Общая характеристика технологических процессов

Под производственным процессом на любом предприятии понимают процесс превращения сырья и материалов в готовую продукцию при взаимодействии человека с предметами и орудиями труда.

Особенность горных предприятий состоит в том, что сырьем является массив горных работ, а конечной продукцией – различные виды полезных ископаемых. При этом используются горюче-смазочные, взрывчатые и другие материалы.

Производственный процесс на карьерах можно разделить на связанные между собой технологические процессы, в ходе которых разрабатываемые горные породы изменяют свое агрегатное состояние и местоположение. Их условно подразделяют на основные и вспомогательные. Под основными понимают технологические процессы, выполняемые в определенной последовательности, в ходе которых добывают полезные ископаемые и удаляют вскрышные породы (вскрышу). К ним относят: подготовку горных пород к выемке, выемочно-погрузочные работы, перемещение (транспортирование) горной массы, складирование (отвалообразование) пустых пород и разгрузку или складирование полезных ископаемых. В ряде случаев в состав основных процессов могут войти также первичное обогащение или переработка полезного ископаемого.

По данным проф. В. С. Хохрякова, удельные затраты по отдельным процессам при разработке полускальных и скальных пород следующие: подготовка к выемке – 13–28 %, выемка и погрузка – 16–25 %, транспортирование – 29–65 %, отвалообразование – 6–18 %.

Для успешного выполнения основных процессов на горных предприятиях организуют специальные службы и выполняют ряд вспомогательных процессов: электроснабжение, водоотлив, вентиляцию, ремонты оборудования, перемещение транспортных и энергосиловых коммуникаций, геологическое и маркшейдерское обслуживание, контроль качества продукции и др.

Все основные процессы на карьерах механизированы. Средства механизации выбирают в соответствии с характеристиками горных пород и оборудования, используемого в смежных процессах. Цепь взаимосвязанных машин и механизмов, обеспечивающих надежную и эффективную разработку и перемещение горных пород, называют комплексом карьерного оборудования.

Различают комплексы оборудования непрерывного, цикличного и комбинированного действия.

Механизацию и организацию работ на карьерах развивают на основе поточности, совмещения и независимости технологических процессов. Поточность достигается применением оборудования непрерывного действия и выполнением всех операций в строго установленной последовательности во времени и пространстве. Для совмещения процессов используют машины и механизмы комбинированного действия: буровзрывные комбайны, бурошнековые установки, выемочно-транспортные агрегаты и др. Независимость протекания смежных процессов обеспечивают за счет их опережения в пространстве и времени, применения оборудования с определенным резервом мощности, создания промежуточных складов (запаса взорванной горной массы, резервных отвальных участков и пр.)

Под надежностью работы комплекса горного оборудования понимают свойство выполнять заданные функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение требуемого промежутка времени. Безотказность – это способность сохранять работоспособность в течение некоторого времени. Вероятность безотказного функционирования комплекса равна произведению вероятностей безотказной работы составляющих его машин. Чем меньше элементов входит в состав комплекса и чем выше надежность работы каждого из них, тем выше его безотказность. Поэтому целесообразно формировать комплексы оборудования из минимального количества наиболее надежных машин и механизмов.

Контрольные вопросы и задания

Перечислите особенности открытых горных работ.

Сформулируйте достоинства и недостатки открытого способа разработки.

Дайте классификацию месторождений полезных ископаемых, разрабатываемых открытым способом, по форме, рельефу поверхности, строению, мощности, углу падения.

Охарактеризуйте особенности работы карьеров в районах с суровыми климатическими условиями.

Поясните, что называют уступом. Опишите элементы уступа.

Дайте характеристику элементов и параметров карьера: глубины, размеров по дну и верхнему контуру, углов откоса бортов.

Поясните, что понимают под капитальными вложениями и эксплуатационными затратами.

Приведите структуру себестоимости продукции по элементам затрат.

Расшифруйте понятия: стоимость продукции, прибыль, уровень рентабельности, приведенные затраты.

Укажите этапы и периоды открытой разработки по техническому назначению и организационно-экономическим признакам.

Охарактеризуйте коэффициенты вскрыши.

Сформулируйте особенности оконтуривания карьеров при разработке горизонтальных (пологих) и наклонных (крутопадающих) залежей.

Перечислите основные и вспомогательные технологические процессы.

3. Подготовка горных пород к выемке

3.1. Способы подготовки горных пород к выемке

Процесс подготовки пород к выемке является начальным в единой технологической цепи на карьерах. От него зависят производительность комплекса оборудования и технико-экономические показатели разработки месторождения. Он включает широкий перечень работ, направленных на изменение естественного состояния горных пород с целью создания благоприятных условий для успешного протекания последующих производственных процессов (выемка и погрузка, транспортирование, отвалообразование), обеспечения безопасности производства и выдачи сырья определенного качества.

Подготовка горных пород к выемке включает: осушение горных пород, вовлекаемых в разработку; предохранение их от промерзания; повышение устойчивости откосов уступов; разупрочнение, изменение агрегатного состояния породного массива (оттайка мерзлых пород); его разрушение (разрыхление) и другие виды воздействия.

Разработку мягких, сыпучих и выветрелых пород в их обычном состоянии ведут всеми видами погрузочного оборудования без предварительной подготовки к выемке.

Для выемки из массива плотных и наименее прочных полускальных пород используют машины с повышенными усилиями копания. Однако чаще всего необходимо механическое рыхление такого грунта тракторными агрегатами или взрывное разрушение его.

Скальные и полускальные породы нуждаются в предварительном разрушении, как правило, с использованием энергии взрыва.

При отрицательных температурах мягкие, сыпучие и рыхлые породы переходят в мерзлое (криогенное) состояние с резким увеличением прочностных характеристик. Поэтому их невозможно или нерационально разрабатывать без предварительной подготовки к выемке, включающей комплекс мер по защите от промерзания, оттаиванию, гидравлическому разупрочнению, взрывному или механическому разрушению.

Для предохранения массива от промерзания площадки и откосы уступов утепляют теплоизоляционными материалами: мхом, опилками, шлаком, минеральной ватой и др. С этой же целью применяют пенопласты, пенолед и замороженную водовоздушную пену, наносимые пеногенераторными установками, проводят вспашку и рыхление поверхностного слоя на глубину до 0,3–0,4 м, боронование – на глубину до 0,2 м, иногда глубокое (1,0–1,8 м и более) рыхление экскаваторами, что уменьшает в 2–3 раза промерзание пород.

Производят снегозадержание с периодическим дождеванием поверхности снега, улучшающим его теплоизоляционные свойства. Россыпные месторождения защищают от промерзания затоплением водой.

В районах с длительным периодом низких отрицательных температур ведут оттайку мерзлых пород паром, водой через забивные паро- и гидроиглы. Используют также поверхностный или глубинный электрообогрев. Поверхностный обогрев токами высокой частоты осуществляют через полосовые электроды в виде сеток из тонкой медной проволоки, укладываемые на откосы уступа. При глубинном электрообогреве переменным током промышленной частоты напряжением 12–380 В электроды размещают в полостях, пробуренных на глубину промерзания породы по квадратной или шахматной сетке на расстоянии 0,5–0,7 м один от другого. В результате нагрева такой породы и передачи тепла вышележащим слоям происходит их постепенное оттаивание снизу вверх. Расход электроэнергии при этом составляет до 70 МДж/м³. Использование усовершенствованных электроигл с напряжением 1–2 В и током 2 А снижает расход электроэнергии до 30 МДж/м³ [29].

В ряде случаев эффективен поверхностный пожог – сжигание слоя угля толщиной 0,2–0,35 м на поверхности слоя мерзлых пород. Расход топлива на 1 м³ породы составляет: дров – 0,11–0,17 м³, угля – 30–60 кг, торфа – 120–140 кг. [29].

Обводненность забоев и большая влажность пород усложняют функционирование выемочно-погрузочного и транспортного оборудования вследствие налипания, намерзания горной массы к транспортным сосудам и рабочим органам машин, снижения несущей способности грунта, проведения специальных мероприятий по защите токоприемников и электрооборудования от попадания влаги. Помимо предварительного осушения карьерного поля и защиты его от вод поверхностного стока (см. п. 2.6) может возникнуть необходимость в создании локальных систем осушения, например в дренировании горизонтальными скважинами, пробуренными в основании уступа. Возможно также использование электроосмоса – движения воды в грунтах под влиянием постоянного электрического тока, вызывающего осушение грунта в зоне положительного электрода и скопление воды у отрицательного. Для экранирования водотоков создают барражные завесы при помощи шпунтового ограждения, вливания в траншеи, щели или нагнетания через скважины цементных растворов и твердеющих составов.

При открытой разработке месторождений полезных ископаемых очень важно обеспечить устойчивость уступов и не допускать их деформаций в течение всего срока существования карьера. Основой специальной технологии управления состоянием массива является искусственное укрепление неустойчивых участков и упрочнение горных пород (табл. 3.1).

Искусственное укрепление во многих случаях предпочтительнее разноса бортов и дает значительный экономический эффект. Использование специальной технологии заоткоски уступов при погашении бортов карьеров экономически оправдано, начиная с глубины 10–20 м, т. е. практически со второго уступа от поверхности [30].

Таблица 3.1. Способы искусственного укрепления откосов (по В. В. Ржевскому)

Подготовку пород к выемке ведут следующими способами: механическими (исполнительными органами горных машин); гидравлическими (нагнетанием, насыщением водой, растворением); физическими (токами высокой и промышленной частоты, электромагнитным полем, высокотемпературной газовой струей и пр.); химическими; с использованием энергии взрыва; комбинированными. На выбор способа подготовки влияют: вид и свойства пород, мощность предприятия, требования к качеству добываемого сырья, а также климатические условия.

Гидравлические способы основаны на использовании энергии высоконапорных водяных струй (импульсных водометов), напорного или безнапорного водонасыщения.

Область применения физических и химических способов подготовки горных пород к выемке ограничена, чаще всего из-за отсутствия мобильных, экономичных установок, наличия жестких требований к свойствам разрушаемых пород (электропроводность, термобуримость и т. п.), большого расхода энергии, топлива, химических реагентов и вредного воздействия последних на окружающую среду. Эти способы нашли применение при вторичном дроблении некондиционных по размерам кусков породы (см. п. 3.13).

Наиболее универсально и эффективно взрывное разрушение – основной способ подготовки к выемке на месторождениях с полускальными и скальными породами. Если применение взрывчатых веществ нежелательно (при отделении блоков облицовочного камня) или недостаточно экономично, успешно используют механические способы подготовки пород к выемке.