При разработке обводненных месторождений твердых полезных ископаемых горнодобывающие предприятия несут значительные затраты на: приобретение и поддержание оборудования для водоотлива; непосредственно водоотлив; возведение и эксплуатацию гидротехнических сооружений, нарушая большие площади земель, необходимые для размещения гидротехнических сооружений.

В целях сокращения затрат предлагается вести горные работы из-под воды, исключая процессы водоотлива и затапливая карьерное поле. Для отработки затопленного карьерного поля предлагаются технологические схемы разработки одним уступом экскаватором на понтоне [3].

Высота уступа при работе гидравлических экскаваторов определяется графическим методом с учетом траектории движения ковша [4, п. 50]. В отличие от гидравлических экскаваторов, работающих на твердом основании, высота уступа гидравлического экскаватора, установленного на понтоне, должна быть меньше на величину колебания уровня воды в карьере.

Для определения оптимальной высоты уступа (верхнего подуступа) и шага передвижки экскаватора, при которых достигается минимальное количество передвижек и максимальный объем выемки горных пород с одного места стояния, была принята возможная зона выемки экскаваторов согласно техническому паспорту оборудования. В качестве примера были взяты экскаваторы Liebherr P996 Aqua Digger, Liebherr R 982 LC, Aqua Digger Demag H185S и Liebherr P995 [1; 2; 5].

Оптимальная высота уступа и шаг передвижки, при которых достигается максимальная площадь выемки с одного места стояния, для вышеперечисленных экскаваторов указаны в таблице 1.

Таблица 1. Технологические параметры схемы отработки уступа (верхнего подуступа)

Минимальная глубина в забое экскаватора:

(1)

где d_max – максимальный диаметр валунов (негабаритов) на затопленной площадке, м; 0,5 – минимальный зазор для безопасного передвижения экскаватора на понтоне.

Минимальная высота подтопленной части уступа:

(2)

где То – глубина осадки понтона, м.

Рассмотрим более детально технологическую схему отработки уступа (подуступа), показанную на рисунке 1.

Величина максимального шага передвижки экскаватора в зависимости от высоты уступа показана в таблице 2.

Таблица 2. Изменение максимального шага передвижки экскаватора в зависимости от высоты уступа

При работе экскаватора на максимальную глубину черпания имеют место межшаговые потери на нижнем подуступе, в виде треугольника с вогнутыми сторонами (рис. 1, более подробно межшаговый целик показан на рис. 2, 3). На площадь поперечного сечения межшагового целика влияет величина шага передвижки понтонного экскаватора и глубины черпания экскаватора.

Площадь поперечного сечения межшагового целика:

(3)

где SΔ – площадь треугольника потерь, м2.

Рис. 1. Схема отработки верхнего подуступа (на примере экскаватора Liebherr P996 Aqua Digger): Hy – высота уступа, м; Нч.max – максимальная высота черпания, м; Нг.max – максимальная глубина черпания, м; Нп – высота подтопленной части уступа, м; Тн – высота надводной части понтона, м; T – высота понтона, м; hп – высота межшагового целика, м; hс – высота крепления стрелы экскаватора от понтона, м; аш.э. – шаг передвижки экскаватора, м

(4)

Высота межшагового целика (рис. 3):

(5)

где p, λ – эмпирические коэффициенты, зависящие от модели экскаватора (табл. 3).

Рис. 2. Межшаговый целик: S1 – площадь первого сегмента, м2; S2 – площадь второго сегмента, м2; r, R – радиусы первого и второго сегментов, м; b, c – длина хорды первого и второго сегментов, м; a1, а2 – длина проекции хорд на горизонтальное основание, м

Рис. 3. Изменения высоты целика межшаговых потерь

Таблица 3. Эмпирические коэффициенты, зависящие от модели экскаватора

(6)

(7)

где γ1, γ 2 – угол первого и второго секторов (образующих сегменты с радиусами r и R), град.

(8)

(9)

Для определения длины проекции хорды на горизонтальное основание необходимо решить систему уравнений:

(10)

Преобразовав систему уравнений, получим:

(11)

Далее, подставив данные, решаем квадратичное уравнение, где меньший из получившихся х1 и х2 будет равен а1.

 (12)

Для исключения потерь высота уступа должна отвечать условию:

(13)

Также площадь межшагового целика можно уменьшить за счёт уменьшения глубины черпания (рис. 4).

Рис. 4. Уменьшение межшагового целика: Δ – величина уменьшения глубины черпания, м; Sц – площадь сокращения потерь, м2; Sпр, Sлв – площади сегментов горного массива, м2

При уменьшении глубины черпания площадь межшагового целика определится:

(14)

Общая площадь целика горной массы ниже принятого уровня черпания:

(15)

где Sг – общая площадь целика горной массы принятого уровня черпания, м2.

(16)

Площади сегментов горного массива:

 (17)

(18)

Объем выемки горных пород с одного места стояния экскаватора при работе одним уступом:

(19)

При уменьшении глубины черпания объем выемки горных пород с одного места стояния экскаватора:

(20)

где L – длина кромки забоя в плане на расстоянии, равном половине шага передвижки, м (рис. 5).

(21)

где α – угол поворота экскаватора в заходке при ее отработке, град; Rз – расстояние от оси экскаватора до середины отрабатываемой заходки.

(22)

где Rч.max – максимальный радиус черпания экскаватора, м.

Объем потерь:

(23)

Максимальный шаг передвижки при оптимальной высоте уступов (табл. 1) составил: Liebherr P996 Aqua Digger аш.э.=18 м, Liebherr R 982 LC аш.э.=10 м, Aqua Digger Demag H185S аш.э.=20,6 м и Liebherr P995 аш.э.=13,6 м.

Рис. 5. Вид заходки экскаватора на понтоне в плане

Например, для экскаватора Liebherr P996 Aqua Digger при отработке месторождения одним уступом высотой 22,9 м и высоте подтопленной части 19,4 м шаг передвижки составит 18 м, отсюда площадь межшагового целика 24,5 м2 и высота целика 4,6 м. Тем самым, чтобы исключить потери высота уступа, должно выполняться условие Ну≤ 18,3 м. Также при максимальном радиусе черпания 27,5 м и угле поворота экскаватора 110 градусов Rз=18,5 м, L=35,5 м и объем, вынимаемый гидравлическим экскаватором с одного места стояния, составит 14633,1 м3, а потери 869,8 м3. При исключении потерь объем, вынимаемый гидравлическим экскаватором с одного места стояния, составит не более 11693,7 м3.

Таким образом, представленные технологические схемы позволяют вести отработку обводненных месторождений из-под воды, исключая процесс водоотлива или снижая его объемы при частичном затоплении карьерного поля.

Рецензенты:

Гилёв А.В., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Горные машины и комплексы», Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирский федеральный университет» Институт горного дела, геологии и геотехнологий, г. Красноярск.

Анушенков А.Н., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Подземная разработка месторождений», Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирский федеральный университет» Институт горного дела, геологии и геотехнологий, г. Красноярск.