автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.03, диссертация на тему:Разработка технологии выполаживания техногенных откосов средствами гидромеханизации

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

КОНОНЕНКО Алексей Евгеньевич

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ВЬШОЛАЖИВАНИЯ ТЕХНОГЕННЫХ ОТКОСОВ СРЕДСТВАМИ ГИДРОМЕХАНИЗАЦИИ

Специальность 05.15.03 - «Открытая разработка месторождений полезных ископаемых»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических иаук

Научный руководитель

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

ЕРЖАНИЕ

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА................................................... 7

1.1. Анализ объемов работ но выполаживашпо откосов и нанесению на их поверхность потенциально-плодородных пород...... 7

1.2. Анализ и оценка существующего опыта рекультивации откосов 13

1.3. Пути совершенствования технологии рекультивации откосов и целесообразность применения средств гидромеханизации....... 22

1.4. Основные задачи и методы исследований............................ 24

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ НА УСТОЙЧИВОСТЬ ОТКОСА .............................................. 26

2.1. Анализ параметров, определяющих устойчивостиОткоса......... 26

2.2. Исследование влияния величины внешней нагрузки уступа на

его устойчивость............................................................ Ь

Л

2,3. Исследование влияния степени обводнения уступа на его устойчивость ................................................................... ЗУ

Выводы........................................................................ 40

3. РАЗРАБОТКА И ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ВЫПОЛА-ЖИВАНИЯ ОТКОСОВ СРЕДСТВАМИ ГИДРОМЕХАНИЗМ

ПИИ

„о

3.1. Технология обрушения откосов с использованием средств гидромеханизации с целью нх выполажив ания при рекультивации 53

3.2. Определение времени обрушения откоса..........................................................57

3.3. Определение параметров откоса уступа после его выполажива-

ния путем обрушения............................................................................................................63

•5-4 _ __г"

-"^ояы........................................................................................................................................УУ

4. РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО РЕКУЛЬТИВАЦИИ ОТКОСОВ ПУТЕМ ИХ УПРАВЛЯЕМОГО ОБРУШЕНИЯ............ 92

4.1. Методика расчета основных параметров технологии управляемого обрушения откосов................................................... 92

4.2. Пример расчета параметров технологии управляемого обруше-нш откосов при рекультивации железнодорожного отвала «Бродок» Лебединского ГОКа.......................................... 98

4.3. Оценка экономической эффективности выполаживания откосов отвала «Бродок» с использованием технологии управляемого

обрушения................................................................... 105

Выводы........................................................................ 124

ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................................... 127

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ........................ 129

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. В настоящее время открытым способом добывается около 75% общего объема твердого минерального сырья. Разработка месторождений открытым способом влечет за собой нарушения больших площадей земной поверхности. Характер этих нарушений зависит от принятой системы разработки месторождения, выбор которой определяется, главным образом, условиями залегания полезного ископаемого.

В России общая площадь земель, нарушенных при разработке угольных и рудных месторождений, в настоящее время составляет более 220 тыс.га и возрастает год от года.

Основная доля земель, нарушенных в ходе ведения открытых горных работ, преходится на остаточные горные выработки и внешние отвалы. С целью снижения вредного воздействия занимаемых ими территорий на окружающую среду, обеспечения возможности их использования для нужд народного хозяйства на горнодобывающих предприятиях в обязательном порядке проводится рекультивация, предусматривающая выполнение двух этапов: горнотехнического и биологического. Необходимыми процессами горнотехнической рекультивации площадей остаточных горных выработок и внешних отвалов являются выполаживание откосов и покрытие их поверхности слоем тготеньщально-плодородных пород.

В настоящее время горнотехническая рекультивация откосов уступов остаточных горных выработок и отвалов производится, как правило, путем их выполэживзния с последующим нанесением на их поверхность потенциально-плодородных пород при использовании различных видов оборудования (бульдозеров, экскаваторов, скреперов и др.). Недостатками этой технологии являются высокая трудоемкость и стоимость режужтив анионных работ. Таким образом, разработка технологии выполаживания техно-

генных откосов средствами гидромеханизации, позволяющей снизить трудоемкость, а следовательно, и стоимость работ по их горнотехнической рекультиващи, является актуальной научной задачей.

Целью работы является разработка и обоснование параметров управляемого обрушения откосов средствами шдромеханизации при их рекультивации.

Идея работы состоит в том, что выхолаживание техногенных откосов при одновременном нанесении на их поверхность потенциально-плодородных пород может быть осуществлено за счет сил гравитации под воздействием факторов внешней нагрузки и обводнения.

Основные научные наложения, разработанные лично соискателем, н новизна:

1. Эффективное гравитационное выполаскивание откосов уступов с целью их рекультивации может быть осуществлено только при одновременном воздействии на уступ факторов внешней нагрузки и обводнения.

2. Время формирования критической нагрузки за счет водонасыщения породного массива уступа и намыва гидросмеси на его верхнюю площадку, результатом воздействия которых является обрушение откоса, вычисляется с использованием разработанной методики, что определяет возможность управления процессом обрушения во времени.

3. Установленные зависимости изменения угла откоса уступа после обрушения от степени его обводнения позволяют рассчитать параметры вы-шшоженного откоса, что обеспечивает управление процессом обрушения в пространстве.

Обоенова нность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечиваются корректным применением классических методов механико-математическош моделирования, представительным объемом вариантов расчета по неоднократно опробованным методам с ис-

пользованием ПЭВМ, а также сходимостью результатов, полученных по разработанной методике и в лабораторном эксперименте.

Значение работы. Научное значение заключается в разработке методики расчета параметров обрушения техногенных откосов с целью их вышшаживзния при рекультивации, которая позволяет управлять процессом обрушения в пространстве и во времени на основе установленных зависимостей для расчета времени обрушения и угла выположенного откоса.

Практическое значение работы заключается в разработке технологии выполаживания откосов с использованием средств гидромеханизации, обеспечивающей выполнение основного объема работ по горнотехнической рекультивации за счет сил гравитации.

Реализация выводов ж рекомендаций работы. Рекомендации по вышмаживанию откосов путем их управляемого обрушения, основанные на исследованиях настоящей диссертационной работы и связанные с тематикой хоздоговорных НИР ТО-1-518, ТО-484, приняты к реализации АО «Лебединский ГОК» при строительстве рекреационной зоны в районе железнодорожного отвала «Бродок», а также АО «Разрез Назаровский» при рекультивации остаточных горных выработок.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались на симпозиуме «Неделя горняка» (Москва, МГГУ, 1997, 1998) и конференции «Проблемы теории и практики в инженерных исследованиях» (Москва, РУдН, 1997).

Публикация. По результатам выполненных в диссертации исследований опубликовано 4 статьи, получен 1 патент.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и содержит 58 рисунков, 17 таблиц, список литературных источников из 87 наименований.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

1.1. Анализ объемов работ но выполаживанию откосов и нанесению на их поверхность потенциально-плодородных пород

Морфометрические параметры техногенного рельефа, объем рекуль-тивационных работ и технологи! их проведения определяются нормашв-ными требованиями к качеству восстанавливаемых территорий. Содержание этих требований устанавливается применительно к направлениям использования нарушенных земель после их рекультивации, основными из которых являются: сельскохозяйственное, лесохозяйственное, водохозяйственное, рекреационное и с анитарно-гигиеннче ское.

При горнотехнической рекультивации производится еьшолэжив ание

п

откосов до угла 8-20'"' и покрытие их поверхности слоем потенциально-плодородных пород мощностью 0,3-2,0 м (табл. 1.1) [70]. Объем этих работ применительно к конкретному направлению рекультивации зависит от следующих параметров:

- геометрической формы карьера (отвала);

- площади карьера (отвала.);

- высоты уступа (отвального яруса);

- количества уступов (отвальных ярусов);

- ширины горизонтальных площадок между соседними уступами (отвальными ярусами),

- угла откоса уступа (отвального яруса) до и после вшкшаживания.

На рис.1.1 и рис. 1.2 представлены соответственно зависимости изменения объема выполаживания откосов внешних отвалов (¥е) и объема работ по нанесению потенщально-плодородных пород на их поверхность (Уп) от площади основания отвала (30) при различных значениях высоты

Таблица 1.1

Мэрфометрические параметры техногенного рельефа на карьерах

11окаэатели Направление рекультивации

Селъск» хозяйстве иное лесо хозяйственное водохозяй-ствеяное рекреационное санитарно-гигиеническое

пашни сенокосы, пасгб ища

1 2 3 4 5 б 7

Мощность снимаемого плодородного слоя почвы, м Определяется проектом в соответствии с рекомендациями ГИЗРа (Рекомендации но снятию шгодородного слоя почвы при производстве горных; строительных и других работ,—М.: ГИЗР, 1983)

Высота временного склада плодородного |сло а: почвы, в?» не более 10,0 10,0 10,0 10,0 10,0 10,0

Мощность плодородного насыпного стоя (почвы после усадки, м, не менее 0,30-0,«! 0,20 — 0,20 0,20 —

Мощность снимаемого стоя потенциально-штодородных шрод, м Определяется проектом с учетом требований биошгичесюого этапа

Мощность шсыггаюго слоя штенциалыю- шодородкьж шрод после усадки, ж, не менее 0,5»1,0 0,3-0,8 2,0 1,0 (дня зеленых зон) 0,3 (при озеленении:)

Площадь рекультееиртемого участка, га, не меже 10,0 5,0 Не лимитируется 0,5 Не лимитируется

Уклон поверхности отвала, градус, не боже 2 б 10 — Угла устойчивого откоса

Уклон откоса отвала, градус не более — 8-12 18 — 20 (при озеленении) 20 (при озеленении)

<и о

Ï

ft M

tí я

Г-4

& а

f\?

V-

Cö

СП

Г'З

гч

Vi 45

о v?

Й к Й

Vi

■Л

M

r"'î О

er

ra &

Рк

ï4 Я

з»

I ft Ч

ж

■а m

£ ь.

о ю

к Ö К

J"!

s

W

s ft

I4 s ffl

s

о ffi

S

«s

i &1 g

r: s

нЧ

a Ш

OLÍ

H

Я

ä"

я*1

s ft

я

Q

1-i s

1

a S

M Si

/У и

s «

в H

p Ю

«

s Д

ft ar1

1

О ?

Oí ft

ë p.

ff

t"¡

e g

о g

È-* о

И

¡

а

ai

5

о

•S

I

я

i4 Я

Л С Р, Я

f а

щ ft

■и

аг

_ 1-4

о m

Г1 (-Г

m

i

Í4 «

з

fi CJ

ft S

я

о

s

0

?!

H

ffl

I g

5 m

H CCS

à ft

D 5

6 fi n S fa « H

ó?;

g g

Ц-1

I

H

Ö

tp &

Г t

S ft

Я sí о

ß 04

а ¡

ft Oí

Sä

в» ТЫС.Г8

Но = 20 м —»»Но = 40 м —Но = 60 м ——Но = 80 м

!§, тыс.га

Но = 20м™Но = 40м—Но = 60м—-Но = 80м

отвала (Д0). Графики построены для условий, когда отвал имеет прямоугольную форм}/ с соотношением сторон 1:3, высота отвального яруса составляет 20 м, ширина террас - 30 м, угол откоса отвального яруса до и по.-, ,-0 * л0

еле выполаживания соответственно и 10 , мощность слоя потенциаль-яо-плодородных пород - 1м.

В табл. 1.2 приведены параметры внешних отвалов предприятий черной, цветной металлургии и угольной промышленности в странах бывшего СССР [63].

Таблица 1.2

Параметры внешних отвалов предприятий черной, цветной металлургии и угольной промышленности в странах бывшего СССР

Наименование параметров Черная Металлургия Цветная металлургия Угольная промышленность

Обитая площадь от-

валов, тыс. га 30,5 31,4 31,3

Средняя высота от-

вала, м 60 100 65

Средний угол отко-

са отвального яру-

са, град. 30 35 35

С учетом данных табл. 1.2 и условий, принятых для построения графиков на рис Л Л и рис Л. 2, объемы работ по выполажнванию откосов внешних отвалов и нанесению на их поверхность потенциально-гоюдородных пород по этим отраслям представлены в табя.1.3.

Таблица 1.3

Объемы работ по выпо лаживалию откосов внешних отвалов и нанесению на их поверхность потенциально-плодородных пород по предприятиям черной, цветной металлургии и угольной промышленности стран

бывшего СССР

Объемы работ Черная Металлургия Цветная металлургия Угольная промышленность

Выполаживанне откосов, млн.м" 47 86 52

Нанесение потенциально-плодородных пород, млн.м" ¿8 47 30

Всего: ■~7 — .О 133 82

предприятий черной, цветной металлургии и угольной промышленности составляет более 290 млн.м\

1.2. Анализ и оценка существующего опыта рекультивации откосов

Рекультивация нарушенных земель является неотъемлемой частью деятельности горнодобывающего предприятия. Основные требования по ее проведению закреплены в законодательных и нормативных документах Российской Федерации [ 12-22].

В настоящее время накоплен значительный практический опыт рекультивации территорий, нарушенных в результате ведения открытых горных работ, который базируется на исследованиях российских и зарубежных ученых.

Существующий опыт проведений горнотехнической и биологической рекультивации на карьерах и отвалах обобщен в работах Алейниковой Л.Г., Барсукова М.Й., Бурьшина С.И., Горлова В.Д., Забелиной Н.И., Заудальского И.И., Комарова А.В., Коваленко В.С., Колосова В.А., Кравченко О.П., Красавина А.П., Мельникова Н.В., Михайлова А.М., Моториной Л.В., ПанковаЯ.В., Полшцука А.К., Пучхо-ваЛ.А., Ревизенского В.М., Томакова П.И., ЭскинаВ.С. и др. [4, 11, 27-29, 35, 36, 40, 42- 44, 48, 49, 50, 52, 53, 55, 63, 68, 69, 76, 80-87]. В них приведены данные о размерах площадей, нарушенных открытыми горными работами, а также рассмотрены вопросы технологии, механизации и организации рекультивационных работ в странах бывшего СССР и за рубежом.

В работах Ржевского В В. [57, 58] исследован режим горных работ, определены рациональные пути решения проблем, связанных с комплексным использованием минерального сырья и охраной окружающей среды.

Алейниковой Л.Г. разработана методика обоснования режима технической рекультивации земель, нарушенных при открытой разработке горизонтальных и пологих угольных месторождений [1].

Обоснованию режима технической рекультивации территорий, нарушенных в результате разработки крутопадающнх и наклонных пластов угля, посвящены исследования Хон В.И. [75].

Рациональные схемы проведения рекультивационных работ при различных комплексах горнотранспортного и отвального оборудования предложены в работе Томакова ГШ. [67].

Исследования Овчинникова В. А. [48] посвящены горнотехнической рекультивации поверхности отвалов при бестранспортной технологии. В данной работе даются рекомендации по сокращению объемов планировки отвалов, сохранению и рациональному использованию почв и потешщалъ-но-шюдородных вскрышных пород.

Б трудах Русского И.И. [59-61] исследованы вопросы технологии и комплексной механизации при формировании и рекультивации отвалов, изложена методика обоснованна местоположений: отвалов с учетом ценности занимаемых земель и характера использования территорий отвалов после их рекультивации, приведены технологические схемы выполаживания откосов внешних отвалов.

Решению вопросов рекультивации с использованием средств гидромеханизации посвящены работы Бабеца А.М., Гальперина А.М., Дьяч-коваЮ.Н., Калашникова AT., Лутовинова А.Г., Симкина Б. А, Титовско-го ВН.. ФерстеневаВ., ШефаХ.-Ю. [2,7, 8, 37, 62, 66].

Анализ существующего опыта рекультивации земель, нарушенных открытыми горными работами, позволяет сделать вывод о том, что наиболее распространенной является технология рекультивации откосов, основанная на изменении их профиля. Реализация данной технологии на практике производится, как правило, путем последовательного выполнения следующих работ:

- выполаживания угла откоса, а при рекультивации высоких откосов и нарезки террас;

- нанесения на поверхность откоса потенциально-плодородных пород;

- посева трав и посадки кустарников.

Для въшолаш-шзшы откосов применяется как оборудование, занятое в основных технологических процессах, так и специальные виды оборудования. Наиболее широко для выполаживания используются гусеничные и колесные бульдозеры, которые независимо от способа механизации основных работ способны обеспечить любой угол откоса, как сплошной, так и террасной формы. В зависимости от технологии ведения основных горных работ для выполаживания могут применяться драглайны, которые также позволяют формировать террасные и сплошные откосы. При проведении

выполаживания с помощью одноковшовых погрузчиков возможно создавать террасные откосы с любым углом и сплошные откосы при угле до 20и. Формирование пологих сплошных или террасированных откосов с углом до 15и обеспечивает использование скреперов. В условиях, когда требуемый угол откоса невозможно обеспечить с помощью оборудования, занятого в основных техно�