Связь технологии горных работ и качества минерального сырья

Основные решения по технологии горных работ и структуре комплексной механизации оказывают существенное влияние на уровень качества добытого полезного ископаемого.

Уровень качества полезного ископаемого закладывается при оконтуривании карьерного поля. При снижении показателей кондиций увеличиваются главные параметры карьера, возрастает объем промышленных запасов полезного ископаемого в контуре карьера, становится меньше средний коэффициент вскрыши, удельные затраты на добычу полезного ископаемого будут меньше. Однако при этом снижается среднее качество добытого полезного ископаемого, что увеличивает затраты на переработку минерального сырья. При повышении показателей кондиций снижается объем промышленных запасов, возрастают затраты на добычу полезного ископаемого, но снижаются расходы по его переработке. Изменяется и общее количество продукта, получаемого при эксплуатации месторождения.

Выбор оптимального уровня качества полезного ископаемого производится на основе технико-экономического анализа по критерию получения большей прибыли по конечному продукту при разработке месторождения. Однако для обеспечения высокоэффективной и устойчивой работы карьера и перерабатывающего производства кондиции на полезное ископаемое поэтапно корректируют в увязке с режимом горных работ. Следовательно и качество минерального сырья изменяется по этапам разработки месторождения. Обычно стремятся на первом этапе разработки (10-15 лет) иметь увеличенное содержание металла в добываемой руде на 10-20% по сравнению со средним по месторождению.

Качество добываемого полезного ископаемого оказывает существенное влияние на экономические показатели добывающего и перерабатывающего предприятия. Поэтому для месторождений с изменяющимися показателями качества в пределах карьерного поля режим горных работ должен учитывать эти изменения. Оценка графиков режима горных работ по величине текущего коэффициента вскрыши в этих условиях не дает надежных результатов. С учетом ценности минерального сырья для этой цели возможно использовать показатель:

где Zи — извлекаемая ценность полезного ископаемого, руб/т;

Kт — текущий коэффициент вскрыши, м3/т.

При использовании этого показателя может быть эффективным первоочередное вовлечение в эксплуатацию участков залежи с повышенным коэффициентом вскрыши и высокой извлекаемой ценностью полезного ископаемого.

Порядок разработки месторождения и система вскрытия рабочих горизонтов должны выбираться с учетом обеспечения качества добываемого полезного ископаемого. Принятая система разработки и схема вскрытия должны обеспечить наиболее полное извлечение кондиционных запасов полезного ископаемого при соблюдении качественных показателей и нужного уровня их стабилизации.

При разработке наклонных и крутых залежей малой и средней мощности для снижения величины потерь и разубоживания полезного ископаемого рационально проводить разрезные траншеи по вмещающим породам со стороны висячего бока залежи. При разработке мощных наклонных и крутых залежей чаще разрезные траншеи проходят по залежи со стороны лежачего бока, что обеспечивает меньшие количественные и качественные потери полезного ископаемого. Однако при значительной изменчивости качественных показателей вкрест простирания залежи обеспечение требований качества минерального сырья может сделать рациональным другой порядок ведения горных работ.

Для Экибастузского угольного бассейна требования к качеству угля сводятся к обеспечению пропорциональной его отгрузки по группам углей (см. табл. 14.2). В разработке находятся три сближенных пласта 1,2,3 с мощностью соответственно 18-25, 30-43, 37-86 м. Средняя зольность пластов 1,2 составляет 34-38%, а пласта 3 — 48-49% (см. также 2.6), то есть должна быть организована добыча угля из всех пластов. Возможны три схемы разработки пластов (рис. 14.6): от почвы пласта 3 (схема а), от междупластья пластов 2 и 3, (схема б) и от кровли пласта 1 (схема в). Эти схемы обеспечивают разное количество добычных уступов в работе и соотношение добычи по пластам. При схеме а горные работы ведутся по продольной однобортовой системе разработки с отстройкой нерабочего борта, на котором стационарно могут быть размещены вскрывающие выработки. При схемах б и в двухбортовая продольная система разработки, а вскрытие рабочей зоны осуществляется скользящими съездами. Исследования схем показали, что эффективность их использования во многом определяется такими элементами залегания пластов, как мощность и угол падения. При разработке разведочных участков 1,2,3 (разрез «Северный») нужное соотношение добычи угля по пластам достигается при работе по схеме в до глубины 200 м. При большей глубине разреза рационален постепенный переход на схему б, а в последующем и схему а. Для южной группы разрезов, разрабатывающих участки 5,6,7 (разрезы «Богатырь» и «Восточный») наиболее приемлемой является схема а. Названные схемы были заложены в проекты разработки соответствующих карьерных полей Экибастузского бассейна и реализуются на практике.

Порядок развития горных работ оказывает существенное влияние на качество минерального сырья и стабильность показателей качества. На рис. 14.7 показаны варианты развития горных работ на карьере №1 ЦГОКа. По схеме а углубка ведется по лежачему боку залежи 2. При работе по схеме б углубка ведется одновременно по залежам 2 и 4. Оба варианта обеспечивают необходимые объемы добычи железной руды, однако в варианте б более равномерно ведется добыча руды по сортам и колебания качества руды находятся в допустимых пределах, что позволило рекомендовать этот вариант для использования.

При проектировании карьера должен быть установлен такой порядок развития горных работ в карьере, который обеспечивает не только количественное соотношение текущих объемов добываемого полезного ископаемого и вскрышных пород, но и способствует стабилизации качества полезного ископаемого в пределах длительных календарных сроков (этапов). Управление качеством полезного ископаемого внутри этапного контура основывается на частичном варьировании такими элементами системы разработки, как длина фронта добычных работ, скорость его подвигания, параметрами экскаваторных блоков, типы и параметры заходок.

При разработке мощных залежей полезного ископаемого с малой изменчивостью содержания извлекаемых компонентов принятая высота добычного уступа не оказывает существенного влияния на качество добытого минерального сырья. В этом случае высоту добычного уступа определяют с учетом технологических, технических и экономических факторов. Высота уступа при разработке горизонтальных и пологих залежей простого строения принимается равной мощности залежи или кратной ей.

При разработке сложноструктурных залежей высота добычного уступа должна определяться по условиям селективной выемки с учетом величины потерь и разубоживания полезного ископаемого. В этих условиях рациональная высота добычного уступа будет меньше, чем при разработке залежей простого строения. При малой высоте уступа лучше прослеживается конфигурация залежи, создаются благоприятные условия для селективной выемки полезного ископаемого, обеспечивается большая стабильность качества минерального сырья. Однако снижение высоты уступа приводит к удорожанию добычных работ за счет увеличения затрат на подготовку горных пород к выемке, удлинение транспортных коммуникаций. Рабочий борт карьера выполаживается, что влечет за собой увеличение текущего коэффициента вскрыши. Поэтому обоснование высоты уступа при разработке сложноструктурных залежей является важной технико-экономической задачей, при решении которой учитывается влияние качества добываемого минерального сырья на затраты перерабатывающего предприятия для получения готовой продукции.

Практика разработки сложноструктурных месторождений показала, что наиболее часто высота добычных уступов принимается в пределах 7-12 м. Меньшие значения высоты добычных уступов принимают при разработке ценных полезных ископаемых, когда требуется полное извлечение руды при минимальном ее разубоживании. При снижении высоты уступа происходит уменьшение величины потерь и разубоживания полезного ископаемого. При уменьшении высоты уступа с 15 до 5 м потери и разубоживание руды снижается в 1,5-2,5 раза. Для ориентировочных расчетов академик Ржевский В.В. приводит следующие зависимости коэффициента потерь Kп и коэффициента засорения полезного ископаемого Kз от высоты добычного уступа Hу.

Наиболее благоприятные условия для раздельной выемки в забое создаются при высоте забоя, не превышающей высоту черпания экскаватора. В этом случае ковш экскаватора достигает любой точки забоя и работа осуществляется без самообрушения забоя в плоскости черпания.

При разработке горизонтальных и пологих залежей высоты добычных и вскрышных уступов могут приниматься разными. При наклонных и крутопадающих залежах разная высота вскрышных и добычных уступов осложняет вскрытие горизонтов рабочей зоны, требует перенарезки уступов. Поэтому в большинстве случае высоту вскрышных уступов принимают равной высоте добычного уступа, за исключением верхних вскрышных уступов, находящихся вне зоны полезного ископаемого. Однако на некоторых рудных карьерах, разрабатывающих сложноструктурные залежи с использованием автотранспорта, горные работы ведут при переменной высоте уступов. Во вскрышной зоне карьера высота уступов принимается из условия возможной его отработки экскаватором, однако при входе уступа в рудную зону он разделяется по высоте на два уступа в два раза меньшей высоты. При выходе уступов из рудной зоны их сдваивают. Таким образом, создаются благоприятные условия для ведения добычных работ с минимальными потерями и разубоживанием руды и не снижаются показатели ведения вскрышных работ. При такой схеме работы карьера несколько усложняется ведение горных работ. Работа карьера с переменной высотой уступа принята на Блявинском, Зыряновском, Белогорском, Канском карьерах.

Длина фронта добычных работ влияет на формирование качества полезного ископаемого при добыче, и в первую очередь на степень усреднения минерального сырья. Увеличение длины фронта добычных работ благоприятно сказывается на процессе усреднения. Так, неравномерность качественного состава добываемой руды при увеличении протяженности фронта добычных работ с 2500 до 12000 м без изменения числа экскаваторов уменьшается с 3 до 0,8 %.

Ширина рабочей площадки на добычных уступах при разработке сложноструктурных залежей обычно увеличивается за счет включения резервной полосы подготовленных к разработке запасов. В рабочую площадку также могут включаться площадки для внутри-забойной сортировки, использования фронтальных забоев при раздельной выемке и т.д.

Управление качеством продукции карьеров в пределах установленного контура возможно изменением параметров блоков.

При изменении качества полезного ископаемого по простиранию залежи, залежь разбивается на отдельные блоки с включением в блок части залежи, имеющей в его пределах постоянное содержание. Регулирование качества достигается за счет очередности отработки блоков. При изменении качественных показателей вкрест простирания залежи, изменение низкочастотных колебаний качественных показателей на высокочастотные, а, следовательно, и улучшение условий усреднения качества, достигается за счет отработки залежи диагональными или поперечными экскаваторными блоками (рис. 14.8). Диагональные блоки приняты на Ждановском карьере комбината Печенганикель, поперечные — на Расвумчоррском карьере комбината Апатит.

Управление качеством полезного ископаемого за счет изменения параметров и порядка отработки блоков связано с некоторым увеличением количества готовых к выемке запасов полезного ископаемого. Это увеличение связано с искривлением фронта добычных работ при выборочной отработке блоков, увеличением средней ширины рабочих площадок при диагональных и поперечных экскаваторных блоках.

В настоящее время на добычных работах на карьерах наибольшее распространение получили экскаваторно-транспортно-разгрузочные комплексы оборудования (ЭТР). Выемочно-транспортноразгрузочные комплексы имеют меньшее распространение, так как физико-технические свойства большинства видов полезных ископаемых не позволяют использовать на выемочно-погрузочных работах экскаваторы непрерывного действия. Однако в благоприятных условиях такие комплексы используются достаточно эффективно.

Наиболее распространены экскаваторы — прямые механические лопаты. При разработке мощных залежей с малой изменчивостью качества полезного ископаемого и валовой выемкой выбор марки экскаватора производится в зависимости от производственной мощности карьера также, как и для вскрышных работ. При производстве селективной выемки и для упрощения процесса усреднения во многих случаях применяют экскаваторы с меньшей вместимостью ковша, чем на вскрышных работах. Исследования проф. Грачева Ф.Г. показывают, что с увеличением вместимости ковша механической лопаты растет и минимальная выемочная мощность раздельно извлекаемой залежи, повышается величина разубоживания при разработке сложных забоев. При использовании на добычных работах экскаваторов с меньшей вместимостью ковша увеличивается число экскаваторов. При этом изменчивость содержания полезных компонентов в отгружаемом полезном ископаемом уменьшается.

Аналогичная картина наблюдается и при использовании на добычных работах роторных экскаваторов. Так, для условий Экибастузского бассейна (комплекс ВЖР) при замене экскаваторов ЭРП-1250 на ЭРШР-5000 колебания помаршрутной зольности увеличиваются на 20-25%. Колебания же повагонной зольности во втором случае будут меньше. Увеличение колебаний помаршрутной зольности происходит за счет меньшего количества забоев. Применение роторных экскаваторов позволяет иметь более равномерную крупность отгружаемого угля, чем при погрузке мехлопатами. Крупность угля практически не превышает размера максимального куска (300 мм), в то же время как при погрузке угля мехлопатами ограничение по крупности часто не выдерживается.

Наиболее благоприятные условия для селективной выемки и усреднения полезного ископаемого создаются при использовании на добычных работах автомобильного транспорта. Он позволяет легко создавать обособленные грузопотоки различных типов и сортов полезного ископаемого. Маневренность автотранспорта облегчает производство раздельной выемки, позволяет эффективно работать на искривленном фронте работ. Малые порции полезного ископаемого, выдаваемые из забоев, облегчают усреднение. Поэтому, при разработке сложноструктурных месторождений, большой изменчивости содержания полезного компонента в недрах наиболее благоприятные условия для снижения количественных и качественных потерь полезного ископаемого, усреднения качественных показателей достигается при использовании ЭАР комплексов.

ЭЖР комплексы применяют при простой конфигурации залежи и мощных грузопотоках полезного ископаемого. Возможность раздельной выемки и организации обособленных грузопотоков по типам и сортам полезного ископаемого ограничены. Усреднение производится в складах, за счет переформирования составов. ЭЖР комплексы применяются на ряде угольных и железорудных карьеров.

ЭКР и BKP комплексы находят ограниченное применение из-за сложности разделения грузопотоков при селективной выемке. Они могут применяться при разработке залежей простого строения и малой изменчивости качественного состава полезного ископаемого. Примером является Коркинский разрез, когда уголь после погрузки мехлопатами доставляется конвейерным транспортом на обогатительную фабрику, где происходит его усреднение. На разрезе «Восточный» (Экибастузский бассейн) ведется валовая разработка угля роторными экскаваторами с погрузкой на конвейеры. Весь уголь доставляется на прикарьерный усреднительный склад и после усреднения отправляется потребителям.

При использовании добычных комплексов с комбинированным транспортом создаются благоприятные условия для управления качеством полезного ископаемого. В большинстве добычных комплексов с комбинированным транспортом перевозка полезного ископаемого из забоев осуществляется автосамосвалами, что дает преимущества при селективной выемке и межзабойном усреднении. В большинстве случаев перегрузочный пункт может быть использован для усреднения полезного ископаемого.