Improvement of the methods for determining ore losses when designing cement raw material deposit mining by surface miner combines

Full Text

Введение

Сырьевой базой предприятия по производству цемента Беочин с годовой производительностью 1,6 млн т цемента являются месторождения карбонатных пород, отрабатываемые двумя карьерами с годовой производственной мощностью соответственно 0,9 и 1,4 млн т [1, 2]. Полезная толща горизонтальная, мощностью более 40 м [3].

В табл. 1 представлены основные показатели разработки месторождения цементного сырья Беочин карьерными комбайнами Surface Miner.

 

Таблица 1. Показатели разработки месторождения цементного сырья Беочин комбайнами послойного фрезерования SM [составлено авторами]

Table 1. Indicators of Beočin cement deposit development by surface miner combines [compiled by the authors]

Показатели/Indicators	Цементный завод Беочин (Сербия) Cement plant Beočin (Serbia)
Разрабатываемые породы Rocks to be mined	Известняк, мергель Limestone, marl
Предел прочности на одноосное сжатие/среднее, МПа Uniaxial compressive strength/average, MPa	25–75/50
Коэффициент крепости по М.М. Протодъяконову Strength coefficient by M.M. Protodyakonov	5–6
Типоразмер комбайна Combine type	2600 SM
Мощность фрезеруемого слоя, м Milling layer thickness, m	0,25
Скорость рабочего хода, м/мин Working speed, m/min	8
Производительность комбайна, т/ч Combine capacity, t/h	600
Расход резцов, шт./1000 т Cutter consumption, pcs./1000 tons	3
Расход дизельного топлива, л/ч Diesel fuel consumption, l/h	81

 

На предварительной стадии проектирования были рассмотрены следующие варианты технологий отработки:

1. Бульдозер-рыхлитель – пневмоколесный погрузчик – мобильный дробильный агрегат – забойный конвейер в контуре карьера, с дальнейшим перемещением минерального сырья конвейером по поверхности к месту переработки;
2. Буровзрывные работы – пневмоколесный погрузчик – транспортирование карьерными автосамосвалами – дробление на борту карьера, с дальнейшим перемещением минерального сырья конвейером по поверхности к месту переработки;
3. Комбайн послойного фрезерования 2600 SM (отделение горных пород от массива и дробление) – транспортирование карьерными автосамосвалами – перегрузка на борту карьера, с дальнейшим перемещением минерального сырья конвейером по поверхности к месту переработки.

Анализ технико-экономических показателей [4–7] для различных вариантов технологий отработки месторождения позволил установить, что при третьем варианте отработки месторождения карьером Беочин удельные затраты на добычу и переработку минерального сырья будут на 35–40 % ниже, чем при других вариантах.

По итогам анализа результатов работы карьерного комбайна Surface Miner для горнотехнических условий карьеров предприятия по производству цемента Беочин (Сербия) получены следующие выводы:

• Послойное фрезерование горных пород карьерным комбайном Surface Miner, по сравнению с подготовкой пород к выемке буровзрывным способом, обеспечивает уменьшение расхода горюче-смазочных материалов на предприятии более чем в 2 раза, уменьшение влажности добываемого полезного ископаемого и повышение энергетической эффективности цементного производства.
• Применение карьерного комбайна Surface Miner позволило отказаться от стадии крупного дробления.
• При работе карьерного комбайна Surface Miner происходит выравнивание поверхности рабочих площадок, что с повышением использования грузоподъемности карьерных автосамосвалов способствует увеличению наработки на отказ, продолжительности эксплуатации горнотранспортного оборудования.
• Достижение рационального фракционного состава разрабатываемых горных пород, с размером куска меньше 80 мм, позволило обосновать целесообразность внедрения на предприятии поточной технологии.

Обоснование рационального уровня потерь руды при разработке месторождений карьерными комбайнами Surface Miner 

При открытой разработке месторождений традиционно возникают потери минерального сырья в области контакта руды и вскрышных пород [8–11].

Увеличение потерь (η) приводит к уменьшению разубоживания (ρ) в области контакта руды и вскрышных пород [12–16]. Взаимозависимость этих величин можно оценить через коэффициент R, характеризующий отношение содержаний полезного компонента в руде и вмещающих породах [17]:

$R=\frac{\left({\alpha }_0-b\right){\gamma }_{\text{р}}}{\left(\alpha -{\alpha }_0\right){\gamma }_{\text{в}}}$,

где α₀ – минимальное, экономически целесообразное содержание полезного компонента в руде, %; α – содержание полезного компонента в балансовых запасах руды, %; b – содержание полезного компонента во вмещающих породах породах, %;  – плотность руды, т/м³;  – плотность вмещающих пород, т/м³.

Технологические схемы отработки карьерными комбайнами Surface Miner применяются для горно-геологических условий месторождений, сложенных горизонтальными и наклонными рудными телами (пластами), без подготовки горных пород к выемке буровзрывным способом [18–20].

При реализации традиционной технологии ведения горных работ, после проведения буровзрывных работ, отработка запасов осуществляется с использованием гидравлических экскаваторов. Высота добычных уступов принимается равной 5 м, а на участках выклинивания с целью минимизации потерь возможна разбивка уступов на два подуступа. При отработке запасов маломощных (до 2,0 м) участков выклинивания негативным аспектом применения буровзрывной технологии является повышенное разубоживание, а также выход негабарита, требующего вторичного дробления.

При повышенных требованиях к качеству минерального сырья и необходимости снижения себестоимости, при ограниченности сырьевой базы, целесообразен переход на безвзрывную технологию фрезерования пластов полезного ископаемого.

Эффективное применение безвзрывной технологии послойного фрезерования для обеспечения минимизации потерь и разубоживания в условиях нечётких контактов руды и вмещающих пород невозможно без перманентно проводимой эксплуатационной разведки, геометрия сети которой сопоставима с технологическими параметрами работы горного комбайна: глубиной и шириной фрезерования [21]. Полученные расчётным путём оптимальные соотношения между потерями и разубоживанием, при горно-геологических условиях отсутствия четких визуальных границ рудных тел, возможны при обеспечении соответствия геометрии разведочных выработок частотной и амплитудной изменчивости отметок кровли и почвы рудных тел.

Частотная изменчивость требует дополнительного изучения по паспортам забоев горных выработок при последующих сопоставлениях материалов геологической разведки и эксплуатации. В противном случае полученные отношения потерь и разубоживания могут варьироваться так же, как и абсолютные значения этих показателей.

Анализ результатов исследований показывает, что полная зачистка запасов в углублениях почвы будет сопровождаться дополнительным разубоживанием – расчётная величина разубоживания повысится до 30 %.

При горно-геологических условиях отсутствия чётких разделительных границ между кондиционными рудами и вмещающими породами практически невозможно обеспечить точную зачистку пласта руды при работе карьерного комбайна Surface Miner.

На рис. 1 представлены технологические схемы образования потерь и разубоживания руды при отработке слабонаклонных залежей цементного сырья карьерным комбайном Surface Miner.

 

Рис. 1. Технологические схемы образования потерь и засорения полезного ископаемого при отработке слабонаклонных залежей фрезерным комбайном [27]

Fig. 1. Technological schemes of formation of losses and clogging of minerals during mining of slightly inclined deposits by surface miner combine [27]

 

Потери полезного ископаемого ∆Р и засорение ∆V происходят в основном при отработке зон контакта руда–порода.

Величина потерь и разубоживания руды может быть значительно уменьшена при отработке залежей цементного сырья карьерным комбайном Surface Miner [22–24].

Объемы потерь и засорения руды, м³/м [25, 26]

$\Delta P=\frac{{\left(h-2\right)}^2}{2}\left(\cot \beta -\cot \alpha \right)$,

$\Delta V=\frac{a^2}{2}\left(\cot \beta -\cot \alpha \right)$,

где h – высота добычного уступа, м; а – высота треугольника пород, примешиваемых к руде (а=h/2), м; α – угол откоса уступа, град.; β – угол падения пласта руды (рудного тела), град.

Исходные данные геологической разведки носят стохастический характер, и в случае неподтверждения данных разведочного бурения при вскрытии эксплуатационным забоем рудого пласта происходит снижение производительности горного комбайна, повышение расхода твёрдосплавных зубьев, снижение наработки на отказ и коэффициента технической готовности.

Потери и разубоживание на рудо-породных контактах представляют собой треугольники теряемой руды и примешиваемых вскрышных пород, образующиеся из-за несовпадения углов откосов уступов с углами падения залежи.

При работе карьерного комбайна Surface Miner, когда максимальная мощность отрабатываемого слоя составляет 0,6 м, величина потерь и разубоживания стремится к минимуму. Отрабатываемый контур близок по форме к гипсографии рельефа кровли и почвы рудных тел. Точность зачистки кровли пласта определяется объёмами и оперативностью данных, полученных при проведении эксплуатационной разведки.

От положения рабочего органа фрезерного комбайна относительно рудо-породного контакта (рис. 1), при несовпадении угла откоса уступа с углом падения контакта залежи, зависят объёмы потерь и разубоживания руды.

На рис. 1 представлены технологические схемы образования потерь и засорения полезного ископаемого при отработке наклонных залежей фрезерным комбайном для трех вариантов положения рабочего органа фрезерного комбайна относительно рудо-породного контакта.

При определении объёмов потерь полезного ископаемого на контакте руда–порода высота уступа для экскаватора принята 12 м, а для карьерного комбайна Surface Miner  – 0,4 м.

Для сравнительного анализа результатов применения при разработке месторождения экскаватора и карьерного комбайна Surface Miner принимается α=70° и α=90°, соответственно.

График зависимости потерь руды на контакте руда–порода от угла падения пласта руды (рудного тела) для горнотехнических условий отработки месторождения с использованием экскаватора и фрезерного комбайна представлен на рис. 2.

 

Рис. 2. График зависимости потерь руды на контакте руда–порода от угла падения пласта руды (рудного тела) для горнотехнических условий отработки месторождения с использованием экскаватора и карьерного комбайна Surface Miner [составлено авторами]

Fig. 2. Ore losses at the ore–rock contact as a function of the dip angle of the ore layer (ore body) for mining conditions of the deposit using excavator and surface miner combine [compiled by the authors]

 

Данные, представленные на рис. 2, позволяют сделать вывод, что потери руды при отработке месторождения с применением карьерного комбайна Surface Miner сокращаются на 10–15 % по сравнению потерями при использовании экскаватора.

График зависимости объёмов разубоживания руды на контакте руда–порода от угла падения пласта руды (рудного тела) для горнотехнических условий отработки месторождения с использованием экскаватора и карьерного комбайна Surface Miner представлен на рис. 3.

 

Рис. 3. График зависимости объёмов разубоживания руды на контакте руда–порода от угла падения пласта руды (рудного тела) для горнотехнических условий отработки месторождения с использованием экскаватора и карьерного комбайна Surface Miner [составлено авторами]

Fig. 3. Ore dilution at the ore–rock contact as a function of the dip angle of the ore layer (ore body) for mining conditions of the deposit using excavator and surface miner combine [compiled by the authors]

 

Высота треугольника вскрышных пород, включаемых в добываемое полезное ископаемое (а=h/2) принимается 6 м, а для карьерного комбайна Surface Miner – 0,2 м.

Данные, представленные на рис. 3, позволяют сделать вывод, что разубоживание руды при отработке месторождения с применением карьерного комбайна Surface Miner сокращается на 70–80 % по сравнению с разубоживанием с использованием на добыче экскаватора.

Заключение

Невозможность обеспечить при буровзрывной подготовке горных пород к выемке тонкослоевую отработку приводит к тому, что значительные по мощности пропластки с низким содержанием полезных компонентов или вмещающие вскрышные породы включаются в рудную толщу. Одновременно при добыче руды выемка без потерь качества невозможна, в результате извлекаемые пласты горной массы относятся к некондиционным. Решение этой проблемы в значительной степени может обеспечить безвзрывная технология послойного фрезерования горных пород с использованием различных видов карьерного транспорта и селективной отработки руды.

Уровень потерь и разубоживания зависит от соответствия выбранных систем разработки особенностям геологического строения рудных тел.

Повышение экономической эффективности от применения рациональной технологии отработки месторождения достигается при применении карьерного комбайна Surface Miner за счёт уменьшения потерь руды, себестоимости добычи и удельных эксплуатационных затрат на транспортирование горных пород, по сравнению с традиционной технологией горных работ, на 50–60 %.

Возможность получения оперативной геологической информации при отработке месторождения наряду с проектируемым изменением направления фронта горных работ карьерного комбайна Surface Miner по пласту руды, регулировка глубины заглубления барабана фрезерного комбайна обеспечивают снижение потерь и разубоживания руды, оптимальные условия для проведения селективной выемки и первичного усреднения руды.

Определение оптимальных потерь полезных ископаемых следует проводить с учётом горно-геологических и горнотехнических условий сложноструктурных месторождений, разработанных технологических схем отработки рудно-породных контактов, показателей извлечения полезных ископаемых из недр, обеспечивающих повышение экономической эффективности и достоверности проектных решений.

About the authors

Sergey I. Fomin

Saint Petersburg Mining University

Author for correspondence.
Email: fominsi@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-0939-1189

Dr. Sc., Professor

Russian Federation, Saint Petersburg

Alexa Ljeljen

Saint Petersburg Mining University

Email: s215134@stud.spmi.ru
ORCID iD: 0000-0003-1358-1142

Postgraduate Student

Russian Federation, Saint Petersburg

References

Supplementary files