автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.03, диссертация на тему:Научное обоснование гидровскрышных технологий, комплексно обеспечивающих формирование и сбережение ресурсов



0

I Ж 0> * 1 .

* ¥

Л ./' - „г

/ * У?- /Л

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

КОНОНЕНКО Евгений Андреевич

НАУЧНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ГИДРОВСКРЫШНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, КОМПЛЕКСНО ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ ФОРМИРОВАНИЕ И

СБЕРЕЖЕНИЕ РЕСУРСОВ

Специальность 05.15.03 - «Открытая разработка месторождений

полезных ископаемых»

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант

Заслуженный деятель науки и техники РСФСР, доктор технических наук, профессор П. И. Томаков

Москва 1999

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ........................................................................ 5

1. ОСОБЕННОСТИ ГИДРОВСКРЫШНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПРИ ПРИМЕНЕНИИ ГИДРОМОНИТОРНО-ЗЕМЛЕСОСНЫХ КОМПЛЕКСОВ ........................................................................ 13

1.1. Опыт применения и перспективы гидромеханизации на карьерах .............................................................................. 13

1.2. Экология горного производства и гидромеханизации.............. 31

1.3. Экологическая нагрузка при применении гидромеханизации открытых горных работ с учетом возможности формирования и сбережения ресурсов...................................................... 39

1.4. Задачи исследований и структура работы............................. 43

2. ГИДРОВСКРЫШНЫЕ РЕСУРСОФОРМИРУЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ ВЫДЕЛЕНИЯ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ - СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ ИЗ ГИДРОСМЕСИ ВСКРЫШНЫХ ПОРОД.......................................................................... 50

2.1. Объемы строительных материалов в четвертичных вскрышных породах угольных разрезов и их качество............................. 50

2.2. Исследование возможности обеспечения качества песка и гравия при их выделении из гидросмеси вскрышных пород......... 57

2.3. Расчет параметров шнековош сгустителя и технологическая схема его работы для выделения песка и гравия из гидросмеси вскрышных пород.......................................................... 63

2.4. Технологические схемы добычи песка и гравия на Чулымском участке разреза «Назаровский».......................................... 70

2.4.1. Технологическая схема с использованием конического гидрогрохота....................................................................... 71

2.4.2. Технологическая схема с использованием конического гидрогрохота, гидроциклона и спирального классификатора........... 77

2.4.3. Технологическая схема с использованием конического гидрогрохота, виброгрохота, гидроциклона и спирального классификатора ..................................................................... 86

2.4.4. Технико-экономическое сравнение вариантов технологических схем.......................................................................... 98

Выводы............................................................................. 106

3. РЕСУРСОФОРМИРУЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ ГОРНОТЕХНИЧЕСКОЙ РЕКУЛЬТИВАЦИИ И СТРОИТЕЛЬСТВА РЕКРЕАЦИОННЫХ ЗОН.................................................................... 108

3.1. Основные принципы формирования техногенного рельефа

при рекультивации......................................................... 108

3.2. Геоморфологический анализ при рекультивации нарушенных горными работами земель................................................ 120

3.3. Анализ геоморфологических систем основных районов открытой добычи и типизация задач экологически адекватной рекультивации............................................................... 130

3.4. Методика расчета параметров склонов для флювиальных мор-фосистем..................................................................... 150

3.5. Технические предложения по определению параметров и формированию техногенного рельефа...................................... 158

3.5.1. Рекультивация Бековского гидроотвала разреза «Бачатский» ... 158

3.5.2. Рекультивация гидроотвала на р. Еловка разреза «Моховский» 173

3.5.3. Рекультивация отвала «Бродок» Лебединского ГОКа............. 204

Выводы............................................................................. 225

4. РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИЕ ГИДРОКОМПЛЕКСЫ РАЗРЕЗОВ С ДОПОЛНИТЕЛЬНЫМ ВНУТРИЗАБОЙНЫМ ЦИКЛОМ ВОДОСНАБЖЕНИЯ................................................................... 228

4.1. Применение гидромеханизации как фактор снижения экологической нагрузки............................................................ 228

4.2. Анализ структур комплексной гидромеханизации на угольных разрезах и условий их эксплуатации................................... 237

4.3. Ресурсосберегающий гидрокомплекс с дополнительным циклом водоснабжения в забое.................................................... 243

4.4. Обоснование пределов ресурсосбережения гидрокомплексов с дополнительным циклом водоснабжения в забое................... 248

Выводы............................................................................. 255

5. ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИХ ГИДРОМОНИТОРНО-ЗЕМЛЕСОСНЫХ КОМПЛЕКСОВ С ДОПОЛНИТЕЛЬНЫМ ЦИКЛОМ ВОДОСНАБЖЕНИЯ В ЗАБОЕ .... 257

5.1. Анализ возможности повышения плотности гидросмеси по условиям гидротранспорта.................................................. 257

5.2. Анализ возможности повышения плотности гидросмеси в зависимости от режимов работы гидротранспортных установок...... 263

5.3. Обоснование структур гидромониторно-землесосных комплексов с дополнительным внутризабойным циклом водоснабжения 279

5.4. Анализ изменений потерь напора при гидротранспортировании и производительности гидротранспортных установок при увеличении плотности транспортируемой гидросмеси................. 281

Выводы............................................................................ 286

ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................................... 290

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ........................ 295

ПРИЛОЖЕНИЯ.................................................................. 310

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Гидромеханизация достаточно широко применяется при проведении вскрышных работ по наносам на угольных и железорудных карьерах; в гидротехническом строительстве; в промышленности нерудных строительных материалов, как на вскрыше, так и на добыче, при проведении дноуглубительных работ речного и морского флота, а также в мелиорации.

С помощью средств гидромеханизации на отечественных карьерах перемещено свыше 800 млн. м^ вскрышных пород, а перспективные объемы, которые можно отрабатывать ш дрокомплексами, превышают б млрд. м3.

Ведение горных работ, в том числе и средствами гидромеханизации, негативно влияет на природную среду. Решение этой проблемы возможно путем снижения экологической нагрузки за счет выбора технологий добычи, обеспечивающих наиболее низкое негативное воздействие на окружающую среду в конкретных горнотехнических условиях отрабатываемого месторождения; снижения ресурсопотребления; выполнения соответствующих рекультивационных мероприятий и использования возможностей технологических процессов в пиане формирования ресурсов и восстановления природы.

Экологическая нагрузка - это результат воздействия открытых горных работ на окружающую среду, т.е. изменения в природе, которые происходят не только в регионе добычи, но и там, где вырабатываются потребляемые при этом ресурсы. Именно это понятие объединяет две группы факторов, характеризующих эффективность открытой добычи полезных ископаемых: потребляемые ресурсы и изменения окружающей среды.

Высокое энергопотребление, свойственное гидромеханизации, является одним из недостатков данной технологии. Энергоемкость разработки 1 м3 вскрышных пород средствами гидромеханизации достигает 10-14 кВт/ч. Следует помнить, что гадромеханизированные технологии, кроме электроэнергии, конструктивного металла, сравнительно простых и недорогих в эксплуатации насосов и гидромониторов, не требуют топлива, строительства дорог и приобретения: других дорогостоящих материалов. Поэтому в себестоимости оплата электроэнергии достигает 60 % от величины общих затрат на разработку пород гидрокомплексами.

Во вскрышных породах карьеров присутствуют песок, гравий и другие полезные компоненты, которые не формируют месторождение из-за их низкого содержания или качества. Процессы шдровскрышных работ (размыв, гидротранспорт) позволяют изменить их качество и выделить из технологического потока эти компоненты как минеральное сырье для рентабельного получения полезных ископаемых. Экспертная оценка показала, что во вскрышных породах угольных разрезов порядка 750 млн. м3 песка и около 550 млн. м"; гравия.

В условиях, когда повышение рентабельности горного производства становится жизненно необходимым, а экологическая нагрузка практически достигла предела, создание гидровскрышных технологий, комплексно обеспечивающих сбережение и формирование ресурсов, является актуальной народнохозяйственной проблемой.

Работа выполнялась в рамках отраслевой научно-технической программы Минуглепрома СССР ЦКОП-1 «Создать и осуществить широкое внедрение новых (усовершенствованных) технологических процессов, комплексов горногранспортного оборудования и методов организации производства, обеспечивающих повышение в 1990 г. технического уровня открытых горных работ и производительности труда на разрезах в 1,3 раза

по сравнению с 1984 г.» (тема 1001006200 «Обоснование и разработка ресурсосберегающих комплексов горного оборудования дня гидромеханизации открытых горных работ на разрезах»), а также по теме 1000113000 «Разработать технические предложения по технологии и организации гид-роЕсжрыпшых работ для перспективных и осваиваемых разрезов отрасли», утвержденной решением НТО Министерства угольной промышленности СССР от 17.10.79 г. в тематическом плане важнейших научно-исследовательских работ отрасли.

Цель работы - разработка технологических и технических решений для шдровскрышных технологий, комплексно обеспечивающих формирование ресурсов за счет выделения из гидросмеси полезных ископаемых, создания устойчивого техногенного рельефа при рекультивации (включая строительство рекреационных зон) и их сбережения при производстве работ, что позволит побысить конкурентоспособность гидромеханизации и снизить экологическую нагрузку.

Основная идея работы заключается в технологическом разделении гидросмеси вскрышных пород на полезное ископаемое (песок, гравий) и материал для формирования техногенного рельефа при рекультивации и строительстве рекреационных зон.

Методы исследования. Для достижения поставленной цели использован комплекс методов, включающий анализ и обобщение данных научно-технической литературы по исследуемому направлению, математическое описание процессов и моделирование задач, экспериментальные исследования в производственных условиях и техшко-зкономический анализ.

Научные положения, представленные к защите:

1. Процессы гидровскрышных работ за счет диспергирующей способности гидромониторного размыва и гидротранспортирования форми-

руют новые потребительские свойства вскрышных пород, переводя их или их составляющие в состояние ресурса - полезного ископаемого (песка, гравия и т.п. ) или материала для проведения горнотехнической рекультивации нарушенных горными работами земель и строительства рекреационной зоны.

Ресурсоформирзтощая технология ведения гидровскрышных работ с применением предложенного яшекового сгустителя при расчете его параметров в соответствии с установленными зависимостями позволяет выделить из гидросмеси гравий и песок крупностью порядка 1 мм.

2. Разработанные на базе технологического разделения гидросмеси вскрышных пород ресурсоформирующие технологии за счет выделения строительных материалов и выполнения горнотехнической рекультивации нарушенных горными работами земель (включая строительство рекреационных зон) и ресурсосберегающая с повторным циклом водоснабжения в забое, комплексно обеспечивают повышение конкурентоспособности гидромеханизации и снижение экологической нагрузки.

3. Выбор направления рекультивационных работ должен основываться на обосновании формы и параметров техногенного рельефа в зависимости от его функции в морфосистеме региона, совокупности рельефо-образующнх процессов, литологического состава и плодородия пород, в результате чего исключается эрозия или заболачивание как рекультивируемых, так и окружающих территорий.

4. Общей задачей экологически адекватной рекультивации для основных регионов открытой добычи полезных ископаемых (КМА, Урал, Кузбасс и КАТЭК) является восстановление флювиальных морфосистем. При этом величина уклона флювиальных форм рельефа, рассчитанная с учетом расхода жидкого стока, протекающего по рекультивируемой по-

верхности, обеспечивает его функционирование в морфосистеме региона, но исключает эрозию или вынос грунта на окружающие земли.

5. Фактическая подача грунтовых насосов в существующих условиях эксплуатации гидромониторно-землесосных комплексов практически не зэеисжг от величины шотности гидросмеси, однако при повышении концентрации гидросмеси за счет повторного цикла водоснабжения в забое с 1,08-1,10 т/м3 (ц = 10-12 ьг/м3) до 1,18-1,28 т/м3 (ц_ = 3-5 м3/м3) обеспечивается снижение металлоемкости в 2,5-3,0 раза, а энергопотребления в 2,02,5 раза. В сбою очередь снижение Еодопотребления обеспечивает сокращение потребности во вместимости и площади гидроотвала, что способствует снижению экологической нагрузки в районе добычи полезных ископаемых.

6. Новая ресурсосберегающая технология с повторным циклом водоснабжения в забое, за счет повышения концентрации транспортируемой на гидроотвал гидросмеси вскрышных пород, обеспечивает увеличение производительности гидроустановок по твердому в зависимости от условий эксплуатации и типа разрабатываемых пород в 1,5-2,0 раза, а потери напора при гидротранспортировании возрастают всего на 9-12%.

Научная новизна работы:

1. Разработаны принцип формирования гидрокомплексов и зависимости для расчета параметров новой ресурсосберегающей технологии ведения гидровскрышных работ с применением гидромониторно-земпесосною комплекса при повторном цикле водоснабжения е забое.

2. Разработаны принципы обоснования и зависимости для расчета параметров и форм техногенного рельефа при рекультивации нарушенных горными работами земель, которые учитывают требования геоморфологии.

3. Разработаны зависимости для расчета параметров шнекового сгустителя, позволяющие формировать новые потребительские свойства вскрышных пород путем выделения песка и гравия из их гидросмеси.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций работы подтверждается: высокой сходимостью результатов теоретических исследований с данными экспериментов в производственных условиях; корректным использованием математического аппарата и основных положений механики, гидравлики и гидротранспорта; использованием результатов исследований в проектировании; широким внедрением результатов работы на угольных разрезах.

Научное значение работы заключается в теоретическом обосновании комплексного подхода ж вопросам формирования и сбережения ресурсов при применении предложенных технологий и технических средств гидромеханизации ожрытых горных работ.

Практическое значение работы заключается в разработке методики расчета параметров технологии ведения гидровскрьшшых работ с применением ресурсосберегающего гидромониторно-землесосного комплекса с повторным циклом водоснабжения в забое; разработке комплекса технологических решений по выделению песка и гравия из гидросмеси вскрышных пород угольных разрезов; обосновании методического подхода к определению параметров и форм техногенного рельефа при рекультивации нарушенных горными работами земель с учетом требований геоморфологии.

Реализация результатов работы:

1. Обоснованы параметры и внедрены вскрышные гидрокомплексы на Ургунском и Талдинском разрезах, экономический эффект от внедрения в проекты составил соответственно 4,69 и 2,88 млн. руб. (в ценах 1986 г.).

2. Обоснована и внедрена гидромеханизированная технология формирования экологически адекватного рельефа, позволившая рекультивировать 22 га Ульяновского лога гндроотвала разреза «Моховский».

3. Обоснована и принята к внедрению гидромеханизированная технология строительства рекреационных зон и формирования экологически адекватных параметров рельефа при рекультивации нарушенных земель на карьере Лебединского ГОКа и разреза «Моховский».

4. Ресурсосберегающий гидромошггорно-землесосный комплекс с повторным циклом водоснабжения в забое прошел опытно-промышленные испытания и принят к внедрению на разрезе «Колмогоровский». Экономическая эффективность от внедрения превышает 369,0 тыс. руб. (в ценах 1991 г.).

Апробация работы. Результаты исследований и отдельные положения работы докладывались и были одобрены на научно-технической конференции «Экологические проблемы горного производства» (Москва, 1993); XXXIII научной конференции профессорско-преподавательского состава инженерного факультета РУДН (Москва, 1997); I съезде гидромеханизаторов России «Настоящее и будущее гидромеханизации в современном мире» (Москва, 1998); на конференциях МГГУ в рамках «Недели горняка» (Москва, 1996, 199?, 1998, 1999); на научно-технических Советах Минуглепрома СССР; на технических Советах «Сибшпрошахт» (Новосибирск), НИИОГР (Челябинск), ИГД им. ААСкочинского (Люберцы), концерна «Кузбассразрезуголь» (Кемерово) и угольных разрезов «Бачатский», «Колмогоровский», «Листвянский» и «Назаровский»