Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ГИДРОМЕХАНИЗИРОВАННОЙ ПЕРЕУКЛАДКИ ПОРОД

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при открытой разработке месторождений полезных ископаемых, для разработки вскрышных пород, гидроотвалов, хвосто-, шламо-, золохранилищ.

Известно, что наиболее эффективно угледобыча осуществляется на разрезах, которые ведут разработку месторождений открытым способом, обеспечивая максимум безопасности и эффективности. При этом целесообразно осуществить ввод в эксплуатацию тех участков угольных месторождений, которые расположены в непосредственной близости от действующих разрезов, где отработка запасов угля завершается, но создана современная техническая база, способная обеспечить устойчивую работу предприятия.

Препятствием для реализации этого направления развития угледобычи достаточно часто является наличие гидроотвалов. Сравнительно недавно породы, которые там намыты, стали переукладывать в другое место, столкнувшись при их разработке с возникновением оползней и выпоров неконсолидированных пород, приводивших к выходу из строя оборудования.

Учитывая реальную возможность в ближайшей перспективе возникновения необходимости переукладки четвертичных вскрышных пород уложенных в гидроотвалы на других объектах угледобычи, как с целью расконсервации запасов, так и при их рекультивации, требуется разработка эффективной и безопасной технологии реализации этого направления для всей горнодобывающей промышленности.

Известен способ гидромеханизированной разработки месторождений (И.М. Ялтанец, С.А. Иванов, Вопросы организации разработки месторождений с погружными грунтовыми насосами, 2005), включающий применение земснаряда с погружным грунтовым насосом и гидромониторный размыв, при этом гидромониторы могут быть установлены на берегу или носовой части корпуса плавучего землесосного снаряда. Недостатки известного способа: гидромониторный размыв наряду с бульдозерным и взрывным рыхлением породы рекомендуется только для понижения высоты надводной части уступа (менее 4-12 м. в зависимости от типа земснаряда), а не как источник водоснабжения земснаряда, который обеспечивает его работу предварительно насыщенной породой гидросмесью.

Известен также способ гидромониторно-землесосной разработки (а.с. 1742479, МПК Е21С 41/00, 45/00, опубл.23.06.92, бюл. №23), принятый за прототип, включающий размыв породы гидромонитором в забое, самотечный гидротранспорт гидросмеси по пульповодным канавам и напорный гидротранспорт в гидроотвал гидросмеси с повышенной концентрацией твердого. Недостатки известного способа, принятого за прототип: низкая эффективность горных работ по переукладке пород гидроотвалов по причине того, что гидромонитор и водяной насос не реализуют свою производительность в полной мере (в силу того, что часто простаивают) для выполнения дополнительных предупредительных и внеплановых ремонтов. Это происходит потому, что в способе, принятом за прототип, повышение концентрации твердого в гидросмеси достигается за счет организации внутреннего цикла водоснабжения в забое, что в свою очередь приводит к тому, что водяной насос, осуществляющий забор воды из поверхностного слоя зумпфа, выполняет подачу недостаточно осветленной гидросмеси непосредственно в забой на гидромонитор. Указанное обстоятельство приводит к тому, что гидромонитор и водяной насос функционируют на абразивной жидкости, к использованию которой не предназначены. Это приводит к ускоренному износу насадки гидромонитора и рабочего колеса водяного насоса и, как следствие, к более частым простоям для выполнения планово-предупредительных и внеплановых ремонтов. Стоит отметить, что простои оборудования являются особенно значимым фактором снижения эффективности способа в силу сезонности применения гидромеханизации на карьерах.

Кроме того, способ, принятый за прототип, является недостаточно безопасным. Указанный недостаток заключается в том, что применение гидромонитора для размыва неконсолидированных пород гидроотвала является опасным по причине возможности образования оползней или выпоров и, как следствие, возникновения аварий и выхода из строя оборудования.

Технический результат заявляемого способа - повышение эффективности и безопасности горных работ при переукладке пород гидроотвалов.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе гидромеханизированной переукладки пород, включающем, размыв породы в забое гидромонитором, самотечный гидротранспорт гидросмеси по пульповодной канаве и напорный гидротранспорт гидросмеси с повышенной концентрацией твердого в гидроотвал, согласно заявляемому способу, повышение концентрации гидросмеси осуществляют поэтапно, для этого сначала с помощью гидромонитора, работающего на технически чистой воде, производят размыв верхнего уступа, затем осуществляют самотечный гидротранспорт гидросмеси по пульповодной канаве в забой земснаряда, который осуществляет разработку нижележащих обводненных неконсолидированных глинистых пород и дополнительно увеличивает концентрацию пульпы, при этом параметры процессов гидромониторной и земснарядной разработки пород определяют из системы уравнений:

где Q_тг - производительность гидромонитора по породе, м³/ч;

Q_тз - производительность земснаряда по породе, м³/ч;

Q_г∑ - производительность грунтового насоса земснаряда по гидросмеси, м³/ч;

q_з - удельный расход воды при разработке пород земснарядом, м³/м³;

q_г - удельный расход воды при гидромониторном размыве, м³/м³;

m - пористость породы, в долях единицы.

Заявляемое техническое решение поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана общая схема гидроотвала в разрезе; на фиг. 2 показан план горных работ по переукладке гидроотвала №2 разреза «Черниговец».

Заявляемый способ осуществляют следующим образом. В гидроотвале при намыве гидросмеси четвертичных вскрышных пород сформированы три основные зоны: первая зона I, непосредственно у дамбы, с которой проводился намыв - зона песчано-супесчаных пород; за ней следуют соответственно вторая зона II - суглинистых пород и третья зона III - обводненных неконсолидированных глинистых пород [Гальперин, A.M. Освоение техногенных массивов на горных предприятиях / A.M. Гальперин, Ю.И. Кутепов, Ю.В. Кириченко, А.В. Киянец, А.В. Крючков, B.C. Круподеров, В.В. Мосейкин, В.П. Жариков, В.В. Семенов, X. Клапперих, Н. Тамашкович, X. Чешлок // М.: Издательство «Горная книга», 2012. - 336 с. ил. (Охрана окружающей среды).] (см. фиг. 1).

Каждую зону гидроотвала в целях обеспечения безопасности ведения горных работ разрабатывают соответствующими техническими средствами: обводненные неконсолидированные глинистые породы третьей зоны - землесосным снарядом (далее - земснарядом) 1 (фиг. 1); консолидированные суглинистые породы второй зоны и песчано-супесчаные породы первой зоны, включая породы дамбы обвалования 2 (фиг. 1, 2) - размывом струей гидромонитора 3 (фиг. 1).

При этом безопасность ведения горных работ обеспечивается за счет использования комплекса гидромеханизированных технологий, каждая из которых применяет технические средства, соответствующие физико-механическим свойствам пород разрабатываемых зон гидроотвала. Породы третьей зоны III обводненных неконсолидированных глинистых пород разрабатывают земснарядом 1 (см. фиг. 1). Для этого осуществляют строительство котлована, который заполняют водой и в него спускают земснаряд 1. Разработка землесосным снарядом обводненных неконсолидированных глинистых пород гидроотвала в третьей зоне обеспечивает безопасность работ.

После того, как в третьей зоне гидроотвала выработанное пространство 4 позволит обеспечить самотек пульпы от гидромонитора в забой земснаряда, производят размыв консолидированных пород второй зоны гидромонитором 3, который работает на технически чистой воде (фиг. 1). В этом случае гидросмесь по пульповодной канаве 5 с уклоном i (фиг. 1) перемещается самотеком в выработанное пространство 4 в забой земснаряда 1 (фиг. 1). Землесосным снарядом 1, разрабатывая нижележащие обводненные неконсолидированные глинистые породы и используя вместо технически чистой воды гидросмесь из гидромониторного забоя, осуществляют дополнительное повышение концентрации пульпы, которую он (земснаряд) транспортирует к месту складирования, сначала по плавучему пульповоду 6 (фиг. 1), а затем по магистральному пульповоду 7 (фиг. 2) в новый гидроотвал. Такая последовательность и сочетание гидромеханизированных технологий исключает возможность возникновения аварии и выхода из строя оборудования при оползнях или выпорах, которые образуются в результате размыва гидромониторами неконсолидированной части пород гидроотвала.

Параметры процессов гидромониторной и земснарядной разработки пород, обеспечивающие их баланс и устойчивую работу оборудования определяют из системы уравнений:

где Q_тг - производительность гидромонитора по породе, м³/ч;

Q_тз - производительность земснаряда по породе, м³/ч;

Q_г∑ - производительность грунтового насоса земснаряда по гидросмеси, м³/ч;

q_з - удельный расход воды при разработке пород земснарядом, м³/м³;

q_г - удельный расход воды при гидромониторном размыве, м³/м³;

m - пористость породы, в долях единицы.

Использование формул необходимо для воспроизведения изобретения, т.е. на стадии проектирования способа гидромеханизированной переукладки пород требуется определить соотношение параметров основных процессов гидромониторной и земснарядной разработки пород, которые обеспечивают баланс и устойчивую работу оборудования гидрокомплекса, а также осуществить выбор оборудования.

Дальнейший расчет параметров процессов, таких как: суммарную производительность гидрокомплекса по породе Q_г∑, производительность земснаряда по породе Q_тз, расход и напор технически чистой воды для гидромонитора, удельный расход воды при совместной разработке породы гидромонитором и земснарядом и т.п., которые необходимы при выполнении проекта ведения горных работ, а также выбор оборудования и значений величин удельных расходов воды в зависимости от горнотехнических условий работы производят по хорошо известным специалистам методикам [Ялтанец И.М. Технология и комплексная механизация открытых горных работ. Часть 1-3. Гидромеханизированные и подводные горные работы: Учебник для вузов. - М.: Издательство «Мир горной книги», 2009. - Книга 1: Разработка пород гидромониторами и землесосными снарядами. - 546 с.; Типовые технологические схемы ведения горных работ на угольных разрезах. - М.: Недра, 1982. - 405 с.; Шелоганов В.И., Кононенко Е.А. Насосные установки гидромеханизации. М., МГТУ, 1999. - 81 с.].

В результате гидросмесь пород переукладываемого гидроотвала перемещают по трубопроводу и укладывают в новый гидроотвал, обеспечивая доступ к георесурсам.

Пример конкретного выполнения способа.

Для иллюстрации примера конкретного выполнения заявляемого способа использованы горнотехнические условия гидроотвала №2 одного из перспективных объектов Кузбасса. Для обеспечения доступа к отработке открытым способом угольных пластов, которые залегают под гидроотвалом №2, реализуется предлагаемый способ гидромеханизированной переукладки намытых там четвертичных вскрышных пород на новое место - в гидроотвал №1 (фиг.2). Общий объем переукладываемых пород составляет порядка 30 млн. м³, в т.ч. объем обводненных неконсолидированных глинистых пород третьей зоны - не менее половины.

Расстояние транспортирования гидросмеси от переукладываемого гидроотвала до нового места укладки изменяется от 4,5 км до 5,8 км.

На стадии проектирования принят земснаряд 1 (фрезерный, со свайным ходом, ДФС 1900/58) (фиг. 2) производительностью по пульпе 1900 м³/ч.

Когда известна производительность грунтового насоса земснаряда по гидросмеси Qг∑, решая систему уравнений относительно величины производительности гидромониторного размыва по твердому - основного параметра процесса размыва пород гидромонитором, получим формулу для ее расчета:

Формула (2) позволяет, при воспроизведении заявляемого способа переукладки пород гидроотвала, определить производительность гидромониторного размыва, которая соответствует производительности грунтового насоса, установленного на земснаряде 1, и учитывает горнотехнические условия работы, обеспечивая устойчивую работу оборудования всего комплекса.

Далее, с целью обеспечения безопасности ведения горных работ для разработки обводненных неконсолидированных глинистых пород третьей зоны, вводят земснаряд 1.

Геодезическая высота подъема гидросмеси - 56,0 м (отметки пляжа места укладки гидроотвала №1 +262,0 м и зеркала воды гидроотвала №2 +206,0 м) и расстояние транспортирования гидросмеси по магистральному пульповоду 7 (фиг. 2) на расстояние 4,5 км потребовали организации перекачивающей землесосной станции 8 (фиг. 2). Она оснащена двумя параллельно работающими грунтовыми насосами Гру2000/63. После отработки земснарядом 1 обводненных неконсолидированных глинистых пород третьей зоны, когда глубина горных выработок в ней позволит обеспечить самотек гидросмеси от гидромонитора к земснаряду, вводят гидромониторный размыв суглинистых пород второй зоны. При этом осветленную технически чистую воду из гидроотвала №1 насосной станцией 9 (фиг. 2), оснащенной двумя параллельно работающими насосами Д 2000-100, по водоводу 10 (см. фиг. 2) подают к гидромонитору 3 (см. фиг. 1). В результате размыва породы гидросмесь от гидромонитора 3 по пульповодной канаве 5 с уклоном i (фиг. 1) перемещается в выработанное пространство 4 в забой земснаряда 1 (фиг. 1). Земснаряд 1, используя вместо технически чистой воды гидросмесь из гидромониторного забоя, разрабатывает нижележащие обводненные неконсолидированные глинистые породы и осуществляет дополнительное повышение концентрации пульпы, которую транспортируют к месту складирования, сначала по плавучему пульповоду 6 (фиг. 1), а затем по магистральному пульповоду 7 (фиг. 2) в новый гидроотвал.

Известно, что при подводной разработке пород всасыванием удельный расход воды больше, чем при размыве струей гидромонитора, однако, с целью обеспечения безопасности ведения горных работ для разработки обводненных неконсолидированных глинистых пород третьей зоны, гидромониторно-землесосные комплексы не применяются.

Предлагаемый способ гидромеханизированной переукладки пород обеспечивает безопасность разработки обводненных неконсолидированных глинистых пород третьей зоны за счет использования для этого только земснаряда и поэтапно повышает концентрацию гидросмеси, транспортируемой на новый гидроотвал, что позволяет полностью реализовать заявленный технический результат.