автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.03, диссертация на тему:Обоснование рациональных параметров бестранспортной системы разработки многолетнемерзлых вскрышных пород

На правах рукописи

Панишев Сергей Викторович

ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ БЕСТРАНСПОРТНОЙ СИСТЕМЫ РАЗРАБОТКИ МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ВСКРЫШНЫХ ПОРОД

Специальность 05. 15. 03 - "Открытая разработка месторождений

полезных ископаемых"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Якутск-1998

Работа выполнена в Институте горного дела Севера СО РАН Научный руководитель - член-корреспондент РАН,

доктор технических наук, профессор Яковлев В. Л.

Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор

Заровняев Б. Н. кандидат технических наук Саканцев М. Г. . Ведущая организация - ГП "Якутуголь"

Защита состоится »-С4Л-Л 1998 г. в 10 час. оо НИН.

на заседании диссертационного совета К 003.44.01 при Институте горного дела Севера по адресу 677891, г.Якутск, пр. Ленина 43

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института горного дела Севера СО РАН.

Автореферат разослан "ЯО" 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы,- При разработке пластовых месторождений открытым способом в отечественной и мировой практике широкое распространение нашла бестранспортная система разработки с применением вскрышных экскаваторов-драглайнов.

В условиях многолетней мерзлоты предварительная подготовка вскрышных пород к экскавации, как правило, осуществляется с помощью буровзрывных работ.

Характерной особенностью производства вскрышных работ на месторождениях, расположенных в зоне распространения многолетней мерзлоты,является склонность горных пород к смерзанию после рыхления буровзрывными работами, что обусловливает снижение производительности оборудования, а при достижении прочности смерзания выше паспортных характеристик усилия копания экскаватора их дальнейшая разработка становится невозможной. Вследствие чего, возникают простои оборудования, возрастает себестоимость добычи полезного ископаемого, вызванная затратами на дополнительное рыхление смерзшейся горной массы.

Известные научно-технические решения в области открытой разработки месторождений полезных ископаемых не в полной мере учитывают вышеуказанную особенность ведения горных работ в области распространения многолетней мерзлоты, что приводит к несоответствию выбранных параметров системы разработки горнотехническим условиям ведения горных работ.

Поэтому, оптимизация параметров бестранспортной системы разработки многолетнемерзлых вскрышных пород на основе учета процесса смерзания и конфигурации развала взорванной породы является актуальной и важной задачей.

Основной объем работ по теме диссертации был выполнен в соответствии с планами НИР ИГДС СО РАН в 1990-1995гг. "Создание научных основ высокоэффективных ресурсосберегающих технологий открытой разработки месторождений полезных ископаемых в условиях нестационарного термомеханического режима массива горных пород" (Тема 3.2.1.5).

Цель работы- обоснование рациональных параметров бестранспортной системы разработки вскрышных пород, обеспечивающих повышение эффективности горных работ на пластовых месторождениях зоны многолетней мерзлоты.

Основная идея работы заключается в учете закономерности

формирования развала и процесса смерзания многолетнемерзлых вскрышных пород при оптимизации технологических параметров бестранспортной системы разработки.

Методы исследований .• аналитический, графоаналитический, расчетно-аналитический, регрессионный анализ, математическое моделирование, технико-экономический анализ, натурные эксперименты.

Научные положения, представляемые автором к защите:

1. Основными факторами, влияющими на процесс формирования развала многолетнемерзлых вскрышных пород при порядной схеме взрывания ЯВЛЯЮТСЯ:

для одноуступной отработки вскрыши - ширина выработанного пространства и вскрышной заходки, площадь экскаваторной заходки в целике и угол откоса вскрышного уступа;

для двухуступной отработки - мощность нижележащей толщи, ширина выработанного пространства, высота и угол откоса первого вскрышного уступа.

2. Конфигурация развала многолетнемерзлых вскрышных пород при порядной схеме взрывания с достаточной и необходимой точностью описывается законом Гаусса (нормальным распределением), параметры которого взаимосвязаны с основными параметрами системы разработки.

3. Длина блока, обеспечивающая эффективную работу экскаватора и минимальное влияние процесса смерзания, функционально связана с производительностью драглайна, временем смерзания взорванных вскрышных пород, временем перехода с первой оси хода на вторую, шириной заходки, высотой уступа, коэффициентами переэкскавации, разрыхления и сброса.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации обоснована:

достаточным объемом статистического материала по исследованным профилям развалов,-

использованием современных методов теории математической обработки результатов исследований и планирования эксперимента.

удовлетворительной сходимостью результатов вычислительного эксперимента с фактическими данными.

Научная новизна состоит в том, что:

определена общая закономерность формирования профиля развала при порядной схеме взрывания многолетнемерзлых вскрышных пород;

установлены основные факторы, влияющие на■конфигурацию развала многолетнемерзлых вскрышных пород,-

получены эмпирические выражения, описывающие профиль развала взорванных многолетнемерзлых пород,-

разработана методика определения времени смерзания пород после взрывной подготовки. Получено аналитическое выражение определения длины экскаваторного блока в зависимости от производительности драглайна, параметров системы разработки и времени смерзания породы ,-

разработаны алгоритм и программа расчета бестранспортной системы разработки многолетнемерзлых вскрышнйх пород с использованием взрыва на сброс.

Личный вклад автора состоит-, в разработке методики по исследованию конфигурации развала многолетнемерзлых вскрышных пород,-

в проведении анализа и обобщении результатов статистической обработки,-

в установлении общей закономерности формирования конфигурации профиля кривой развала породы;

в установлении эмпирических зависимостей, описывающих профили развалов породы,-

в разработке алгоритма и программы расчета технологических схем бестранспортной системы разработки многолетнемерзлых вскрышных пород.

в разработке, в соавторстве методики определения времени смерзания породы после взрыва, участии в экспериментах. Практическая значимость работы: разработана математическая модель описания профиля разва-вала многолетнемерзлых вскрышных пород, позволяющая моделировать процесс его формирования при различных параметрах системы разработки ,-

разработан новый способ производства вскрышных работ, позволяющий снизить влияние процесса смерзания на эффективность работы экскаватора посредством специальной организации работ на вскрышных уступах (А. с. n 1624152);

разработаны математическая модель, алгоритм и программа расчета технологических параметров бестранспортной системы разработки, позволяющие прогнозировать объемы экскаваторных работ с учетом профиля развала, сформировавшегося после взрывания вскрышного уступа, а также, выбирать тип экскаватора.

Реализация работы. Технология бестранспортной вскрыши мно-голетнемерзлых горных пород, позволяющая снизить влияние вторичного смерзания породы на работу оборудования, внедрена на разрезе "Кангаласский" ГП "Якутуголь" с получением фактического экономического эффекта.

Разработанный пакет прикладных программ расчета технологических схем бестранспортной системы разработки рекомендуется для использования при проектировании предприятий, расположенных в зоне распространения многолетней мерзлоты.

Апробация работы - Основное содержание работы и ее от>

дельные положения докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на vn Республиканской научно-практической конференции молодых ученых и специалистов (Якутск 1988), на vn Всесоюзном семинаре по оптимизации - горных работ (Новосибирск 1989), на Республиканской конференции научной молодежи ЭРЭЛ-95 (Якутск 1995), на Всесоюзном совещании по проблемам и перспективам освоения природных ресурсов Южной Якутии (Нерюнгри 1996), на 11 Международной конференции по математическому моделированию (Якутск-1997), техническом совете разреза "Кангаласский" ГП "Якутуголь", научных семинарах и Ученом совете ИГДС СО РАН.

Публикации.

По результатам диссертационных исследований опубликовано 6 научных работ, в том числе получено 1 авторское свидетельство на изобретение.

Объем и структура диссертации.

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения,списка литературы из 75 наименований, 4 приложений, содержит 175 страниц машинописного текста, 60 рисунков и 33 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Теоретическими исследованиями в области бестранспортной системы разработки занимались Сафонов Ф.П., Красников A.C., Прядко H.A., Эскин B.C., Середа Г.А., Корсунский Г.Я., Новожилов М.Г., Скабичевский Ю.Г., Молчанов П.В., Реентович Э. И. , Фиделев A.C., Виницкий К.Е., Мельников H.H., Кортелев 0. Б., Дьяченко В.Н., Гриднев В.А., Проноза В.Г., и ряд других исследователей .

Исследования таких авторов, как, Грачев Ф.Г., Репетух В. К., Бурлуцкий П.Д., Цветов Ю.П., Либерцев 0.Н.,Березняк М.М., Наумов

В.М., Жариков И.Ф., Симонов A.A. и других посвящены научному обоснованию использования взрывов на сброс при бестранспортной системе разработки.

Анализ литературных источников и результатов научно-исследовательских работ показал, что основные направления исследований в области бестранспортных систем разработки связаны с совершенствованием и разработкой технологических схем, оптимизацией их параметров с помощью экономико-математического моделирования на ЭВМ, разработкой оборудования большой единичной мощности, расширением ее области применения, использованием взрывов на сброс и т. п.

Однако, результаты, полученные многими авторами в области оптимизации бестранспортной системы разработки, не в полной мере учитывают особенностей ведения вскрышных работ на месторождениях зоны многолетней мерзлоты, что предопределяет необходимость проведения дальнейших исследований.

Для достижения поставленной цели в диссертации были решены следующие научные задачи:

разработана методика по исследованию конфигурации развала многолетнемерзлых вскрышных пород;

определена аналитическая функция описания конфигурации развала многолетнемерзлых вскрышных пород для порядной схемы взрывания.и установлены эмпирические зависимости, описывающие профиль развала породы для бестранспортной системы разработки с использованием взрывов на сброс,-

разработаны алгоритм и программа расчета параметров бестранспортной системы разработки многолетнемерзлых вскрышных пород с учетом закономерностей формирования развала взорванной горной массы;

разработана методика определения времени смерзания пород после взрывной подготовки. Получено аналитическое выражения определения оптимальной длины блока с учетом фактора смерзания.

Методика исследований по установлению общей .закономерности формирования развала многолетнемерзлых вскрышных пород заключалась в следующем:

Исходным материалом математического описания конфигурации развала взорванных многолетнемерзлых вскрышных пород для условий разреза "Кангаласский" явились результата маркшейдерской съемки отрабатываемых блоков.

Регистрация параметров развала производилась по его ха-

рактерным точкам (рис.1). Для оценки возможности установления закономерностей математического описания кривой развала была произведена соответствующая статистическая обработка координатных значений исследуемых профилей развалов с определением дисперсии, средней квадратической ошибки и коэффициента вариации расчетных значений исследуемой функции.'

В таблице представлены результаты статистической обработки координатных значений "X" и "У".

Таблица

Результаты статистической обработки координатных значений

Номер Ох с *-М У-и я, %

точки X У X У X У

1 9,79 61,60 3, 13 7,85 6,91 29,82 45 26

2 46, 27 85,60 6,80 9,30 30,35 36,86 22 24

3 40,01 94,24 6,32 9,71 44,53 36, 15 14 27

4 84,57 55,79 9, 19 7,47 62,26 27,41 15 27

5 170,38 11,80 13,05 3,43 79,42 17,22 16 19

6 257, 56 5,93 16,05 2,43 85, 53 13, 15 18 18

7 268,48 7, 27 16,38 2,69 100,53 И, 15 16 24

8 412,92 16,21 20,32 4,03 120,91 9,65 17 42

9 571,33 - 23,90 - 157, 21 0 15 0

Как видно из таблицы, коэффициент вариации и (исключая начальную и конечную точки развалов) составляет 14-27%. Следова--тельно, процесс формирования развала взорванных многолетнемерз-лых пород подчиняется определенной закономерности.

В результате проведенного анализа известных функций, графики которых сходны с обобщенной кривой профиля развала, было установлено, что при порядной схеме взрывания конфигурация развала взорванной породы для. случаев одно-и двухуступной отработки описывается выражением:

Б -Сх-х >г

ССГ

2

где в0 -площадь под кривой, м ;

Характерные точки развала

Рис.1

где х - конечная координата кривой развала, м,-х - точка экстремума функции,-

ук -вертикальная координата конечной точки развала, м.

Для установления основных факторов, влияющих на конфигурацию развала взорванных вскрышных пород, был рассмотрен ряд показателей, которые условно можно разделить на три группы:

Первая группа - факторы природного характера (независимые или неуправляемые). Это мощность вскрышной толщи, мощность пластов полезного ископаемого.

. Вторая группа - факторы, относящиеся к параметрам буровзрывных работ (зависимые, управляемые), такие, как средний удельный расход ВВ на блок, схема взрывания, угол наклона буровых скважин. Следует отметить, что схема взрывания для исследуемых блоков была принята порядная, угол наклона взрывных скважин постоянный -75°.

Третья группа - факторы, объединенные параметрами системы разработки : высоты вскрышных уступов, углы откосов вскрышных, добычных уступов и углы откосов отвала, результирующий угол откоса рабочего борта, результирующий угол откоса вскрышных уступов, ширина вскрышной заходки и выработанного пространства.

На основании вышеперечисленных факторов а также составляющих частей выражения (1), был проведен регрессионный анализ по установлению уровней и тесноты взаимосвязей между перечнем факторов и составляющими исследуемого выражения.

В результате обработки данных для составляющих аналитической функции были получены следующие выражения:

Одноуступная отработка

Б =-1010,78+(84,79А ), (2)

и _ с: и 1Ь

6 = 1/(0,07-4«10"эз„^))У2п (3)

оал

X = -15,94 + 0,99А (4)

т ЗЗ.Х

УК=7,И-0,14АОТВ+ 0,17^, (5)

Двухуступная отработка

зо=-3370,84+208 (Н2+Нш), (6)

6=21,17+0,ЗА0ТВ (7)

Хт=107,53-3,72Н1, (8)

У^=8,75-0,21АОТВ+0,22о(|, (9)

Где Аотв -ширина выработанного пространства,м; б -площадь вскрышной заходки в целике,

оал

^ -угол откоса первого вскрышного уступа, м,-Н2+Нпи -высота второго вскрышного уступа и мощность

пластов полезного ископаемого, м,-Н^ -высота первого вскрышного уступа, м.

На основании результатов исследований, с участием автора был разработан способ производства вскрышных работ, включающий бурение блока и взрывание верхнего уступа, экскавацию взорванных пород с кровли нижнего уступа в предотвал, бурение и взрывание нижнего уступа и экскавацию взорванных пород в конечный контур отвала, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности разработки двух уступов по усложненной бестранспортной схеме при отработке многолетнемерзлых вскрышных пород, склонных к смерзанию после рыхления, путем предотвращения их смерзания, после экскавации взорванных пород с кровли нижнего уступа экскаватором обратным ходом вынимают породы предотвала и формируют отвал (рис.2 и 3). Данная технология внедрена на разрезе "Кангалас-ский" и защищена авторским свидетельством.

Способ осуществляется следующим образом.

Вначале, двумя заходками отрабатывают взорванные на сброс породы верхнего уступа 1. При выполнении первой заходки (ось I хода) драглайн готовит площадку 2 стояния, снимая верхнюю часть развала, расположенного на кровле 3 нижнего уступа. Двигаясь вдоль фронта горных работ, он экскавирует объем в направлении выработанного пространства в объемы \?2 и создавая предотвал 4 ( причем объем попадает в конечный контур отвала 5).

По окончании работ на первой заходке экскаватор переходит на предварительно сформированный предотвал 4 для совершения второй заходки (ось и хода). Работая здесь, он выполняет дополнительную операцию - перемещает породы верхнего уступа, не попавшие в конечный контур отвала 5, в пределы этого контура, т. е. объемы 1?2 и в объем Уд.

Затем организуется работа на нижнем уступе 6. После его

взрывания на поверхность откоса отвала 7 драглайн, выполняя

третью заходку (ось III хода), готовит себе площадку 8 стояния

цутем перемещения объема V. в V- и одновременно экскавирует

ь /

объемы и у8 в который расположен в конечном контуре от-

Схема отработки верхнего вскрышного уступа

1 ^ < 4 К

- . -5 .1

Рис.2

Схема отработки нижнего вскрышного уступа

Рис.3

вала 7.

Если высота развала 9 достаточна для работы драглайна с целью размещения всего объема взорванных пород в отвале 7, то объемы Уц и Уд экскавируются в Уд без переэкскавации, т. е. в этом случае третью заходку драглайн совершает непосредственно по развалу взорванных пород.

Процесс смерзания породы будет завершен через время,

см

после которого усилия копания экскаватора будет недостаточно для ее разработки. Время смерзания горной массы устанавливалось экспериментальным путем, посредством замера температуры пород по высоте развала.

Тогда, длина экскаваторного блока, обеспечивающая эффективную работу экскаватора и минимальное влияние процесса смерзания, определяется выражением:

1_б<--, м; (10)

(1+кп)(1-кс)В*ьу*кр

где оэ -эксплуатационная производительность экскаватора,-1 -время смерзания взорванных вскрышных пород, мес; 1пер ~вРемя перехода экскаватора с первой оси хода на вторую, мес; В -ширина заходки, М; ьу -высота уступа, М; Кр -коэффициент разрыхления; кс -коэффициет сброса.

Разработана соответствующая программа для расчета технологических схем бестранспортной системы разработки многолетне-мерзлых вскрышных пород,учитывающая профиль поверхности развала, алгоритм расчета которой заключается в следующем.

На первом этапе производится ввод исходных данных, включающий горно-геологические и горнотехнические условия разработки, параметры технологической схемы, типы оборудования.

С помощью соответствующих процедур осуществляется построение профиля технологической схемы и на основании полученных выражений (1-9) производится расчет и построение профиля развала взорванных вскрышных пород. Затем рассчитывается коэффициент разрыхления, определяется место установки экскаватора.

После этого, из набора типов вскрышных экскаваторов, зало-

женных в программе,выбирается предполагаемый для расчетов. Контрольной величиной ввода в расчет соответствующего типа экскаватора является величина максимального радиуса черпания.

Затем осуществляется построение и расчет площади поперечного сечения предотвала, отсыпаемого на максимальном радиусе разгрузки.

По окончании этого процесса производится проверка соответствия технических характеристик экскаватора условиям разработки. При соблюдении этого условия осуществляется дальнейший расчет по площадям объемов экскавации, переэкскавации и расчет величины коэффициента переэкскавации.

Завершение работ по программе происходит с выдачей на экран монитора (или на печать), результатов расчета коэффициента разрыхления, величины сброса в конечный контур отвала, объемов работ по экскавации, переэкскавации, высоты предотвала, места установки экскаватора.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе получено решение новой актуальной научно-технической задачи обоснования параметров бестранспортной системы разработки многолетнемерзлых вскрышных пород при использовании взрыва на сброс.

Основные научные и практические результаты заключаются в следующем.

1. Установлено, что основными факторами влияющими на процесс формирования развала многолетнемерзлых вскрышных пород при порядной схеме взрывания, являются:

для одноуступной отработки вскрыши - ширина выработанного пространства и вскрышной заходки, площадь экскаваторной заходки в целике и угол откоса вскрышного уступа;

для двухуступной отработки - мощность нижележащей толщи, ширина выработанного пространства, высота и угол откоса первого вскрышного уступа.

2. Конфигурация развала многолетнемерзлых вскрышных пород при порядной схеме взрывания с достаточной и необходимой точностью описывается законом Гаусса (нормальным распределением), параметры которого взаимосвязаны с основными параметрами системы разработки.

Г С х ) = ■

*72тГ

ехр(-

М;

3. Получены эмпирические выражения для параметров аналитической функции описания профиля развала многолетнемерзлых вскрышных пород при одно- и двухуступном вариантах отработки вскрыши.

4. Разработана методика исследования процесса смерзания взорванных многолетнемерзлых пород в натурных условиях. На разрезе "Кангаласский" проведены эксперименты по изучению динамики температуры по высоте развала взорванных пород. Установлено, что смерзание породы происходит в течение 0,5-2,0 мес. в зависимости от времени года. Учет результатов исследований позволил управлять длиной экскаваторных блоков.

5. Предложен способ разработки многолетнемерзлых вскрышных пород, обеспечивающий минимальное влияние процесса смерзания на производительность экскаватора. Длина экскаваторного блока,обеспечивающая эффективную работу драглайна,определяется выражением:

(Ькп)(1-кс)В«ьу.кр

На способ получено авторское свидетельство.

6. Разработан алгоритм и пакет прикладных программ расчета параметров бестранспортной системы разработки многолетнемерзлых вскрышных пород, склонных к смерзанию после рыхления, позволяющий прогнозировать объемы экскаваторных работ в зависимости от условий разработки и профиля развала, выбирать тип вскрышного экскаватора и определять рациональные параметры технологии.

7. Разработаны и внедрены на разрезе "Кангаласский" ГП "Якутуголь" рекомендации по определению параметров бестранспортной системы разработки, позволившие повысить эффективность вскрышных работ на уступах, снизить коэффициент переэкскавации, уменьшить влияние процесса смерзания на работу экскаватора.

Фактический экономический эффект составил 36966 руб. в ценах 1990 г.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Петров С. H. , Заудальский И. И. , Панишев C.B., Стручков 0. А. Технология бестранспортной системы разработки многолетне-мерзлых горных пород // Управление горными работами: Тез.докл. vu Всесоюй. семинара по оптимизации горных работ. -Новосибирск,

1990. -С. 51-52.

2. А. с. 1624152, Е 21 С 41/00. Способ разработки вскрышных пород/ И. И. Заудальский, A.C. Марченко, С. Н. Петров, C.B. Панишев, O.A. Стручков, В. Н. Тарасов (СССР). N44942228/03. Заявл. 17. 10.88. Опубл. 01. 10. 1990г. -Открытия изобретения. -1991. -n4. -

С. 89.

3. Технология горных работ для крупного разреза "Кангалас-ский" : Препринт / В. Л. Яковлев, С. Н. Петров, А. Н. Соболев, A.C. Марченко, O.A. Стручков, C.B. Панишев, С. П. Альков, - Якутск,

1991. -32с.

4. Панишев C.B., Петров С. Н. , Капитонова Т. А. Математическая модель бестранспортной системы разработки многолетнемерзлых вскрышных пород// Конференция научной молодежи "ЭРЭЛ-95": Тез. докл. -Якутск, 1995. -С. 165.

5.Панишев С. В. Математическое описание поверхности развала многолетнемерзлых вскрышных пород// Проблемы и перспективы освоения природных ресурсов Южной Якутии : Материалы научно практической конференции посвящ. 40-летию Якутск, гос. ун-та. 12-14 апреля 1996, Нерюнгри. -Якутск:Изд-во Якутск, ун-та, 1996.-С. 57.

6. Капитонова Т. А. , Панишев С. В. Математическое описание поверхности развала многолетнемерзлых вскрышных пород для бестранспортной системы разработки// и Междунар. конф. по матем. моделированию: Тез. докл.-Якутск, 1997. -С. 151.