СНИЖЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО СТОКА И ПОДЗЕМНЫХ ВОД НА ГОРНЫЕ РАБОТЫ ПО ВСКРЫТИЮ НИЖНИХ ГОРИЗОНТОВ КАРЬЕРА

В.К. Слободянюк

Ю.Ю. Турчин

ГВУЗ «Криворожского национального университета»

г. Кривой Рог, Украина

Аннотация. Открытые горные работы зависят от климатических условий. В теории проектирования влияние климатических условий на разработку карьера в основном связывают с суровыми зимними условиями. Сейчас зависимость от климатических условий проявляется в риске затопления дна карьера ливневым поверхностным стоком.

Горные работы на дне карьера обеспечивают вскрытие и разработку новых рудных горизонтов. Для их производства на рудных карьерах применяют электрические механические экскаваторы. Объема ливневых осадков часто достаточно для затопления дна карьера. Сложившиеся условия требуют разработки новых технологических решений, обеспечивающих эффективное и безопасное производство горных работ на дне карьера.

В статье предложена комбинированная технологическая схема проходки траншеи с применением прямого механического и обратного гидравлического экскаваторов. Основной объём работ по строительству траншеи выполняет карьерная механическая лопата. Функцией гидравлического экскаватора является создание условий для производительной и безопасной эксплуатации механического экскаватора.

 Ключевые слова: вскрытие горизонта, способ проходки траншей, зависимость открытых горных работ от климатических условий.

Одной из особенностей открытых горных работ является их высокая зависимость от климатических условий. На технологию горных работ оказывают большое влияние атмосферные осадки, грозы, туман, высокие и низкие температуры окружающего воздуха. В теории горного дела в основном детально проанализирована работа карьера в условиях низких отрицательных температур и снежных заносов [1]. В условиях тропического климата работа карьера зависит  от интенсивности дождевых осадков [3]. В практике проектирования известны примеры, когда от открытого способа разработки отказывались именно из-за невозможности защитить карьер от атмосферных осадков.

В результате изменения климата, в последние годы в Украине возросло число стихийных метеорологических явлений, и в большинстве случаев они носят катастрофический характер [4]. Это негативно отображается на всех отраслях экономики страны, в том числе и горнодобывающей.

Наиболее распространённым на территории Украины стихийным метеорологическим явлением являются ливневые осадки, частота, интенсивность и длительность выпадения которых возросли в последние годы [4].

Объем поверхностного стока, попадающего в карьер, зависит от его геометрических размеров. Разработка крутопадающего месторождения характеризуется постоянным увеличением глубины карьера и его геометрических размеров по дневной поверхности. За 50 лет эксплуатации площади железорудных карьеров Кривбасса достигли 400-600 га.

В последние годы в глубоких железорудных карьерах зависимость открытых горных работ от климатических условий наиболее ярко проявляется при производстве работ в глубинной зоне карьера. Дно карьера аккумулирует сток подземных и поверхностных вод, что не позволяет производительно и безопасно эксплуатировать прямую механическую лопату на нижнем горизонте. Наибольшей сложностью характеризуется проходка въездной траншеи, которая сопряжена с понижением уровней депрессионной воронки. Поверхностным стоком может быть затоплена траншея и расположенный в ней экскаватор. Выход из строя экскаватора приведет к невозможности выполнения карьером запланированных объемов извлечения горной массы. Теория вскрытия месторождений не содержит эффективных рекомендаций по организации горных работ на дне карьера в условиях наличия подземных вод и поверхностного стока. Проектами на разработку месторождения рекомендовано прекращение горных работ и вывод оборудования с дна карьера в период выпадения ливневых осадков.

Целью работы является снижение зависимости открытых горных работ от климатических условий при углубке дна глубоких карьеров за счёт разработки и обоснования эффективных технологических схем проходки въездных траншей.

Удаление стока ливневых и подземных вод из карьерного пространства должно обеспечиваться средствами карьерного водоотлива, производительность которых обосновывается из условия откачки максимального суточного притока вод за 20 часов [5]. Практическим опытом доказана необходимость корректировки этих требований, так как применительно к глубоким карьерам требуемая производительность водоотлива получается слишком высокой. Расположение на дне карьера большого количества насосных агрегатов приведёт к консервации части рудной площади и уменьшению пространства для производства горных работ. Это является фактором, обуславливающим допущение ограниченного подтопления дна карьера. Допустимой считается такая высота подтопления, при которой электрооборудование экскаватора остаётся незатопленным.

В последние годы зафиксировано много случаев частичного или полного подтопления горнотранспортного оборудования, расположенного на дне карьера (рис.1). В соответствии с «Правилами охраны труда во время эксплуатации электрооборудования и электросетей на открытых горных работах» необходимо отключать электрифицированные машины в период выпадения ливневых грозовых осадков. Это исключает возможность перемещения экскаваторов во время грозы. Экскаватор остается в траншее и может быть затоплен.

Рис. 1. Зависимость открытых горных работ на дне карьера от климатических условий 

Объем въездной траншеи составляет около 60-70 тыс.м³, объем поверхностного стока в железорудном карьере достигает 100-250 тыс.м³ за ливень. Одним из известных способов попытаться уберечь экскаватор от подтопления является сооружение в забое  насыпи высотой 3-5 м. После заезда экскаватора на насыпь его отключают от электрического питания.

В условиях изменения климата Украины [4], выражающегося в увеличении числа случаев разового выпадения месячной нормы ливневых осадков (рис. 2), а также возрастании интенсивности ливней, описанные меры являются неэффективными. В результате подтопления дна карьера выведенными из строя оказываются экскаваторы и насосные агрегаты. Дальнейшая эксплуатация экскаваторов возможна только после полного осушения и ремонта его электрических частей.

Рис. 2. Статистика выпадения ливневых осадков Кривбасса

При разработке крутопадающих месторождений периодически происходит углубка дна карьера и увеличение его глубины. Работы по углубке карьера (вскрытие новых горизонтов) затрагивают депрессионную воронку подземных вод. Под влиянием горных работ депрессионная воронка понижается и расширяется, в движение приходят значительные объемы подземных вод. Штатным экскаватором на железорудных карьерах является прямая механическая лопата (ЭКГ). Данные экскаваторы малопригодны для работы в обводненных условиях. Чтобы избежать подтопления экскаватора подземными водами, строительство траншеи на дне карьера ведут слоями небольшой высоты (2-3м). После проходки каждого слоя экскаватор простаивает в ожидании уменьшения уровня подземных вод и после этого проходит следующий слой траншеи.

В таких условиях невозможно эффективно эксплуатировать прямой механический экскаватор. Для его эффективной работы высота забоя должна быть не менее 0,75 максимальной высоты черпания.

Для проходки траншеи в обводнённых условиях может быть использована обратная гидравлическая лопата. Однако в этом случае возрастают эксплуатационные затраты как на экскавацию, так и на буровзрывные работы. Для нормальной эксплуатации гидравлического экскаватора требуется более высокое качество дробления пород, чем для прямой механической лопаты.

Решение задачи эффективной проходки траншей при вскрытии обводнённых уступов требует кардинально нового подхода и не должно базироваться только на замене базовой выемочно-погрузочной машины, либо изменении параметров траншейного забоя. Авторами статьи разработаны технологические схемы на базе использования двух типов экскаваторов - прямой механической и обратной гидравлической лопат [2]. Задачей гидравлического экскаватора является создание условий для производительной эксплуатации прямой механической лопаты, которая выполняет основной объём работ по строительству траншеи.

Комбинированная технологическая схема проходки въездной траншеи с последовательным использованием прямых механических и обратных гидравлических лопат [2] предусматривает строительство гидравлическим экскаватором опережающей водопонижающей траншеи. Параметры гидравлического экскаватора позволяют обеспечить только  послойную проходку опережающей траншеи (рис. 3). Отработка второго и последующих слоёв выработки производится путём подрезки дна вышележащего слоя обратным ходом. С целью уменьшения объема горных работ, выполняемых обратной гидравлической лопатой, угол наклона подошвы слоев необходимо принимать максимально допустимым по условию перемещения экскаватора и транспортных средств. После осушения уступа к работе приступает механический экскаватор [2].

Рис. 3. Реализация последовательной технологической схемы

Предлагается такая организация работ по проходке траншеи, при которой основной объем горных работ выполняет прямая механическая лопата, производя выемку пород траншеи сплошным забоем на полную высоту уступа. Это приближает технические показатели работы экскаватора к показателям при отработке необводненного горизонта.

Была определена скорость углубки карьера, достигаемая при применении существующей (послойной) и разработанной (комбинированной) схем проходки траншеи. Для расчёта времени понижения депрессионной воронки подземных вод использовалось известное уравнение Тэйса-Джейкоба. Результаты расчетов сопоставлены с проходкой траншеи механической лопатой на полную высоту уступа в сухих условиях (рис. 4).

Рис. 4. Зависимость скорости углубки карьера от схемы проходки траншеи в обводнённых условиях

Анализ результатов моделирования показывает, что использование существующих (послойных) технологических схем проходки въездной траншеи прямой мехлопатой приводит к снижению скорости углубки дна карьера на 20 - 30%. Для глубоких карьеров наиболее целесообразным является применение разработанных последовательных комбинированных схем вскрытия уступа, обеспечивающих плановую разработку глубоких горизонтов.  По скорости строительства траншей в обводненных условиях комбинированная схема приближается к показателям прямой механической лопаты при работе в сухих условиях.

Библиографический список

1.  Арсентьев А. И. Разработка месторождений твердых полезных ископаемых открытым способом: учебник / А. И.Арсентьев. - СПб. гос. горн. ин-т (техн. ун-т). - СПб., 2010. – 115 с.

2.  АС 111446U Украины МПК E21С 41/26 (2006/01) Способ вскрытия рабочих горизонтов карьеров в сложных гидрогеологических условиях / Слободянюк В. К., Турчин Ю. Ю.; заявл. 10.04.2015; опубл. 25. 04. 2016.

3.  Доан Ван Тхань, Фомин С. И. Технология открытой разработки крутопадающих обводненных месторождений / Тхань Доан Ван, Фомин С. И. // Горный информационно-аналитический бюллетень – М.: ЗАО "Горная книга", 2014 – №12 – с. 64 – 67.

4.  П’яте національне повідомлення України з питань зміни клімату – К., 2009 – 282 с.

5.  Руководство по дренированию карьерных полей. Разделы I и II / В. А. Мироненко, Г. Л. Фисенко, И. Е. Жернов и др. – Л.: Изд-во ВНИМИ, 1968. – 171 с.