов.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается применением современных методов исследований, обширным использованием отечественных и зарубежных научных, проектных и производственных материалов, соответствием направленности исследований по проблеме тенденциям в промышленно развитых странах, и подтверждается использованием результатов и рекомендаций работы в проектах и практике горных предприятий, а также сопоставимостью параметров, показателей и характеристик предложенных разработок с результатами, реализованными со значительным экономическим эффектом.

Научная новизна заключается в следующем:

1. Установлены объективные предпосылки перехода современных мощных глубоких карьеров в качественное состояние, позволяющее считать их карьерами нового поколения. Охарактеризованы их особенности, главные параметры и показателиобоснована необходимость и показаны пути совершенствования теории проектирования этих карьеров. Впервые разработаны методические рекомендации по проектированию схем циклично-поточной технологии с передвижными дробильными установками, учитывающие динамику развития горных работ в глубоком карьере.

2. Обоснована и разработана новая типовая технологическая схема циклично-поточной технологии добычи полезных ископаемых и выемки вскрышных пород с использованием внутрикарьерных передвижных дробильно-перегрузочных комплексов, оперативно перемещаемых на более глубокие горизонты карьера вслед за понижением горных работ. Предложен и научно обоснован новый класс карьерного оборудования — передвижные дробильно-перегрузочные комплексы, разработан их типажный ряд, определены параметры и характеристики нового оборудования, отличающиеся от зарубежных аналогов.

Научное значение работы заключается: в разработке концепции перехода открытых горных работ к применению карьеров нового поколения, установлении их характеристик, параметров и показателейв теоретическом обосновании и разработке нового класса схем циклично-поточной технологии с передвижными дробильными комплексами и создании методов проектирования этих схем с обоснованием рациональных комплектов смежного основного карьерного оборудования.

Практическая ценность работы заключается в создании и обосновании:

1) типовых схем циклично-поточной технологии добычных и вскрышных работ с передвижными дробильными комплексами;

2) типажного ряда передвижных дробильных комплексов и комплектов смежного с ними основного карьерного оборудования;

3) методических рекомендаций по проектированию схем циклично-поточной технологии с передвижными дробильными комплексами, позволяющими:

— повысить гибкость транспортной системы карьера за счет возможности перераспределения грузопотоков различных видов полезных ископаемых и вскрышных пород;

— увеличить надежность транспортной системы карьера за счет создания аккумулирующих внутрикарьерных складов типовой конструкции;

— обосновать параметры и показатели развития рабочих зон карьера при наличии в карьере нескольких концентрационных горизонтов.

Реализация результатов работы осуществлена в проектных материалах по реконструкции и развитию карьеров: рудника «Железный» АО «Ковдорский ГОК" — Коашвинский Восточного рудника АО «Апатит» и будущего горного предприятия на Удоканском месторождении меди, выполненных институтами Гипроруда и Гипроцветмет.

Для карьера рудника «Железный» АО «Ковдорский ГОК» обоснованы перспективные конечные границы открытых горных работ и глубина первого этапа расширения за пределы карьера IV очереди. Обосновано развитие горных работ в периоды перехода на циклично-поточную технологию добычных и вскрышных работ. В проектах реализовано обоснование технологии горных работ и карьерной техники при использовании передвижных дробильно-перегрузочных комплексов ПДПК-600, а также разработки по созданию внутрикарьерных складов горной массы на концентрационных горизонтах при циклично-поточной технологии.

В проекте по Коашвинскому карьеру Восточного рудника АО «Апатит» приняты рудная и вскрышная схемы циклично-поточной технологии с перечнем основного оборудования. Разработаны исходные требования на создание передвижного дробильно-перегрузочного комплекса ПДПК-1300 (ПДПУ-1500/200).

Для карьеров Удокана оптимизирован режим горных работ, выбрана схема вскрытия и разработаны рудная и вскрышная схемы циклично-поточной технологии. Материалы учтены в ТЭО разработки месторождения.

Экономический эффект от реализации I очереди рудной схемы и проекта вскрышного участка циклично-поточной технологии с передвижными дробильно-перегрузочными комплексами на карьере рудника «Железный» АО «Ковдорский ГОК» составляет более 2 млн. рублей в год. Экономические эффекты от разработок для будущего предприятия на Удоканском месторождении меди и от изменения схем вскрытия и границ карьеров рудника «Железный» АО «Ковдорский ГОК» и Коашвинский Восточного рудника АО «Апатит» составляет несколько десятков миллионов рублей каждый с примерной долей автора двадцать процентов. Годовой экономический эффект от перевооружения карьеров страны передвижными дробильными комплексами (при потребности, рассчитанной институтом Гипроруда, 10−15 машин в год) составляет более 15 млн. рублей. Все эффекты от внедрения приведены в ценах конца 80-х гг.

Апробация результатов работы. Содержание работы и ее отдельные разделы докладывались на технических советах АО «Ковдорский ГОК», АО «Апатит», в проектных институтах Гипроруда и Гипроцветмет, на Международном симпозиуме по открытым горным работам (Мирный-1991), Советско-финляндском научно-техническом и коммерческом симпозиуме «Рудник-91» (Ленинград-1991), Международном совещании «Комплексная разработка рудных месторождений мощными глубокими карьерами» (Мельниковские чтения, Апатиты-1993), Третьем международном симпозиуме «Горное дело в Арктике» — Mining in the Arctic (Санкт-Петербург-1994), Западной конференции по открытым горным работам — Western Surface Mining Conference (Денвер, США-1994), 124-й Ежегодной конференции Американского института горных инженеров — AIME 124-th Annual Meeting, 1995 SME Annual Meeting and Exhibit (Денвер, США-1995), Международной конференции «Проблемы разработки месторождений глубокими карьерами» (Мельниковские чтения, Челябинск-1996), Международной конференции по информационным технологиям в Баренц-регионе — BAR-IT (Апатиты-1996), Всесоюзных конференциях «Проблемы разработки глубоких карьеров и пути их решения» (Кривой Рог-1987), «Повышение эффективности капитальных вложений на глубоких карьерах» (Свердловск-1987), «Технология и техника открытых горных разработок при извлечении полезных ископаемых» (Москва-1988), «Проблемы комплексного использования природных ресурсов Кольского полуострова» (Апатиты-1989), Четвертом Всесоюзном совещании «Проблемы разработки глубоких горизонтов карьеров» (Днепропетровск-1982), Всесоюзном совещании «Разработка и применение систем автоматизированного проектирования и АСУ горного производства» (Алма-Ата-1987), Всесоюзном семинаре «Опыт проектирования, строительства и эксплуатации комплексов циклично-поточной технологии на открытых горных работах» (Губкин-1984), VIII Всесоюзном семинаре «Оптимизация горных работ» (Новосибирск-1989), Втором Всесоюзном семинаре по геостатистике (Петрозаводск-1990), XXIV Всесоюзной школе по автоматизации научных исследований (Апатиты-1990), семинаре «Циклично-поточная технология на открытых горных работах» при Академии горных наук (Москва-1996) и ряде других всесоюзных, республиканских, областных и региональных конференций, совещаний, конкурсов и семинаров общим количеством по теме диссертации — 53.

Части работы, завершенные к 1985 г., отмечены первыми премиями на молодежных конкурсах НИР Кольского филиала АН СССР и Мурманской области. В 1986 г. автор работы стал лауреатом областной премии среди молодых ученых за результаты исследований в области циклично-поточной технологии на карьерах.

Разработки по циклично-поточной технологии экспонировались на ВДНХ СССР и промышленной выставке «Winter Ехро'90» (Норвегия, 1990).

Публикации. Автором опубликованы 59 научных работ по теме диссертации, основное содержание результатов исследований изложено в 36 публикациях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованных источников из 178 наименований, приложений, изложена на 292 страницах печатного текста, содержит 57 таблиц и 80 иллюстраций.

9. Результаты работы реализованы в действующей схеме рудной ЦПТ и во вскрышной схеме с ПДПК для карьера АО «Ковдорский ГОК». Экономический эффект, подтвержденный актами внедрения института Гипроруда и Ковдорского ГОКа, составил более 2 млн. рублей в год. Аналогичные разработки выполнены для второй очереди рудной схемы карьера АО «Ковдорский ГОК» и для рудной и вскрышной схем ЦПТ Коашвинского карьера АО «Апатит». Принятые в проектные материалы разработки по расширению границ карьера АО «Ковдорский ГОК» и комплекс работ по карьеру будущего предприятия на Удоканском меднорудном месторождении экономически оцениваются в несколько десятков миллионов рублей каждый (все эффекты приведены в расценках конца 80-х гг.).

Результаты внедрения диссертационных исследований в целом в рамках общероссийской программы «Экогорметкомплекс будущего» приведены в приложении IX.

Для дальнейшего внедрения и развития рекомендован модульный принцип формирования систем ЦПТ с ПДПК и модульная конструкция самих комплексов, что позволяет уже в настоящее время перейти к широкому использованию наиболее эффективных вариантов ЦПТ в практике работы отечественных карьеров, а выпуск специализированного оборудования обусловит ликвидацию технологического отставания России от промышлен-но развитых стран в области комбинированного карьерного транспорта для условий мощных глубоких карьеров.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации на основании выполненных автором исследований разработаны схемы циклично-поточной технологии выемки скальных горных пород в мощных глубоких карьерах с использованием передвижных дробильно-перегрузочных комплексов и научно обоснованы технологические решения по их эффективному применению, внедрение которых на новом уровне понимания проблем развития открытого способа разработки и сложности развития горных работ в современных карьерах вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса в области открытой разработки месторождений твердых полезных ископаемых.

Проведенные исследования позволяют сделать следующие основные выводы и рекомендации:

1. В развитии открытых горных работ предложено выделять три качественно различающихся периода эволюции, установлены параметры и характеристики карьеров трех поколений, связанные с уровнем их познания горной наукой и технической оснащенностью горного производства. Для карьеров нового поколения, транспортные системы которых базируются на поточной или циклично-поточной технологиях (ЦПТ) разработки горных пород, характерен переход от комплексной механизации к автоматизации и компьютеризации как оборудования и технологических процессов в целом, так и методов управления производством, которые должны основываться на информационных технологиях.

2. Выявлены закономерности изменения средневзвешенной текущей глубины вскрышных и добычных работ и их средневзвешенной глубины с начала эксплуатации карьера. На основе анализа динамики глубин выделены зоны карьера, различающиеся темпами понижения добычных и вскрышных работ, и установлено, что соотношение скоростей составляет от 2 до 0,5 в течение срока существования карьера, что позволяет обосновать время перехода на ЦПТ по вскрышным породам и шаг переноса по глубине концентрационных горизонтов.

3. Установлены параметры перехода от применения стационарных дробильно-перегрузочных пунктов (ДПП) к использованию передвижных дробильно-перегрузочных комплексов (ПДПК), за счет мобильности которых обеспечивается рациональное приближение конвейерного транспорта к интенсивно развивающейся рабочей зоне карьера. Схемы ЦПТ с ПДПК в блочном исполнении позволяют повысить степень адаптивности системы карьера к изменяющимся горно-техническим условиям разработки и ускоряют переход карьеров в перспективе на гибкие переналаживаемые технологии. Гибкость транспортно-технологической системы карьера реализуется за счет:

— мобильности ПДПК, заключающейся в значительно меньших сроке эксплуатации на одном месте (2−6 лет) и шаге переноса на нижележащие горизонты (30−50 м по глубине) по сравнению со стационарными ДПП;

— рассредоточения грузопотоков горной массы от забоев экскаваторов до ПДПК, устанавливаемых на нескольких одновременно функционирующих концентрационных горизонтах (каскадное размещение дробильных комплексов) — 2−3 на руде и столько же на вскрышных породах;

— замещения грузопотоков при наличии резерва в пропускной способности подъемного конвейера (рудный грузопоток чередуется с породным или чередуются грузопотоки различных типов руд и пород). В этом случае должны быть организованы буферные склады предложенных типовых конструкций вместимостью 100−250 тыс. м3 на концентрационных горизонтах и до 0,8−1 млн. м3 на поверхности;

— передислокации грузопотоков руды и вскрышных пород при наличии в карьере двух и более независимых дробильно-конвейерных комплексов.

4. Разработаны аналитические методы определения кумулятивных характеристик карьерных грузопотоков: массы, протяженности, интенсивности, скорости и плотности, являющихся феноменологическими показателями функционирования карьера, установлена их аналитическая взаимозависимость и обоснованы наиболее перспективные пути повышения интенсивности грузопотоков карьера.

5. С использованием системного подхода к оценке работоспособности подсистем и элементов технологической системы карьера получены основные виды зависимостей интенсивности составных карьерных грузопотоков от параметров внешней и внутренней сред функционирования и выявлено наличие пороговых областей данных функций. Дальнейшее изменение параметров среды в отсутствие управляющего вмешательства в параметры подсистем карьера или их структуру (обычно за счет включения новых связей) приводит к срыву работоспособности элемента или подсистемы карьера.

6. С общих идейных позиций системного подхода разработан метод расчета адаптивности подсистем карьера к изменению воздействий среды. Коэффициент адаптивности определяется соотношением предельного (или нормативного) и фактического значения параметров системы или подсистемы карьера и для его нормального функционирования не должен быть меньше единицы.

7. С целью ускорения перехода глубоких карьеров на ЦПТ и на основе оценки современного состояния и перспектив развития отечественного горного машиностроения впервые был разработан типажный ряд передвижных дробильно-перегрузочных комплексов в модульном исполнении на основе выборки из ряда предпочтительных чисел R10 четырех значений, положенных в основу параметризации комплексов по производительности базовых серийных дробилок крупного дробления.

8. Для наиболее эффективного применения разработанных типовых схем ЦПТ с ПДПК обоснованы схемы вскрытия мощных глубоких карьеров с использованием ленточных конвейеров, располагаемых во внутренних полутранш еях до технически возможных пределов, а далее — в подземных наклонных стволах с выходами в рабочую зону карьера непосредственно квершлагами или квершлагами под рудоили породоспуски. Предложенная система вскрытия существенно (в 1,5−1,6 раза) уменьшает объем горнопроходческих работ по сравнению с вариантом вскрытия глубоких горизонтов вертикальными скиповыми стволами, пройденными с борта карьера.

Очередность вскрытия карьера определяется техническими данными современных ленточных конвейеров (наклоном и длиной става), которые вводятся в эксплуатацию в 2−3 этапа по глубине для сохранения в рациональных границах длины откатки горной массы сборочным транспортом (11,5 км). В перспективных мощных глубоких карьерах длиной более 4 км целесообразно применение дополнительной, второй вскрывающей выработки с ленточными конвейерами, увеличивающей технологическую гибкость схемы вскрытия на 25−50%.

Наиболее эффективным при вскрытии глубоких карьеров в перспективе может стать применение крутонаклонных (до 45−60° к горизонту) ленточных конвейеров (по мере их технического развития и снижения стоимостных показателей до необходимого уровня) в комплекте с передвижными дробильно-перегрузочными комплексами.