Результат интеллектуальной деятельности: Способ проходки наклонных стволов и горизонтальных подземных выработок в условиях криолитозоны

Изобретение относится к горнодобывающей промышленности и создано преимущественно для разработки алмазосодержащих руд в условиях криолитозоны с использованием наклонных стволов и подземных выработок.

Известен буровзрывной способ проходки подземных выработок, включающий бурение врубовых, отбойных и оконтуривающих шпуров в забое и последующее их заряжание и взрывание (см. Шахтное и подземное строительство: Учебник для ВУЗ-ов. – М.: Изд-во Московского государственного горного университета. – Издание 3-е, переработанное и дополненное, том 3, 2003. – 732 с. – С. 210-234).

Недостатком известного решения является разрушение законтурного массива при взрыве оконтуривающих зарядов, которые могут спровоцировать вывалы горных пород в призабойное пространство и создадут опасную ситуацию при работе людей в призабойном пространстве подземной выработки.

Известен также способ проходки горизонтальных и наклонных выработок, стволов с помощью проходческого комбайна избирательного разрушения, включающего стреловидный исполнительный орган, снабженный фрезерной коронкой с резцовым режущим инструментом (см. Горная энциклопедия, Москва, Изд-во «Советская энциклопедия», 1989, том 4. – С. 267-268).

Недостатком данного способа является ограниченная область применения, преимущественно на угольных шахтах, так как при выполнении проходческих работ по крепким породам и разработке многолетнемерзлых пород криолитозоны редко возрастают не только износ шарошечных и фрезерных коронок, но и существенно увеличивается энергоемкость, следствием которых являются значительные трудозатраты.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ проведения наклонных и горизонтальных подземных выработок с применением комплекса проходческого оборудования (см. Горная энциклопедия, Москва, издательство «Советская энциклопедия», 1989, том 4. – С. 268 – 269), включающий механическое разрушение массива, погрузку и транспортирование горной массы, а также крепление выработок механизированным комплексом.

Недостатком данного способа является низкая эффективность проходки, вызванная использованием сложного комплекса оборудования при проходке подземных выработок, имеющего в своем составе технику для разрушения массива, погрузку и транспортирование горной массы, крепление забоя в совокупности оказывающих негативное влияние не только на состояние окружающего массива, но и санитарно-гигиенические нормы труда в призабойном пространстве. Более того, при разработке кимберлитовых руд с сохранением природных качеств ювелирных камней, применение данного способа влечет за собой разрушение алмазов крупного класса.

Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности проходки наклонных стволов и горизонтальных подземных выработок в условиях криолитозоны за счет устранения негативного влияния разрушающего органа проходческого оборудования в призабойной зоне.

Для решения поставленной задачи способ проходки наклонных стволов и горизонтальных подземных выработок в условиях криолитозоны, включающий применение безвзрывных технологий разрушения массива горных пород, избирательной их выемки, крепление выработок механизированным комплексом и транспортирование горной массы, отличается тем, что с целью повышения эффективности проходки наклонных стволов и горизонтальных подземных выработок в условиях криолитозоны за счет устранения негативного влияния разрушительного органа проходческого оборудования в призабойной зоне, стволы и подземные выработки проходят с использованием лазерной технологической установки, причем забой выработки обрабатывают лазерным лучом от его центра, то есть вначале создают цилиндрическое отверстие глубиной до 1 м, затем диаметр цилиндра постепенно расширяют, придавая ему коническую конфигурацию путем обработки лазерным лучом, образуя в плоскости забоя непрерывный процесс углубления и расширения воронкообразной полости до конечного контура плоскости забоя, а проходку выработки по кимберлитам с помощью лазерного луча осуществляют узкими разрезами, исключая образование механических напряжений в разрабатываемом массиве кимберлита и сохраняя целостность содержащихся в нем алмазов.

Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию «новизна».

В предлагаемом способе новыми признаками в сравнении с прототипом являются:

- применение лазерной технологической установки для проходки подземных выработок;

- применение нового комплекса выемочно-погрузочного оборудования, имеющего в своем составе лазерную технологическую установку;

- формирование воронкообразной конфигурации забоя в центральной его части, постоянно расширяющийся до конечного контура площади забоя в процессе выполнения горнопроходческих работ;

- обработка лазерным лучом кимберлитов узкими разрезами, а также формирование им же контуров площади забоя.

Все указания новые признаки исключают недостатки существующих способов проходки наклонных столов, горизонтальных подземных выработок и обеспечивают следующие усиленные положительные свойства:

- использование лазерной технологической установки для проходки подземных выработок обеспечивает эффективное выполнение безвзрывной подготовки горной массы при горно-подготовительных работах;

- применение нового комплекса выемочно-погрузочного оборудования с лазерной технологической установкой позволяет сохранить целостность законтурного массива в процессе проведения горных выработок;

- создание воронкообразной конструкции забоя и постоянное его расширение до конечного контура в процессе проходческих работ обеспечивает наилучший режим разрушаемого эффекта лазерного луча;

- лазерная обработка контуров выработки и разрушение кимберлита узкими разрезами сохраняет устойчивость законтурного массива и целостность кристаллов алмаза при выполнении горнопроходческих работ.

Заявленное техническое решение поясняется чертежами, где на фигуре 1 показана схема работы ЛТУ при проходке наклонного ствола в комплексе: погрузчик, ленточный питатель и автосамосвал на поверхности; фигуре 2 – схема работы ЛТУ при проходке горизонтальной подземной выработки комплексом в составе: погрузчик, ленточный конвейер, ленточный перегружатель, автосамосвал на поверхности; фигуре 3 – схема работы ЛТУ при проходке горизонтальной подземной выработки в составе: скребковый погрузчик, автосамосвал и на поверхности с перегрузкой горной массы из автосамосвала в автосамосвал; фигуре 4 – расчетная схема к определению объектов горных работ при отработке погребенной россыпи, где А – контур отработки погребенной россыпи традиционным открытым способом, Б – контур отработки погребенной россыпи заявленным способом.

Способ осуществляется следующим образом.

Проходку наклонного ствола 1 осуществляют с помощью ЛТУ 2, обрабатывающей плоскость забоя лазерным лучом 3 кругами от его центра до конечного контура 4 плоскости забоя (см. фиг. 1). Разрушенную в забое горную массу 5 погрузчик 6 транспортирует по наклонному стволу 1 до бункера 7, из которого ее выгружают в автосамосвалы 8, доставляющие горную массу к пункту назначения. Для проветривания призабойного пространства у устья наклонного ствола устанавливают вентилятор 9, который по вентиляционной трубе 10 закачивает свежий воздух в рабочую зону ЛТУ. Таким образом, по такой новой технологической схеме осуществляется проходка наклонного ствола с использованием лазерной технологии.

Другим вариантом реализации нового технического решения для проходки горизонтальной подземной выработки является проходческий комплекс с ЛТУ, имеющий в своем составе погрузчик, ленточный конвейер, ленточный перегружатель и автосамосвал на поверхности (см. фиг. 2). Горизонтальную подземную выработку проходят с применением ЛТУ 2 следующим образом. Разрушенную лазерным лучом 3 горную массу 5 погрузчиком 6 перегружают через загрузочное устройство 11 на ленточный конвейер 12, который по наклонному стволу 1 доставляет груз на поверхность. Затем с помощью погрузочного конвейера 13 горная масса загружается в автосамосвалы 8, которые доставляют ее до места назначения. Для проветривания призабойного пространства пробуривают вентиляционные скважины большого диаметра 14, через которые вентилятором 15 производится вынос загрязненного воздуха.

Следующим новым вариантным техническим решением является проходческий комплекс: ЛТУ, автосамосвал, применяемый на подземных горных работах (например, производства Могилевского завода) и бункер питатель (см. фиг. 3).

Проходку горизонтальной подземной выработки осуществляет с использованием ЛТУ 2 с погрузкой горной массы 5 породоуборочной машиной 16 в автосамосвалы 17, которые по наклонному стволу 1 доставляют до сборочного бункера 18, расположенного на дневной поверхности. Из сборочного бункера автосамосвалами 8 горная масса по мере необходимости вывозится на пункты назначения. Вентиляция призабойного пространства в процессе проходки подземной выработки осуществляют вентилятором 15 через вытяжные скважины 14.

Таким образом, реализация нового технического решения проходки подземных выработок выполнена для трех технологических схем с различными комплексами проходческого оборудования, но с обязательным присутствием ЛТУ. То есть, сущность и эффективность рекомендуемого технического решения раскрыты в результате сравнения технико-экономических показателей трех предложенных вариантов и выбора наилучшего из них по экономическому критерию.

Пример конкретной реализации заявленного технического решения.

Исходные данные для расчетов приняты следующие:

- глубина залегания погребенной россыпи, Н_р= 50 м;

- уклон наклонного ствола, α = 4°;

- стоимость лазерной технологической установки мощностью 10 кВт, С_лу = 300 тыс. долл.;

- ширина двухпутного автомобильного ствола, Ш_ст = 18,5 м;

- средняя высота ствола, h_ст = 4,5 м;

- длина горизонтальной подземной выработки L_пв = 70 м.

Расчеты выполнены в следующей последовательности.

1. Объемы работ по проходке подземных выработок:

- площадь поперечного сечения ствола S_ст,

- длина ствола L_ст,

- объемы работ по проходке наклонного ствола V_ст,

- объемы работ по проходке горизонтальной подземной выработки V_пв,

тогда

- суммарный объем подземных выработок V_п,

2. Расчет затрат на проходку подземных выработок с применением лазерной технологической установки.

Лазерная технологическая установка мощностью 10 кВт работает на электрическом приводе.

Ввиду отсутствия достаточной информации по лазерным технологиям и области их применения в горнодобывающей промышленности некоторые показатели в расчетах приняты по экспертным оценкам.

a). Затраты на проходку подземных выработок З_пв,

где З_ст – затраты на проходку наклонного ствола, долл.;

З_пв – затраты на проходку горизонтальной подземной выработки, долл.

где С_пв – стоимость разработки 1м³ горных пород подземным способом, долл./м³ (Спв=10,2 долл./м³, см. RU №2661769, опубл. 20.07.2018).

b). Затраты на приобретение горнотранспортного оборудования для разработки погребенной россыпи,

Комплекс 1: ЛТУ – погрузчик – бункерное хозяйство – автосамосвал;

Комплекс 2: ЛТУ – погрузчик – конвейерный подъемник – ленточный питатель – автосамосвал;

Комплекс 3: ЛТУ – породоуборочная машина – автосамосвал – автосамосвал.

Стоимостные показатели горнотранспортного оборудования:

ЛТУ = 300 тыс. долл.; погрузчик = 40 тыс. долл.; бункерное хозяйство = 10 тыс. долл.; автосамосвал = 120 тыс. долл.; породоуборочная машина = 50 тыс. долл.; конвейерный подъемник = 150 тыс. долл.; ленточный питатель = 10 тыс. долл.

Количество автосамосвалов во всех рассматриваемых вариантах преимущественно одинаковые, поэтому из расчетов они исключены.

Тогда, затраты на приобретение горнотранспортного оборудования для формирования перечисленных типов комплексов составит:

Комплекс 1:

Зпр1 = 300 + 40 +10 +120 = 470 тыс. долл.;

Комплекс 2:

Зпр2 = 300 + 40 + 150 +10 +120 = 620 тыс. долл.;

Комплекс 3:

Зпр3 = 300 + 50 + 120 + 120 = 590 тыс. долл.

Из выполненных расчетов следует, что наиболее выгодным вариантным решением при разработке погребенной россыпи является использование комплекса оборудования в составе ЛТУ – погрузчик – бункерное хозяйство – автосамосвал. Одновременно следует отметить, что при увеличении отработки погребенной россыпи ситуация может измениться.

Таким образом, для расчетов сравнительной оценки эффективности реализации рекомендуемого технического решения, в качестве традиционного варианта отработки погребенной россыпи, принят открытый способ.

А. Традиционная технология.

При открытой разработке погребенных россыпей требуется выполнение определенного объема вскрышных работ V_вск с отстройкой бортов карьера под традиционными углами, равными 55°. Контуры карьера в отработанном виде приведены на фиг. 4А. При размерах погребенной россыпи, равных 1000×500 м, мощности рудного тела 3 м, объемы горно-капитальной вскрыши V_вск и дополнительные объемы V_доп для создания нормальных рабочих площадок для отработки погребенной россыпи найдутся:

где m – мощность рудного тела, m = 3 м,

где Ш_рп – нормальная ширина рабочей площадки, Ш_рп = 60 м,

Отсюда, всего объемов производства вскрышных работ V_всг для выемки погребенных россыпей,

Итого затраты на отработку погребенной россыпи традиционным открытым способом З_ос составляет,

где С_ос – себестоимость разработки 1м3 горных пород открытым способом, долл./м3 (средняя себестоимость по АК «АЛРОСА», см. RU №2233982, опубл. 10.08.2004).

Б. Рекомендуемая технология (см. фиг. 4Б).

Затраты на отработку погребенной россыпи рекомендуемым способом З_рс составит:

где З_пс – затраты на отработку запасов погребенной россыпи подземным способом, долл.

Таким образом, ожидаемый экономический эффект от реализации нового технического решения Э будет равен,

В таблице приведены ожидаемые технико-экономические показатели от реализации нового технического решения. Из полученных результатов расчетов технико-экономической эффективности от реализации нового технического решения следует существенное улучшение основных показателей разработок. Ожидаемый экономический эффект по предварительным расчетам составил 55,4 млн. долл.

Дополнительный эффект будет обеспечен улучшением экологической ситуации в регионе ведения горных работ, которое по экспертным оценкам составляет от 2-х до 5-кратное снижение техногенного пресса на окружающую природную среду.

Таблица

Ожидаемые технико-экономические показатели от реализации нового технического решения