автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.03, диссертация на тему:Оптимизация нерабочих бортов алмазодобывающих карьеров Якутии

ргб од гг сен до

На правах рукописи

ЖЕЛЯБОВСШ ЮРИИ ГРИГОРЬЕВИЧ

ОПТИМИЗАЦИЯ НЕРАБОЧИХ БОРТОВ АЛМАЗОДОБЫВАЮЩИХ КАРЬЕРОВ ЯКУТИИ

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

Официальные оппоненты - доктор технических наук

Звонарев Николай Климентьевич кандидат технических наук Ермаков Сергей Александрович

Ведущая организация - Мирнинский ГОК АК "АЛРОСА"

Защита состоится "_"_1998 г. в_часов на заседании

диссертационного совета К003.44.01 при Институте горного дела Севера СО РАН (677018, г.Якутск, пр.Ленина. 43).

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

Автореферат разослан "_" ^ 1998 г.

Ученый секретарь .диссертационного совета, кандидат технических наук

Ткач С. М.

Введение.

Актуальность темы.

Коренные' месторождения алмазов западной Якутии отрабатываются в настоящее время только открытым способом. Так как алмазосодержащие породы (кимберлиты) залегают в виде субвертикальных рудных тел. то развитие горных работ сопровождается постоянным увеличением глубины карьеров, ухудшением инженерно-геологических условий и значительным ростом объемов выемки пустых пород. Карьер "Мир" уже отработан до глубины 430м. Проектами реконструкций предусматривается достижение карьером. "Мир" глубины 520м. карьером "Удачный" - 600м. Прорабатываются предложения по отработке карьера "Удачный" до глубины 800-900М.

При больших глубинах очень актуальными становятся вопросы оптимизации нерабочего борта карьера, представляющего собой в этих условиях сложное инженерное сооружение. Под оптимизацией нерабочего борта подразумевается определение параметров непосредственно нерабочего борта, параметров составляющих его элементов, а также применение конструкций нерабочего борта, которые в наибольшей степени отвечали бы поставленным условиям. От правильно выбранных параметров нерабочего борта и его элементов зависят безопасность работ, количество и тип применяемой техники, объемы вскрыши и основные экономические показатели. Возникает двоякая задача, с одной стороны добиться минимума вскрышных работ за счет реализации более крутого нерабочего борта, с другой - обеспечить достаточную устойчивость и долговременную сохранность нерабочего борта и нерабочих уступов карьера. Чтобы представить значимость этой задачи достаточно сказать, что увеличение результирующего угла наклона борта карьера "Удачный" только на 1° приводит к сокращению вскрыши примерно на 25 млн.мЗ. Уменьшение объема вскрышных работ наравне с прямым положительным экономическим эффектом оказывает значительное влияние на улучшение экологической обстановки горнодобывающего района, так как сокращаются площади, нарушенные непосредственно горными работами и занятые отвалами пустых пород. Кроме того уменьшается загрязнение воздушного бассейна продуктами сгорания взрывчатых веществ и выхлопными газами

большегрузных самосвалов. А так как за пользование землей и загрязнение окружающей среды взимается плата, то предприятие еще и косвенным путем получает дополнительную прибыль.

Цель работы.

разработка рационального конструктивного оформления нерабочего борта карьера, обеспечивающего повышение его надежности без увеличения объема вскрышных работ.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести анализ процесса формирования нерабочего борта карьера.

2. Обосновать выбор проектных параметров элементов нерабочего

борта.

3. Разработать методики определения рациональных параметров элементов нерабочего борта, обеспечивающих долговременную устойчивость уступов при минимальных затратах на отработку месторождения.

4.Разработать конструкцию нерабочего борта с повышенным показателем качества с возможностью автоматизации его графической отстройки.

5.Разработать технологию формирования нерабочих уступов с требуемыми параметрами.

Методы исследования:

Анализ и обобщение литературных данных, натурные исследования устойчивости откосов, математическое моделирование задач геомеханики, методы математической статистики.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Методика определения параметров элементов нерабочего борта.

2.Показатель качества нерабочего борта.

3. Рациональная конструкция нерабочего борта.

4. Технология формирования уступов нерабочего борта глубоких карьеров.

Достоверность научных положений, выводов и результатов работы обеспечивается.корректностью постановки задач, решением их современными математическими методами, удовлетворительной сходимостью результатов с данными натурных наблюдений.

Научная новизна работы заключается:

- в разработке методики определения параметров элементов нерабочего' борта с учетом получения берм максимальной ширины;

- в разработке и адаптации в условиях производства фотограмметрического способа исследования деформаций уступов карьеров;

- в обосновании показателя качества нерабочего борта карьера, позволяющего сравнивать различные конструкции нерабочих бортов;

- в разработке методики поэтапной графической отстройки нерабочего борта, которая дает возможность автоматизировать этот процесс.

Практическая ценность диссертации заключается в разработке методов и технологий проектирования и отстройки нерабочих бортов карьеров, обеспечивающих их устойчивость без увеличения объема вскрышных работ.

Реализация работы.

На карьере "Мир" были реализованы конструкция нерабочего борта, запатентованная в качестве изобретения, и технология постановки уступов в предельное положение с углами откосов не равными углу наклона мачты бурового станка.

Апробация работы.

Результаты работы докладывались на конференции "Опыт автоматизации маркшейдерских работ при разработке месторождений цветных металлов открытым и подземным способами" (Джезказган.1985), на Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы разработки глубоких карьеров и пути их решения" (Кривой Рог, 1987) и на Международном симпозиуме "Проблемы разработки глубоких карьеров (Мирный, 1991), на Объединенном семинаре и Ученом Совете Института горного дела Севера СО РАН (19.97, 1998) и Научно-техническом Совете института Якутниип-роалйаз (1998).

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 6 статьей и получен патент на изобретение.

Объем и структура.

Диссертационная работа состоит из введения. 3 глав, заключения, списка литературы из 83 наименований и содержит 140 страниц ма-

шинописного текста, включая 43 рисунка и 4 таблицы.

Основное содержание работы.

Постоянное увеличение глубины отработки коренных месторождений алмазов выдвигает на первый план проблему создания оптимального нерабочего борта карьера, который должен отвечать следующим условиям:

1. Иметь максимальный результирующий угол наклона и выпуклую форму профиля, что обеспечит минимум вскрышных работ.

2. Обладать необходимым запасом устойчивости.

3. Элементы, слагающие нерабочий борт, достаточной степенью надежности должны обеспечивать высокотехнологичное и безопасное функционирование карьера до его полного погашения.

Достижение поставленных условий невозможно без расчета устойчивости нерабочего борта. Этой проблеме посвятили свои труды многие исследователи: Г.Л.Фисенко, Г.М.Шахунянц, И.В.Федоров, Ю.Г.Зарецкий. Э.Л.Галустьян, А.Г.Шапарь, А.М.Мочалов и многие другие отечественные и зарубежные ученые. Несмотря на большое количество исследований, в настоящее время нет общепризнанного метода расчета устойчивости. В АК "АЛРОСА" наибольшее распространение получил метод Г.Л.Фисенко (ВНИМИ). На основе этого метода, адаптированного к конкретным условиям залегания коренных месторождений алмазов, осуществляется постоянное геомеханическое сопровождение горных работ. Существенный вклад в развитие геомеханики алмазных месторождений внесли Г.Р.Глозман, Н.К.Звонарев, Е. П. Валуев. Благодаря их работам, реализованы крутые борта карьеров, значения углов наклона которых достигают 50° - 55° при высоте борта более 300 м. Длительный срок безаварийной эксплуатации карьеров с крутыми бортами подтверждает правильность принятых решений.

По мере увеличения угла наклона борта становится все сложнее конструктивно вписаться в расчетные параметры. Например, на многих карьерах бывшего СССР фактически отстроенные борта карьеров оказались более пологими, чем рассчитанные по условиям устойчивости. Существуют два способа, которые, дополняя друг друга, позволяют достичь положительных результатов. Первый способ предусматривает использование элементов нерабочего борта с более жесткими параметрами.

которые, в конечном счете, ограничиваются возможностями оборудования, используемой на предприятии технологией горных работ, правилами безопасности, физико-механическими характеристиками горного массива и климатическими условиями. Второй способ заключается в разработке и применении таких конструкций нерабочих бортов, которые в наибольшей степени позволяют согласовать геометрию предельного контура карьера с оптимальным пространственным расположением отдельных элементов нерабочего борта.

При проектировании и отработке карьеров АК "АЛРОСА" находили применение оба способа. Однако первый из них давно исчерпал себя в результате достижения элементами нерабочего борта предельных параметров (высота уступа - 45 м, угол откоса уступа - 75°. ширина предохранительной бермы - 1/3 высоты уступа). В актив второго способа нужно внести использование с середины 70-х годов конструкции нерабочего борта с наклонными бермами, изобретенной А. М.Галкиным. П.Г.Симаковым, Н.Е.Царьковым и др.

Несмотря, на явный прогресс в области формирования нерабочих бортов алмазодобывающих карьеров ряд вопросов остался за пределами исследований. В настоящее время при определении проектных параметров элементов нерабочего борта принимается во внимание только фактор обеспечения нормативной устойчивости нерабочего уступа. При этом уступ рассматривается как автономный объект. Реально же уступ является составной частью нерабочего борта, что необходимо учитывать при проектировании карьера. В работе обоснован и сформулирован критерий выбора проектных параметров элементов нерабочего борта, обеспечивающих сохранение максимальной ширины берм на конец отработки месторождения.

В результате анализа геометрии глубоких карьеров автором установлено. что между Ь - высотой уступа. Ь - шириной бермы, углами наклона уступа р и борта а' существует следующая зависимость:

ь = авР).

С использованием полученной зависимости с применением теории устойчивости плоского откоса разработаны номограммы (рис.1). Из ри-

сунка видно, что для пород с различными прочностными характеристиками обязательно имеется такой угол откоса уступа, который позволяет получить максимальную ширину бермы при постоянстве коэффициента запаса устойчивости (Кэу) уступа. При помощи этих номограмм подбирались параметры элементов нерабочего борта при практическом внедрении результатов.

Для определения параметров элементов нерабочего борта из условия склонности откосов к осыпанию и мелким обрушениям произведен анализ динамики осыпания верхних уступов, которые сложены интенсивно выветриваемыми породами. Пространственные изменения контура откоса во времени для этих условий происходит в виде выполаживания по экспоненциальному закону:

ßt = (ß0 -p)exp(-btn) + р,

где ßt -угол откоса уступа в момент времени t; ß0~ угол откоса уступа на момент отработки; Ъ - коэффициент, зависящий от скорости выветривания пород (скорости выполаживания уступа); t - количество лет (весенне-летних сезонов) с момента отработки уступа; п - коэффициент, зависящий от прочности пород в массиве; р. - угол естественного откоса.

На основании анализа этого выражения предложены рекомендации по выбору углов откосов верхних уступов, исходя из сроков их эксплуатации и минимума возможного ущерба.

С целью изучения процесса осыпания уступов карьера "Мир", сложенных скальными породами, выполнены натурные наблюдения. Для чего автором, совместно с маркшейдерской службой Удачнинского ГОКа разработан и апробирован .фотограмметрический способ наблюдений, который дает возможность получить более объективные результаты, по сравнению с ранее применяемыми, повышает производительность полевых работ и обеспечивает безопасность их производства. Применение этого способа наблюдений позволяет описать деформацию откоса во времени как перемещение прямой, ограничивающей откос в каком-либо сечении. При этом перемещение прямой представляется в общем виде, т.е характеризуется изменением углового коэффициента и свободного члена. Таким образом

Рис. 1. Номограммы для определения параметров элементов нерабочего борта: трубка "Мир" (а), трубка им. Ломоносова (б)

исключаются допущения, упрощающие форму движения откоса и приводящие к уменьшению точности конечных результатов.

Произведена статистическая обработка результатов натурных наблюдений для выявления влияния на скорость осыпания уступа интенсивности воздействия солнечной радиации и ориентирования преобладающей трещиноватости относительно простирания уступа. Результаты статистического анализа не позволяют говорить о существенных корреляционных связях между исследуемыми величинами и не дают возможности достаточно надежно прогнозировать развитие процесса осыпания в зависимости от местоположения уступа и, следовательно, принимать первоначальные параметры уступа с учетом этих прогнозов. Невысокая плотность корреляционных связей объясняется в работе не их отсутствием, а издержками применяемой программы наблюдений, поэтому даются рекомендации по улучшению методики и продолжению наблюдений.

Влияние трещиноватости на устойчивость уступа исследовалось согласно расчетной схемы рис.2. Выведена формула определения коэффициента запаса устойчивости Кзу, представляющего собой отношение суммы удерживающих сил к сумме сил скатывающих:

_ 2к Slnß Т^р_

эу -¡fhSimpSintß-ip) Tgtp '

где к - коэффициент сцепления; у - объемный вес породы; р - угол внутреннего трения.

Так как Кзу является функцией многих переменных, то анализ влияния каждой из них на конечный результат производился при условии постоянства других переменных. В результате анализа определено влияние каждого из аргументов на устойчивость уступа, что дает возможность, при проектировании принимать параметры уступа. . обеспечивающие его максимальную надежность.

Для удобства практического использования полученной зависимости автором разработана матрица в электронной таблице "Excel 7.0", которая позволяет оперативно получать значения высоты уступа и ширины бермы, соответствующей этой высоте, для различных значений аргументов. Матрица дает возможность быстро анализировать различные ситуации. Для этого достаточно ввести необходимые значения коэффициента сцепления, угла внутреннего трения, объемного веса пород, коэффи-

в с

Рис.3.Расчетная схема трещиноватого уступа при оттайке прибортового массива

циента устойчивости и результирующего угла наклона нерабочего борта. Выбор варианта осуществляется по значению максимальной ширины бермы при обеспечении остальных показателей не ниже нормативных. Для большей наглядности матрица снабжена трехмерными графиками изменения Кзу, в которых в качестве зависимых переменных выступают высота уступа и ширина бермы.

В результате работы с матрицей автором была выявлена закономерность, которую сложно было спрогнозировать, оказалось, что параметры нерабочего борта связаны с параметрами его элементов и характеристиками трещиноватости. Эта закономерность существует при условии постоянства Кзу уступа и формулируется следующим образом:

1.Значения ширины бермы увеличиваются с увеличением угла откоса уступа при углах падения трещин, меньших результирующего угла наклона борта.

2.При равенстве углов падения трещин и результирующего угла наклона борта ширина бермы остается постоянной.

3. Ширина бермы уменьшается с увеличением угла откоса уступа при углах падения трещин больших угла наклона борта.

Принимая во внимание, что приоритет при определении параметров отдается получению максимальной ширины берм, данная закономерность позволяет целенаправленно двигаться к достижению требуемого результата.

Причинами осыпания откосов алмазодобывающих карьеров Якутии безусловно являются криологические процессы и, в первую очередь, протаивание пород в летнее время. Влияние протаивания на устойчивость уступов исследовано аналитическим методом по зависимости, определяющей коэффициент запаса устойчивости (Кзу) оттаявшего уступа, сложенного трещиноватыми породами. Кзу, как и в предыдущем случае, представляет собой отношение суммы удерживающих сил к скатывающим. Вывод формулы произведен согласно расчетной схемы рис.3.

к ?ДЦ31п(Р-д>)Соз^р _ о,5уа231п2р31пч)Тяр - К^сШгцр зу уалзинр-фЩпр - ^т^щ! + о,5*с1251прз1п2ф +

+ усУйШИОБШР - *^с1231пгрЭ1пф + 0,5уйг31п&31пг(р '

где й - глубина протаивания: к, . коэффициент сцепления по породе; кг - коэффициент сцепления по трещине.

Анализ полученной зависимости позволяет сделать следующие выводы:

1. Зависимость Кэу от глубины протаивания - гиперболическая. При принятых расчетных параметрах Кзу уменьшается с 15 до 1 при изменении глубины протаивания от 0,5 до 4 м.

2.При увеличении угла откоса уступа Кзу уменьшается по гиперболической зависимости.

3.Кэу прямо пропорционален коэффициентам сцепления по трещине и по массиву. При этом влияние сцепления по массиву (по границе от-тайки) намного существеннее влияния сцепления по трещине.

4.Увеличение высоты уступа до 10 м значительно снижает его устойчивость. После десяти метров влияние высоты уступа на Кзу ослабевает и становится абсолютно не значимым при высоте, превышающей 25м.

5.Если угол падения трещин отличается от угла откоса уступа более чем на 5°, то он практически не влияет на Кгу. Приближение угла откоса к углу падения трещин увеличивает устойчивость уступа.

Для практического определения элементов нерабочего борта, отвечающих заданным условиям, также разработана матрица в "Excel 7.0".

Естественно, что невозможно математически точно предрассчитать параметры нерабочего борта карьера, так как в горном деле не может быть заранее получена абсолютно достоверная информация о состоянии массива в любой его точке. Тем не менее, наработанные методики, матрицы в "Excel 7.0" и полученные функциональные зависимости между параметрами нерабочего борта и параметрами его элементов позволяют выбрать наиболее подходящий вариант моделированием различных ситуаций.

Выбор оптимальных параметров элементов нерабочего борта еще не последний шаг в проектировании карьера, удовлетворяющего условиям долговечности, минимизации объемов вынимаемых вскрышных пород и др. Выбрав оптимальным образом элементы нерабочего борта карьера, не всегда можно получить оптимальный, с геометрической точки зрения, карьер. Качество конечного продукта зависит от опыта и таланта проектировщика. степени развития его пространственного воображения и

осознания влияния того или иного изменения в конструкции нерабочего борта на конечный результат.

Кроме персональных качеств проектировщика, которые относятся к категории субъективных, есть ряд объективных факторов, сказывающихся на характеристиках проектируемого карьера. Большое влияние на них оказывает применяемая конструкция нерабочего борта. Чтобы объективно сравнивать различные конструкции нерабочего борта автором -предлагается, впервые в практике открытых горных работ, применять показатель качества конструкции нерабочего борта. Любой карьер, а особенно глубокий. не может быть отстроен без выклинивающихся нерабочих уступов. Их наличие продиктовано законами стереометрии. Выклинивающийся уступ, особенно на завершающей стадии выклинивания, представляет собой паразитный фрагмент нерабочего борта, который не позволяет в полной мере эксплуатировать прочностные свойства горного массива и влечет за собой увеличение вскрышных работ. Поэтому для оценки качества конструкции нерабочего борта предлагается -применять коэффициент, численно равный отношению суммы протяженности выклинивающихся уступов к общей протяженности всех уступов карьера. Из определения следует, что чем меньше значение коэффициента, тем оптимальнее конструкция нерабочего борта. Нужно отметить, что показатель качества позволяет производить оценку конструкций нерабочего борта только в пределах одного и того же карьера.

Определение критерия и численной оценки качества конструкции нерабочего борта позволило целенаправленно улучшать борт. Результатом этой деятельности стала разработка конструкции нерабочего борта с бермами ломаного профиля, на которую получен патент. Если сравнить конструкции нерабочего борта карьера "Мир" с горизонтальными бермами, с наклонными бермами и с бермами ломаного профиля, то коэффициенты качества будут равны 0.22, 0.15 и 0.11 соответственно. Запатентованная конструкция нерабочего борта реализована на карьере "Мир" согласно лицензионному соглашению.

Графическое построение карьера с бермами ломаного профиля потребовало соблюдения определенной последовательности выполнения работ и разложения комплекса операций на элементарные. Следствием этого, кроме решения основной задачи, стала разработка технологии отстройки

карьера в конечных контурах в виде элементарных операций, легко поддающихся формализации и программированию. Таким образом, определен алгоритм, позволяющий полностью автоматизировать проектирование карьеров с любой конструкцией нерабочего борта.

Для расширения диапазона реализуемых углов откосов уступов, нами разработан способ бурения и вспомогательное оборудование, позволяющие формировать уступы с любыми углами откосов независимо от угла наклона мачты станка. Суть способа заключается в соответствующем ориентировании бурового станка относительно линии простирания будущего уступа. Угол откоса при этом определяется из зависимости:

где ¡5 - угол откоса уступа; 0 - угол наклона мачты станка; 1}) - угол между простиранием уступа и продольной осью станка.

Новая разработка была апробирована на карьере "Мир", показала свою состоятельность и высокую технологичность.

В диссертации решена народно-хозяйственная задача оптимизации нерабочих бортов алмазодобывающих карьеров Якутии.

Основные научные и практические результаты исследований заключаются в следующем:

1.Выведена математическая зависимость между параметрами нерабочего борта и параметрами его элементов, которая позволяет определять значения каждого из них во взаимосвязи друг с другом. Возможность оценить влияние каждого, параметра на остальные значительно расширяет возможности принятия объективных решений при проектировании карьера.

2.Предложен и обоснован способй оптимизации нерабочего борта, позволяющий получить бермы максимальной ширины на конец отработки местороздения при прочих одинаковых условиях. Этот подход позволяет отрабатывать месторождение до его полного погашения высокотехнологично.

3.Доказано, что для уступов, сформированных в различных породах, существуют вполне определенные значения угла откоса и высоты

Заключение.

уступа, при которых берма имеет максимальную ширину при постоянстве Кзу.

4.Разработан и апробирован фотограмметрический способ наблюдений за осыпанием уступов, который, при высокой технологичности и безопасности производства полевых работ, дает более объективные результаты, чем при ранее применяемых способах.

5.Исследована устойчивость трещиноватого массива при изменении влияющих параметров. Выявлена ранее неизвестная зависимость изменения ширины бермы от угла откоса уступа и соотношения результирующего угла наклона борта и угла падения трещин.

6.Исследована устойчивость трещиноватого уступа при протаива-нии прибортового массива. Доказано отсутствие влияния на устойчивость угла падения трещин и высоты уступа при уступах высотой более 25 м.

7. Для расчета параметров трещиноватых уступов созданы матрицы в "Excel 7.0".

8. Обоснован и предложен к практическому применению показатель качества конструкции нерабочего борта.

9. Разработана конструкция нерабочего борта с бермами ломаного профиля, имеющая лучший показатель качества среди известных конструкций. Разработка запатентована и реализована, по лицензионному соглашению, на карьере "Мир".

10.Предложена методика графической отстройки карьера, которая в дальнейшем может быть легко формализована и реализована на ЭВМ, что дает возможность полностью автоматизировать процесс проектирования карьеров. *

И.Разработан способ заоткоски уступов, позволяющий формировать любые углы откосов, независимо от наклона мачты бурового станка.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Желябовский Ю.Г. Моделирование и решение геодезических задач на основе принципов теоретической механики. // Колыма. 1986. N 1. -С. 30-32.

2. Желябовский Ю.Г., Тышлек В.В. Фотограмметрический способ определения деформаций уступов. // Колыма, 1990, N 7. -С.5-6.

3. Желябовский ю. Г. Оптимизация параметров элементов нерабоче-■о борта карьера в условиях отработки коренных месторождений алма-:0В. // Горный журнал, 1990, N 8. -С. 40-41.

4. Желябовский Ю. Г. Новая конструкция нерабочего борта карька. // Сб. "Проблемы разработки глубоких карьеров" Тр. Меж.Симпози-■ма "Мирный-91". - Удачный: Изд-во НИЦ "Мастер", 1991. - С.161-164.

5. A.c. (патент) 1694900 AI СССР. Способ отстройки нерабочего ¡орта карьера Ю. Г. Желябовского .// Ю.Г. Желябовский. - Опубл. в БИ, 991 N 44.

6. Желябовский Ю. Г., Изаксон В. Ю. Устойчивость многолетнемерз-1ых откосов глубоких карьеров при протаивании. //Тез. докл. II Меж-(ународной конференции "Нетрадиционные и интенсивные технологии раз->аботки месторождений полезных ископаемых". - Новокузнецк: 11-12 но-[бря 1997. - С.24-25.

7. Желябовский Ю.Г., Изаксон В.Ю. способ формирования откоса 'ступа с заданным углом. // Физико-технические проблемы освоения и >азвития Южно-Якутского региона (Сб. тр.). - Нерюнгри: изд-во ЯГУ, .998. - С. 114-116.

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ ГОРНОГО ДЕЛА СЕВЕРА

ОПТИМИЗАЦИЯ НЕРАБОЧИХ БОРТОВ АЛМАЗОДОБЫВАЮЩИХ КАРЬЕРОВ ЯКУТИИ

Специальность 05.15.03 - "Открытая разработка месторождений полезных ископаемых"

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Якутск - 1998

- 2 -ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.......................................... 4

I.ОСОБЕННОСТИ КАРЬЕРОВ АКЦИОНЕРНОЙ КОМПАНИИ "АЛМАЗЫ РОССИИ - САХА", СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1. Общие сведения о районе эксплуатируемых коренных месторождений алмазов..........-................. 9

1.2. Состояние горных работ....................... И

1.3. Информационный обзор существующего процесса проектирования и'формирования нерабочего борта.

1.3.1. Определение теоретических параметров нерабочего борта.-..........-....■.......................'..... 15

1.3.2. Выбор оптимальных параметров элементов нерабочего борта......................................... 23

1.3.3. Конструирование нерабочего борта........... 27

1.3.4. Реализация проекта в натуре................ 34

Выводы ло главе I................................. 38

II. ОПТИМИЗАЦИЯ ЭЛЕМЕНТОВ НЕРАБОЧЕГО БОРТА КАРЬЕРА

11.1. Обоснование критерия выбора проектных параметров элементов нерабочего борта...................... 40

11.2. Определение оптимальных параметров элементов нерабочего борта из условия обеспечения устойчивости уступов................................................ 41

11.3. Определение оптимальных параметров нерабочих уступов из условия склонности откосов к осыпаниям и обрушениям.

11.3.1.Анализ процесса осыпания верхних уступов... 55

11.3.2.Фотограмметрический способ определения де-

формаций уступов....................................... 59

II. 3. 3. Натурные исследования деформаций откосов карьера "Мир".......................................... 63

II. 4. Определение оптимальных параметров уступов из условия наиболее вероятного сохранения уступов от обрушений.................................................. 86

11.4.1. Анализ влияния параметров уступов, сложенных трещиноватыми породами, на их устойчивость......... 87

11.4.2. Анализ влияния параметров уступов на их устойчивость при наличии сезонной оттайки.............. 101

Выводы по главе II................................ 113

III. НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ И РЕАЛИЗАЦИИ В НАТУРЕ НЕРАБОЧЕЕО БОРТА КАРЬЕРА...................... 115

111.1. Оптимальная конструкция нерабочего борта... 116

111.2. Методика графической отстройки проектируемого карьера........................................... 122

III. 3. Способ формирования уступа с различными углами................................................... 123

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................ 129

Список литературы................................. 132

- 4 -Введение.

Актуальность темы.

Коренные месторождения алмазов западной Якутии отрабатываются в настоящее время только открытым способом. Так как алмазосодержащие породы (кимберлиты) залегают в виде субвертикальных рудных тел, то развитие горных работ сопровождается постоянным увеличением глубины карьеров, ухудшением инженерно-геологических условий и значительным ростом объемов выемки пустых пород. Карьер "Мир" отработан до глубины 430м. Проектами реконструкций предусматривается достижение карьером "Мир" глубины 520м, карьером "Удачный" - 600м. Прорабатываются предложения по- отработке карьера "Удачный" до глубины 800-900М.

При больших глубинах актуальными становятся вопросы оптимизации нерабочего борта карьера, представляющего собой в этих условиях сложное инженерное сооружение. Под оптимизацией нерабочего борта подразумевается определение параметров непосредственно нерабочего борта, параметров составляющих его элементов, а также применение конструкций нерабочего борта, которые в наибольшей степени отвечали бы поставленным условиям. От правильно выбранных параметров нерабочего борта и его элементов зависят безопасность работ, количество и тип применяемой техники, объемы вскрыши и, как следствие, основные экономические показатели. Возникает двоякая задача, с одной стороны добиться минимума вскрышных работ за счет реализации более крутого нерабочего борта, с другой - обеспечить достаточную устойчивость и долговременную сохранность нерабочего борта и нерабочих уступов карьера. Чтобы представить значи-

мость этой задачи достаточно сказать, что увеличение результирующего угла наклона борта карьера "Удачный" только на 1° приводит к сокращению вскрыши примерно на 25 млн.м3. Уменьшение объема вскрышных работ наравне с прямым положительным экономическим эффектом оказывает значительное влияние на улучшение экологической обстановки горнодобывающего района, так как сокращаются площади, нарушенные непосредственно горными работами и занятые отвалами пустых пород. Кроме того уменьшается загрязнение воздушного бассейна продуктами сгорания взрывчатых веществ и выхлопными газами большегрузных самосвалов. А так как за пользование землей и загрязнение окружающей среды взимается плата, то предприятие еще и косвенным путем получает дополнительную прибыль.

Цель работы.

Разработка рационального конструктивного оформления нерабочего борта карьера, обеспечивающего повышение его надежности без увеличения объема вскрышных работ.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1.Провести анализ процесса формирования нерабочего борта карьера.

2. Обосновать выбор проектных параметров элементов нерабочего борта.

3. Разработать методики определения рациональных параметров элементов нерабочего борта, обеспечивающих долговременную устойчивость уступов при минимальных затратах на отработку месторождения.

4.Разработать конструкцию нерабочего борта с повышенным

показателем качества с возможностью автоматизации его графической отстройки.

5.Разработать технологию формирования нерабочих уступов с требуемыми параметрами.

Методы исследования:

Анализ и обобщение литературных данных, натурные исследования устойчивости откосов, математическое моделирование задач геомеханики, методы математической статистики.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Методика определения параметров нерабочего борта.

2. Показатель качества нерабочего борта.

3.Рациональная конструкция нерабочего борта.

4.Технология формирования уступов нерабочего борта глубоких карьеров.

Достоверность научных положений, выводов и результатов работы обеспечивается корректностью постановки задач, решением их современными математическими методами, удовлетворительным совпадением результатов с имеющимися литературными данными и результатами натурных исследований.

Научная новизна работы заключается:

- в разработке методики определения параметров элементов нерабочего борта карьера;

- в разработке фотограмметрического способа наблюдений за деформациями уступов карьеров;

- в обосновании показателя оценки качества нерабочего

борта карьера, позволяющего сравнивать различные конструкции нерабочих бортов;

- в разработке методики поэтапной графической отстройки нерабочего борта, которая дает возможность автоматизировать этот процесс.

Практическая ценность диссертации заключается в разработке методов и технологий проектирования и отстройки нерабочих бортов карьеров, обеспечивающих их устойчивость без увеличения объема вскрышных работ.

Реализация работы.

Конструкция нерабочего борта запатентована в качестве изобретения и реализована при отработке карьера "Мир" согласно лицензионному договору. Технология постановки уступов в предельное положение с углами откосов не равными углу наклона мачты бурового станка также реализована на карьере "Мир".

Апробация работы.

Результаты работы докладывались на конференции "Опыт автоматизации маркшейдерских работ при разработке месторождений цветных металлов открытым и подземным способами" (Джезказ-ган,1985), на Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы разработки глубоких карьеров и пути их решения" (Кривой Рог, 1987), на Международном симпозиуме "Проблемы разработки глубоких карьеров (Мирный, 1991), на Объединенном семинаре и Ученом Совете Института горного дела севера СО РАН (1997, 1998) и на научно-техническом Совете института Якут-нипроалмаз (1998).

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 6 статей и получен па тент на изобретение.

Объем и структура.

Диссертационная работа состоит из введения, 3 глав, заключения, списка литературы из 83 наименований и содержит 140 страниц машинописного текста, включая 43 рисунка и 4 таблицы.

I. Особенности карьеров акционерной компании "АЛРОСА", состояние вопроса, цель и задачи исследований.

1.1 Общие сведения о районе эксплуатируемых коренных месторождений алмазов.

Район коренных алмазоносных месторождений приурочен к западной части республики Саха (Якутия). Геологами выделены две алмазоносные провинции: Мало-Ботуобинская (южная) и Дал-дыно-Алакитская (северная). В первой находятся эксплуатируемые кимберлитовые трубки "Мир", "Интернациональная", "Имени XXIII съезда КПСС" и "Таёжная"; во второй - "Удачная", "Ай-хал", "Сытыканская" и "Юбилейная".

В административном отношении территория месторождений вход'ит в Мирнинский район республики Саха ' (Якутия).

Климат района резко-континентальный с продолжительной и суровой зимой (6-7 месяцев) и коротким, иногда очень жарким летом. Минимальная температура воздуха может достигать в зимнее время -60°С, а максимальная летом - +40°С. Таким образом, годовой перепад температур составляет 100°С. Самым холодным месяцем является январь. Средняя годовая температура в городе Мирном составляет около -8°С, в районе города Удачный и поселка Айхал -12°С. Среднее годовое количество осадков 250 мм, с колебаниями от 150 до 350 мм. На период июнь-сентябрь приходится до 70% годовой суммы осадков. Снежный покров устанавливается в первых числах октября и сходит во второй половине мая, иногда - в первой декаде июня. Высота снежного покрова в среднем 350-400 мм.

Район целиком располагается в зоне многолетней мерзлоты, мощность которой составляет 700 - 1200 м. Максимальная глуби-

на оттаивания мерзлоты летом не превышает 2,0 - 2,5 м. Мощность же слоя грунта с сезонными колебаниями температуры равняется 10-12 метрам. На глубине 10 м температура грунта составляет около -3°С. Нулевая изотерма в южной группе месторождений проходит на глубине 700 - 800 м, у северных месторождений она опускается до 1000 - 1200 м [76].

Климатические и природные условия района, относящиеся к разряду экстремальных, оказывают непосредственное влияние на отработку месторождений. Это влияние иногда бывает положительным, однако в большинстве случаев приводит к усложнению горных работ. Например, наличие многолетней мерзлоты существенно увеличивает прочностные свойства горного массива за счет цементирующих свойств льда, заполняющего трещины и микропоры. Такое упрочнение 'дает возможность отстраивать карьеры со значительными (до 50°) результирующими углами нерабочих бортов и, как следствие, уменьшать объемы вскрышных работ.

Главным отрицательным фактором являются низкие температуры воздуха в зимний период, которые приводят к значительному осложнению работы механизмов, уменьшению их производительности, частым поломкам. Зимой резко увеличивается загазованность атмосферы карьера выхлопными газами автосамосвалов, что является причиной . длительных простоев. Например, карьер "Удачный" по этой причине простоял в 1988 году 145 часов, в 1989 - 1108, в 1990 - 1529, В 1991 - 1894, в 1992 - 2345, В 1993 - 1958, В 1994 - 1892 часа.

Низкие температуры, как правило, сопровождаются туманами, которые в совокупности с выхлопными газами автотранспорта значительно затрудняют или вообще делают невозможным маркшейдерское обслуживание горных работ с точностью, удовлетворяю-

- 11 - ■

щей потребности существующей технологии горных работ, особенно технологии постановки уступов в предельное положение. Эта на первый взгляд второстепенная проблема порождает неблагоприятные последствия. Неправильный подход к ее решению в условиях глубоких карьеров, когда отсутствует какой-либо резерв поперечных размеров берм, может привести или к временной приостановке горных работ до улучшения погодных условий или, что значительно хуже, к нарушению целостности бортового массива, уменьшению его устойчивости, ликвидации транспортных связей и вовлечению огромных дополнительных затрат на исправление допущенного брака. Данная проблема, по мнению автора, может и должна стать самостоятельным объектом исследования и решения нетрадиционными способами. Например, применением спутниковой геодезии или локальной системы радиогеодезии, построенной по такому же принципу, где роль спутников будут выполнять радиомаяки, установленные на борту карьера.

1.2. Состояние горных работ.

Отработка коренных месторождений алмазов Западной Якутии началась в 1957 году добычей кимберлита трубки "Мир". В 1961 году вступил в эксплуатацию карьер трубки "Айхал", а в 1974 -карьер "Удачный".

За сорокалетний период было вовлечено в отработку 8 ким-берлитовых трубок различной величины. В настоящее время часть из них полностью отработана открытым способом: ("Интернациональная", "Имени XXIII съезда КПСС)", другая часть активно эксплуатируется ("Удачная", "Сытыканская"). Карьеры "Мир" и "Айхал" реконструируются, т.е. осуществляется разноска бортов с целью увеличения глубины отработки. Карьер "Юбилейный" на-

ходится пока в начальной стадии развития. За длительный период эксплуатации наработан богатый опыт ведения горных работ в специфических условиях Крайнего Севера. Так как все месторождения обладают большим количеством сходных признаков, таких как условия залегания рудных тел, наличие многолетней мерзлоты, обводненность, трещиноватость, идентичность отдельных типов вмещающих пород и т.д., то опыт, полученный при отработке одних карьеров,обобщался и переносился на другие. И все же, несмотря на схожесть, каждое месторождение остается единственным в своем роде, а потому применение шаблонных решений при их эксплуатации нежелательно. Только индивидуальный, творческий подход к отработке каждой кимберлитовой трубки может привести к высоким результатам деятельности горного предприятия.

Динамика производства вскрышных работ, довольно полно характеризующая общее состояние горных работ, приведена в виде графиков на рис.1. Из них следует, что суммарная производительность карьеров по вскрыше в настоящий момент достигла порядка 90% от максимально ожидаемой, а объём выполненных работ с начала эксплуатации составляет около 60% от всего запланированного до 2010 года. Текущий момент времени является актуальным с точки зрения обобщения опыта отработки кимберли-товых тел, проведения исследований на основе фактического состояния бортов карьеров, разработки и внедрения в производство предложений, улучшающих конструкцию нерабочих бортов, технологию горных работ и ведущих к уменьшению затрат. Действительно, с одной стороны, сорокалетняя эксплуатация карьеров, когда пройдены все этапы от начала отработки карьера до его погашения, представляет огромный объем объективной инфор-

45000

а

ю

^

си ИЗ ю о

10000 1 5000

Т-Г- 00 г-м- т-« 1 1 1 тг м—1-г- 1-1-1-о 1-м- м-м чо 1-м с\ мм— Г4 1-Н-V) 1-М-оо 1—I—[— т—1 1-М- М-1-|> м-+- О 1-М-го ЧО М-Г ®\

1п ЧО 1Г- г- г- г-- 00 00 00 о\ о\ О о о о

о\ в\ в\ с\ о\ о\ С* О* о о о о

1—1 1-Н г-4 ГЦ ГЦ ГЦ гц

ГОДЫ

ю >>

а

А Н

¡и (« Ю О

1000000 900000 800000 700000 600000 500000 400000 300000 200000 100000

6

00 ТГ г- о ГО чо ГЦ 00 гЧ гг Г-- о <л чо е\

1Л чо чо чо с- о г- оо 00 00 о\ о\ о о о о

®\ о\ ОЧ о\ е\ с\ ©\ о\ е\ о о о о

гН Т—1 Г-* гЧ 1—1 гц ГЦ м ГЦ

годы

Рис.1.Динамика объемов вскрышных работ ежегодных (а), с нарастающим итогом (б) по АК "АЛР0СА"

мации, с другой - есть возможность ее практического использования, так как большую часть работ еще предстоит выполнить в будущем.

Необходимо отметить, что эффективность возможных предложений находится в обратной зависимости от наработки опыта, так как наиболее крупные и высокоэффективные мероприятия обычно разрабатываются и внедряются в первую очередь. Горные работы в акционерной компании находятся уже в такой стадии развития, когда появляется необходимость использования любых новшеств, несущих даже незначительный положительный эффект, т.е. наступил процесс "шлифовки" существующих технологий. Особое внимание нужно уделять мероприятиям, которые обладают универсальностью и могут быть использованы на всех карьерах или, по меньшей мере, 'на многих из них . В этом случае незначительный, на первый взгляд, относительный эффект, переведенный в абсолютные единицы и распространенный на весь, планируемый к выполнению объем горных работ, предстанет в виде существенной экономии затрат. Достаточно сказать, что уменьшение объемов вскрыши всего на 0, 5% против проекта, что часто можно достичь элементарным улучшением качества графической отсройки карьера во время проектирования, в пересчете дает уменьшение объемов вскрышных работ за 1990 - 2010 годы примерно на 3 млн. м3.

Существенным шагом к оптимизации параметров горных работ следует считать повышение точности и�