Наукове обґрунтування технології відкритої розробки розсипних титано-цирконієвих родовищ України

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний технічний університет України

«Київський політехнічний інститут»

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

05.15.03 - відкрита розробка родовищ корисних копалин

НАУКОВЕ ОБҐРУНТУВАННЯ ТЕХНОЛОГІЇ ВІДКРИТОЇ РОЗРОБКИ РОЗСИПНИХ ТИТАНО-ЦИРКОНІЄВИХ РОДОВИЩ УКРАЇНИ

Собко Борис Юхимович

Київ - 2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Навчально-науковому центрі гірничих інформаційних технологій Національного гірничого університету (м.Дніпропетровськ), Міністерство освіти і науки України.

Науковий консультант:

доктор технічних наук, старший науковий співробітник Зберовський Олександр Владиславович, Дніпродзержинський державний технічний університет, завідувач кафедри екології та охорони навколишнього середовища.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Воробйов Віктор Данилович, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут», професор кафедри інженерної екології;

доктор техн. наук, старший науковий співробітник Четверик Михайло Сергійович, Інститут геотехнічної механіки ім. М.С.Полякова НАН України; завідувач відділом геомеханічних основ технології відкритої розробки родовищ;

доктор техн. наук, професор Ніколашин Юрій Михайлович, Криворізький технічний університет, професор кафедри відкритих гірничих робіт.

Захист дисертації відбудеться 29.04. 2010 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.002.22 в Національному технічному університеті України «Київський політехнічний інститут» за адресою: 03056, м. Київ, вул.Борщагівська, 115/3, ауд. 701.

З дисертацією можна ознайомитися у науково-технічній бібліотеці Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут» за адресою: 03056, м. Київ, просп. Перемоги, 37.

Автореферат розісланий 25.03.2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

доктор техн. наук, професор І.А. Лучко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Розсипні родовища являються основною сировинною базою для видобутку золота, титану, циркону, дистену, ставроліту, бурштину та багатьох інших рідких розсіяних елементів і мінералів. Мінерально-сировинна база титано-цирконієвих руд в Україні найбільш потужна серед групи кольорових та рідких мінералів. По кількості запасів та потужності розробки титано-цирконієвих руд Україна займає одне з перших місць в Європі та виробляє більше 95 % всієї титанової сировини в країнах СНД. Річні об'єми видобутку титано-цирконієвих руд відкритим способом перебільшують 10 млн. м³.

Разом з тим практика роботи кар'єрів України, які розробляють горизонтальні родовища титано-цирконієвих і марганцевих руд, бурого вугілля, каолінів і інших корисних копалин, показує, що істотних змін в технології і підвищенні ефективності існуючих схем розкривних і видобувних робіт протягом останніх двох десятиліть не відбулося.

Існуючі нині способи проведення гірничих робіт і керування гірничотранспортними роботами обмежують можливості маневрування складом корисного компонента в рудопотоці. Розробка розсипних руд на кар'єрах здійснюється валовим способом при якому неможливо вести селективний видобуток, роздільне транспортування й розміщення руди по мінеральному складу. В умовах ринкової конкуренції й мінливості цін на мінеральну сировину необхідний пошук нових технологій відкритої розробки розсипів, технічних способів і схем підвищення ефективності експлуатації розсипних родовищ.

Для підвищення ефективності видобутку руди важливе значення має застосування раціональних технологічних схем розробки родовищ, оптимізація їх параметрів, видобуток рудних пісків з мінімальними втратами корисних копалин в межах кар'єрного поля, організація розкривних та видобувних робіт з максимальною концентрацією гірничих робіт і мінімальними розмірами робочої зони кар'єру.

В зв'язку з цим обґрунтування технології відкритої розробки розсипних титано-цирконієвих родовищ України, що дозволяє найбільш суттєво підвищити ефективність видобутку руди є актуальною науковою проблемою.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами

Дисертаційна робота виконана згідно з тематичними планами фундаментальних та прикладних НДР Міністерства освіти та науки України по держбюджетним науково-дослідним темам: „Геотехнологічна валоризація розсипних родовищ України природного та техногенного походження” (№ ДР 0108U000558); „Розробка наукових основ високоефективної експлуатації гірничотранспортного устаткування кар'єра методами оперативного керування” (№ ДР 0105U000505); „Наукове обґрунтування та розробка концепції створення інтелектуальних систем прийняття рішень на гірничих підприємствах” (№ ДР 0103U001279); та науково-дослідним госпрозрахунковим темам НГУ з Вільногірським ГМК „Обґрунтування технологічних способів та схем підвищення видобутку руд з розсипних титано-цирконієвих родовищ ВДМК” (№ ДР 0107U001554), „Науково-технічне обґрунтування раціональної технологічної схеми розробки руд Малишевського родовища ВДМК” (№ ДР 0108U004590), у яких автор був відповідальним виконавцем.

Мета і завдання дослідження. Метою роботи - є розв'язання актуальної наукової проблеми обґрунтування технології відкритої розробки розсипних титано-цирконієвих родовищ України для підвищення ефективності видобутку руди.

Для досягнення поставленої мети сформульовані та вирішені наступні задачі:

1. Провести аналіз сучасного стану досліджень й перспектив розвитку відкритої розробки розсипних родовищ в Україні та за кордоном.

2. Розробити концепцію та сформулювати основні принципи освоєння розсипних родовищ титано-цирконієвих руд.

3. Встановити нові закономірності формування робочої зони в кар'єрі та розробити методологічні основи вибору технології розкривних робіт при освоєнні розсипних титано-цирконієвих родовищ.

4. Виконати теоретичне обґрунтування технології видобувних робіт при освоєнні розсипів та отримати нові наукові знання при застосуванні селективної технології видобутку руд.

5. Обґрунтувати раціональні технологічні схеми розробки розсипних титано-цирконієвих родовищ та розробити рекомендації по їх застосуванню на кар'єрах України.

Об'єкт дослідження - процеси відкритих гірничих робіт при розробці розсипних родовищ України.

Предмет дослідження -технологічні схеми й комплекси устаткування при видобутку розсипних титано-цирконієвих руд.

Методи дослідження. У роботі використаний комплекс теоретичних і експериментальних методів досліджень:

-методи математичного моделювання при опису параметрів робочої зони в кар'єрах;

-статистико-ймовірнісні методи обробки даних експериментальних досліджень і економічних показників;

-полігонні й промислові випробування для перевірки ефективності розроблених технологічних рішень;

-геостатистичні методи інтерполяції даних при побудові геологічних моделей родовищ;

-техніко-економічний аналіз вибору раціональних технологічних схем виконання розкривних і видобувних робіт при розробці родовищ титано-цирконієвих руд і економічній оцінці ефективності запропонованих технічних рішень;

-геоінформаційне моделювання території родовищ і транспортних мереж кар'єрів при розробці методів підвищення ефективності роботи гірничотранспортного устаткування.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Основним фактором, що визначає ефективність технології відкритої розробки розсипних титано-цирконієвих родовищ, є показник концентрації гірничих робіт в кар'єрі, який на відміну від відомих технологічних параметрів визначається як відношення мінімально припустимої площі робочої зони кар'єру за умови стійкості масиву порід бортів кар'єру до фактично досягнутої по параметрам системи розробки родовища та дозволяє по величині його максимального значення встановлювати найбільш ефективну технологічну схему розкривних та видобувних робіт.

2. Обґрунтована комбінована схема розробки розсипів, в якій на відміну від технологічних схем, що застосовуються, використовується на верхніх розкривних уступах комплекси устаткування безперервної дії, а на надрудному уступі екскаватори-драглайни та відвалоутворювачі, це дозволяє досягти значення показника концентрації гірничих робіт у робочій зоні кар'єру до 100% та забезпечити мінімальні витрати на транспортування розкривних порід у внутрішній відвал.

3. Вперше запропоновано технологічну схему видобутку титано-цирконієвих руд шляхом селективної розробки розсипних родовищ з застосуванням одноківшевих колісних навантажувачів й установлено аналітичні залежності середньої і середньозваженої відстані транспортування руд від місця розташування тимчасового з'їзду з урахуванням наявності безрудних зон, кількості видобувних блоків, їх довжини, обсягу й мінерального складу корисної копалини в них, що дозволяє досягти рентабельності гірничого виробництва понад 18%.

4. Установлені нові закономірності формування робочої зони в кар'єрі та залежності показника концентрації гірничих робіт K_Г від кута укосу робочого, відвального бортів і числа розкривних уступів для розсипних родовищ, які описуються рівняннями другого ступеню та дозволяють визначати ефективну технологічну схему з максимальною концентрацією гірничих робіт і мінімальними розмірами робочої зони кар'єру.

5. Встановлені залежності зміни відстані транспортування Д і експлуатаційних витрат на транспортування розкриву ?З_mр від показника концентрації гірничих робіт у кар'єрі K_Г, які дозволяють проводити кількісну та якісну оцінку ефективності систем розробки розсипних родовищ титано-цирконієвих руд.

6. Розроблено нову математичну модель і алгоритм розрахунку параметрів системи розробки розсипних родовищ, параметрів робочої зони кар'єру, його виробничої потужності й продуктивності гірничотранспортного устаткування, яка відрізняється від відомих тим, що дозволяє з урахуванням показника концентрації гірничих робіт вибрати раціональні технологічні схеми розкривних і видобувних робіт по критерію максимальної рентабельності гірничого виробництва.

7. Уперше встановлені залежності між шириною заходки екскаватора-драглайна й коефіцієнта переекскавації К_П розкривних порід від показника концентрації гірничих робіт К_Г, що дозволяє обґрунтувати раціональні параметри безтранспортних технологічних схем розробки розсипних титано-цирконієвих руд.

Практичне значення одержаних результатів роботи полягає:

-у розробці методик вибору ефективної технологічної схеми розкривних і видобувних робіт при розробці розсипних родовищ. Відмінною рисою методик є використання встановлених показників технологічної оцінки виробництва розкривних і видобувних робіт показника концентрації гірничих робіт K_Г, зміни середньої відстані транспортування розкривних порід у внутрішній відвал і експлуатаційних витрат на транспортування розкриву ?З_mр , що дозволяє визначити найбільш ефективну технологічну схему гірничих робіт у кар'єрі та забезпечити мінімальні відстані транспортування розкривних порід у внутрішній відвал. Методика впроваджена в проектному інституті «Укрндіпроект»;

-у розробці рекомендацій з вибору раціональних технологічних схем для проектування технології видобувних робіт при розробці розсипів, які впроваджені в проектному інституті ВАТ «Укрдіпроруда» та у розробці раціональних гірничо-технічних параметрів і технологічних схем селективного видобутку рудних пісків (в умовах кар'єру №7 "Північ" Вільногірського ГМК), які впроваджені в проектному інституті «Кривбаспроект», що дозволяє для видобувних робіт розсипів застосовувати у якості виймально-транспортного устаткування одноківшеві колісні навантажувачі та досягти максимальної рентабельності гірничого виробництва понад 18 %;

-у розробці рекомендацій з обґрунтування раціональних технологічних схем безтранспортної системи відпрацьовування надрудного уступу для кар'єрів Вільногірського ГМК, у яких комплекс циклічної дії (ЕКГ+автосамоскиди) замінений на екскаватори драглайни. Очікуваний економічний ефект від впровадження технологічних схем із застосуванням драглайнів ЕШ-10/70 та ЕШ-6/45 становить відповідно 7,4 і 5,31 млн. грн/рік;

-у розробці рекомендацій з оцінки інвестиційної привабливості впровадження комбінованої системи розробки на кар'єрах Вільногірського ГМК. Установлено, що рентабельність від реалізації проекту при впровадженні схем комбінованої системи розробки буде досягати 35 %, прибуток становитиме 44,67 млн. грн., при строку окупності 6 років;

-у розробці рекомендацій по впровадженню на кар'єрах України інформаційно-аналітичної системи високоефективної експлуатації гірничо-транспортного устаткування, які впроваджені на Вільногірському ГМК і Полтавському ГЗК, що забезпечує формування бази даних у системі «Добовий рапорт диспетчера» для мониторінгу роботи гірничого виробництва та управління гірничотранспортним обладнанням в кар'єрі.

Особистий внесок здобувача в роботах, які написані разом зі співавторами полягає у наступному: [2] - запропонував інформаційну експертну систему екологічного моніторингу та класифікацію існуючих інформаційних технологій підтримки прийняття рішень; [3] - розробка схем контролю та керування гірничотранспортного обладнання в кар'єрах з використанням супутникової навігації та геоінформаційних технологій; [4] - розробка схем управління кар'єрного автотранспорту з застосуванням радіонавігаційної системи та гірничо-геологічних моделей розсипного родовища титано-цирконієвих руд; [10] - запропонував інформаційно-аналітичну підсистему моніторингу роботи гірничотранспортного обладнання в кар'єрах, розробка блоку забезпечення формування баз даних планових об'ємів видобутку та перевезення гірської маси для гірничого диспетчера; [11] - запропонував використання показника концентрації гірничих робіт для вибору раціональних технологічних схем розкривних порід, визначені ефективні технологічні схеми розкривних робіт при розробці розсипних родовищ; [13] - запропонував алгоритм вибору ефективних схем видобувних робіт при освоєнні розсипів, визначені ефективні технологічні схеми видобувних робіт при розробці розсипних родовищ; [15] - розробив тривимірну каркасну геологічну модель Турчинецької ділянки ільменитового розсипу Іршанського ГЗК, установив закономірності коливання вмісту корисних компонентів у рудних пісках і зони підвищеної мінералізації по фронту гірничих робіт; [24] - провів зрівняння показників ефективності капітальних вкладень при впровадженні комбінованої та транспортної системи розробки на кар'єрах Вільногірського ГМК; [28] - аналіз існуючих та розробка ефективних технологічних схем відкритої розробки розсипних родовищ України; [29] - постановка задачі досліджень, проведення промислових експериментів, техніко-економічна оцінка впровадження системи диспетчеризації; [30] - розробка методики оцінки ефективності технологічних схем відкритої розробки розсипних родовищ, участь у теоретичних дослідженнях, аналіз результатів роботи.

Апробація результатів дисертації. Основні положення й результати дисертації доповідалися й обговорювалися на міжнародних науково-практичних конференціях: „Сучасні інформаційні технології в гірничо-металургійній промисловості” (м. Алушта, АР Крим, 2004), „Форум гірників - 2007” (м. Дніпропетровськ, 2007); на III-му і IV-му міжнародних науково-практичних семінарах „Сучасні інформаційні технології в гірничо-металургійній промисловості” (м. Алушта, АР Крим, 2006 - 2007); на міжнародній науково-технічній конференції „Сталий розвиток гірничо-металургійної промисловості - 2008”(м. Кривій Ріг, 2008), „Форум гірників - 2009” (м. Дніпропетровськ, 2009), засіданнях кафедри „Відкриті гірничі роботи” і НТС „Учбово-наукового центру гірничих інформаційних технологій” Національного гірничого університету (м. Дніпропетровськ, 2004-2010).

Публікації. Основні наукові й практичні результати, наведені в дисертації опубліковані в 30 наукових працях у тому числі: монографії - 2, статті в спеціалізованих виданнях, що входять у перелік ВАК України - 26, з них 20 без співавторів, доповіді на науково-практичних конференціях - 2.

Об'єм і структура роботи. Дисертація викладена на 356 сторінках, складається із вступу, 5 розділів, висновку, 11 додатків на 34 сторінках, уміщує 93 рисунки, 39 таблиць, перелік використаних джерел із 210 найменувань на 22 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність дисертаційної роботи; зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами; сформульовані мета, ідея, завдання й методи досліджень; наведені основні наукові положення, визначені наукова новизна й практична цінність отриманих результатів; відомості про апробацію й публікацію результатів досліджень.

У першому розділі наведено аналіз сучасного стану досліджень з розробки розсипних родовищ України. Основною мінеральною базою титану та циркону в Україні являються ільменітові та комплексні рутил-циркон-ільменітові розсипи. В наш час нараховується більше 40 родовищ, серед яких одне унікальне (Малишевське родовище), 13 - великих, 10 - середніх, відомо також близько 280 перспективних рудопроявлень і 1900 точок мінералізації (неоцінених рудопроявлень) розсипного типу. В Україні виробляється більш як 95 % усієї титанової сировини в країнах СНД. Основний об'єм видобутку руди (більш як 10 млн. м³) здійснюється на Іршанському і Вільногірському комбінатах із сумарною виробничою потужністю більш як 700 тис. т. концентратів у рік. Розсипні родовища України відносяться до горизонтальних покладів, досвід розробки яких широко представлений родовищами марганцевих руд, бурого вугілля, каолінів та інших корисних копалин з м'якими розкривними породами потужністю до 100 м.

Наведений аналіз сучасних теорій, основних наукових підходів і принципів відкритої розробки горизонтальних родовищ. Відзначено, що в різний час, в тій чи іншій мірі, у вирішенні питань удосконалення й наукового обґрунтування технології відкритої розробки таких родовищ внесли великий вклад роботи вчених Н.В. Мельникова, В.В. Ржевського, М.І. Агошкова, К.М. Трубецького, Е.Е. Шешко, С.М. Шорохова, Г.А. Нурка, М.В. Васильєва, П.І. Томакова, С.І. Ільїна, В.Л. Яковлева, В.С. Хохрякова, М.Г. Новожилова, А.Г. Шапаря, А.Ю. Дриженка, І.Л. Гуменика, В.І. Прокопенка, В.Г. Кравця, О.О. Вовка, В.Д. Воробйова, М.С. Четверика, О.С. Пригунова, В.І. Симоненка, В.Ф. Бизова, В.М. Близнюкова, Ю.М. Ніколашина, О.В. Зберовського, М.В.Крівцова, В.В.Бойка, Е.О. Несмашного, В.В. Перегудова, С.З. Поліщука, В.А. Куліша, Г.Д. Пчолкіна, А.М. Маєвського та інших.

Однак у більшості робіт розглядаються питання по розробці горизонтальних покладів з потужністю шару корисної копалини 2-5 м, який розробляється одним уступом валовим способом. Сучасна практика розробки горизонтальних і пологих родовищ показує, що істотних змін у питаннях підвищення ефективності технологічних схем розкривних і видобувних робіт в останні два десятиліття не відбулося. Недостатньо вивчені питання вибору технологічних схем розкривних робіт при взаємодії з видобувними роботами, збільшенні числа видобувних уступів до двох-трьох і більше, а також при селективному способі розробки розсипних родовищ.

Показано, що відмінною рисою відкритої розробки розсипних родовищ є значна питома вага видобувних робіт і великі відстані транспортування розкривних порід у внутрішній відвал. Значні розміри видобувної зони практично виключають застосування найбільш ефективних безтранспортної і транспортно-відвальної систем розробки надрудного розкривного уступу. Відзначені недоліки й особливості освоєння розсипів ставлять актуальною проблему обґрунтування технології відкритого видобутку розсипних титано-цирконієвих родовищ України й розробки ефективних способів розкривних і видобувних робіт. Відсутність урахування показника концентрації гірничих робіт і параметрів оцінки технологічних схем не дає можливості застосування більш ефективних систем розробки й способів видобутку руд.

На основі проведеного аналізу сучасних досягнень науки й практики відкритої розробки розсипних родовищ сформульовані вищевказані мета і задачі досліджень.

У другому розділі для розсипних родовищ України розроблена їх класифікація за умовами й часу утворення розсипу, за розмірами, по виду корисної копалини й геолого-промисловому типу (рис. 1). Визначальними ознаками при класифікації розсипних родовищ запропоновано вважати потужність корисної копалини й розкривних порід, кінцеву глибину кар'єру, розміри в плані кар'єрного поля: довжину, ширину, площу.

Проведено систематизацію розсипних родовищ по параметрах кар'єрних полів, згідно з якою кар'єри розділені на 4 групи по площі, по глибині й продуктивності (рис. 2).

Розроблено концепцію й сформульовані основні наукові принципи відкритої розробки титано-цирконієвих розсипів. Концепція, як спосіб розуміння стратегії освоєння титано-цирконієвих розсипів відкритим способом, носить системний характер і містить у собі класифікацію родовищ, систематизацію кар'єрних полів, урахування геологічних закономірностей залягання розсипу та ефективні технологічні схеми розкривних та видобувних робіт, що забезпечує максимальну концентрацію гірничих робіт з мінімальними розмірами робочої зони кар'єра.

Сформульовані наступні принципи освоєння таких родовищ:

-вибір раціональних технологічних схем і систем розробки розсипних родовищ повинен виконуватися на основі їх класифікації й система-тизації рудних полів з урахуванням геологічних, технологічних, експлуатаційних і економічних особливостей відкритої розробки розсипів;

-вибір способу розробки й доцільність валового або селективного видобутку руд визначається шляхом вивчення геологічної будови розсипів, виявлення й узагальнення факторів неоднорідності поширення мінералів по площі родовища й по фронту ведення гірничих робіт;

-вибір ефективної схеми розкривних і видобувних робіт повинен виконуватися з урахуванням показника концентрації гірничих робіт та відстані транспортування розкривних порід у відвал.

Рис. 1. Класифікація розсипних родовищ України

Наведено результати досліджень гірничо-геологічних особливостей родовищ титано-цирконієвих руд, які відрізняються природною нерівномірністю розподілу мінералів у розсипу. На прикладі Турчинецької ділянки розсипу ільменіту Іршанського ГЗК, що розроблялася в 2002-2005 роках, з використанням відомого програмного засобу «Micromine» встановлені закономірності розподілу мінералів у розсипі по виду й вмісту та побудовані тривимірні цифрові геологічні моделі родовища. Наведено результати дослідження неоднорідності поширення мінералів по фронту проведення гірничих робіт і вмісту корисного компонента в рудному покладі. Одержані графіки коливань вмісту ільменіту в рудних пісках і вмісту окису титана в ільменіті по етапах відпрацьовування фронту гірничих робіт. Визначено зони з підвищеною мінералізацією ільменіту. Уперше створено блокові й каркасні геологічні моделі родовища й проведений гірничо-геометричний аналіз кар'єрного поля, визначені об'єми розкриву й руди по етапах відпрацьовування ділянки; оптимізовані кінцеві контури й календарні плани розвитку кар'єру за обраним критерієм - плановій переробці руд 0,6 - 0,8 млн. м³ у рік; складені графіки зміни об'ємів видобутку руди й розкриву по роках на весь період відпрацьовування покладу; визначена зміна середнього вмісту корисного компонента по роках відпрацьовування ділянки.

На основі проведених досліджень розроблені рекомендації із застосування запропонованої концепції, принципів класифікації розсипних родовищ і систематизації кар'єрних полів, які впроваджені в Державній комісії України по запасах корисних копалин (акт впровадження від 16.04.2008 р.).

У третьому розділі уперше для розсипних родовищ України запропоновано в якості узагальнюючого показника оцінки систем розробки використовувати показник концентрації гірничих робіт у кар'єрі K_Г, який представляє собою співвідношення площ робочої зони кар'єру: мінімально припустимої за умовою стійкості масиву порід бортів S_доп і фактично досягнутої по технологічним умовам і параметрам системи розробки родовища, що застосовується S_ф:

,%, (1)

де ц_е й ц - відповідно стійкий і результуючий кути укосів робочого борту кар'єру, град.; в_е - стійкий кут укосу відвала, град. (рис.3).

Відображено, що показник концентрації гірничих робіт та середня відстань транспортування розкривних порід у внутрішній відвал є основними параметрами при економічній оцінці прийняття технологічних рішень. Максимальне значення показника концентрації гірничих робіт в кар'єрі K_Г =100% досягається при ц = ц_е, а робоча зона кар'єру має мінімальні розміри.

Установлені нові закономірності формування робочої зони кар'єру. Установлено, що основним параметром, що впливає на зміну показника K_Г, є кут укосу робочого борта ц і, відповідно, параметри систем розробки родовища, що застосовуються: число й висота уступів, кути укосів уступів і ширина робочих площадок.

Вперше установлено залежності показника концентрації гірничих робіт від кута укосу робочого борту й числа розкривних уступів. Із представлених на рис. 4 графіків видно, що при збільшенні кута укосу робочого борта ц в 2 рази показник концентрації гірничих робіт кар'єру K_Г збільшується в 1,5 рази.

Показник концентрації гірничих робіт залежить також від типу системи розробки й різновиду їх технологічних схем. Так, комбінованій системі розробки (КСР) при застосуванні драглайнів на надрудному уступі й транспортній системі розробки (ТСР) на верхніх уступах віддається перевага в порівнянні із ТСР, яка передбачає використання роторних комплексів (відповідно криві 3 і 1 на рис. 4 б).

Установлена залежність показника концентрації гірничих робіт від приросту результуючого кута укосу внутрішнього відвалу -Дв_рез при значенні кута укосу робочого борту ц= 22 (умови Вільногірського ГМК). Із наведеного графіка на рис. 5 видно, що при зменшенні кута укосу внутрішнього відвалу різко зменшується показник концентрації гірничих робіт в кар'єрі, що приводить до збільшення відстані транспортування розкривних порід у внутрішній відвал.

Для розрахунку середньої внутрішньокар'єрної відстані транспортування розкривних порід від вибоїв до внутрішнього відвала при транспортних системах розробки горизонтальних родовищ запропонований вираз:

, м, (2)

де L_д - довжина робочої зони кар'єру, м; H_в і h_д - відповідно потужності розкриву й корисної копалини, м; ц і в_рез - відповідно результуючі кути укосів робочого й неробочого бортів кар'єру, град.; в_н - кут укосу неробочих бортів у торцях кар'єру, град.; в_н.е - стійкий кут укосу неробочих бортів у торцях кар'єру, град., а - відстань між нижніми брівками видобувного уступу й відвалу, м.

Функціональна залежність K_Г = f(Дв_рез) апроксимується рівнянням, який має вигляд: K_Г = -0,1502в² - 1,8252в + 99,279; R² = 0,9959.

Запропоновано в розрахунках по обґрунтуванню раціональної системи розробки використовувати величини приростів відстаней транспортування. Збільшення середньої відстані визначається по виразу:

, (3)

де Дl_в і Дl_о - відповідно приріст відстаней транспортування в розкривній і відвальній зонах, м; Дl_т - приріст відстані транспортування в торці кар'єру (з боку виїздних траншей або з'їздів), м.

Формулу (3) можна представити через відповідні прирости котангенсів кутів укосів бортів, тобто

(4)

Вищенаведене дозволило встановити, що зі збільшенням розмірів робочої зони кар'єру, тобто зі зменшенням кутів укосу її бортів, середня відстань транспортування істотно збільшується, що приводить до значного збільшення витрат на транспортування. Так, для умов кар'єру №7 "Південь" Вільногірського ГМК при транспортуванні розкриву конвеєрами й річним об'ємом розкривних робіт - 7 млн. м³, при питомій вартості транспортування рівній 3,9 грн/м³ км, збільшення на 0,05 км, приводить до підвищення річних експлуатаційних витрат на 1,365 млн. грн/рік.

Уперше встановлені залежності приросту відстані транспортування Д від зменшення кута укосу робочого борта Дц і показника концентрації гірничих робіт у кар'єрі K_Г, які представлені відповідно на рис. 6 і рис. 7, які підтверджують якісні закономірності того, що зі зменшенням кутів укосу бортів кар'єра, збільшуються розміри робочої зони, а зі збільшенням приросту відстані транспортування Д знижується показник концентрації гірничих робіт K_Г.

Установлено, що показник концентрації гірничих робіт в робочій зоні кар'єра через зміну величини транспортування розкривних порід у внутрішній відвал, впливає на приріст експлуатаційних витрат на транспортування розкриву. Уперше встановлена залежність ?З_mр = f ( К_Г), яка має вигляд:

 (5)

де Q_к^в - виробнича потужність кар'єру по розкриву, млн. м³/рік; - собівартість транспортування розкривних порід у відвал, грн/м³ км.

Графіки залежності наведено на рис. 8, які показують, як зі збільшенням показника концентрації гірничих робіт зменшуються експлуатаційні витрати на транспортування розкриву у відвал.

Встановлені залежності з достатньою для інженерних розрахунків точністю описуються рівняннями виду: ?З_тр = 0,006 К_Г ² - 0,937 К_Г + 37,07; R² = 0,9873 - крива 1; ?З_тр = 0,0084 К_Г ² - 1,4126 К_Г + 60,77; R² = 0,9915 - крива 2; ?З_тр = 0,0094 К_Г ² - 1,7434 К_Г + 81,642; R² = 0,9871 - крива 3.

Розроблено нову математичну модель формування робочої зони кар'єру й методику вибору раціональної технологічної схеми розкривних робіт при освоєнні горизонтальних розсипних родовищ. На основі математичної моделі розроблена методика вибору раціональної технологічної схеми розкривних робіт в якій уперше параметри системи розробки родовища розглядаються з урахуванням параметрів робочої зони кар'єру, його виробничої потужності й продуктивності основного гірничотранспортного устаткування, а оцінка економічної ефективності різних технологічних схем виробництва розкривних робіт ведеться по відповідним збільшенням експлуатаційних витрат ?З_mр і капітальним вкладенням ?К_m.k на транспортування розкривних порід у відвал.

На рис. 9 наведені результати розрахунків і порівняльної оцінки різних технологічних схем по показнику концентрації гірничих робіт і рентабельності згідно розробленої методики. Установлено, що перехід гірничих робіт на раціональні технологічні схеми дозволяє знизити щорічні витрати на транспортування розкриву ?З_mр, на 2,5 млн. грн. і підвищити прибутковість підприємства в середньому на 47,4%.

Методика вибору раціональної технологічної схеми розкривних робіт апробована й впроваджена на Вільногірському ГМК (акт впровадження від 04.08.2008 р.).

У четвертому розділі наведено методику вибору раціональної технологічної схеми видобувних робіт (ТСДР). Запропоновано алгоритм вибору ТСДР, який враховує приріст витрат на транспортування розкриву й додаткові капітальні вкладення, пов'язані зі зміною показника концентрації гірничих робіт К_Г у видобувній і, відповідно, розкривній зонах кар'єру.

У ролі виймально-навантажувального устаткування були розглянуті: крокуючі екскаватори (ЕШ) - драглайни з перевантажувальним пунктом (ПП) і крокуючі відвалоутворювачі (ОШ) (схеми типу Д); роторні екскаватори (ЕР) зі стрічковим конвеєром (л.к.) і перевантажувачем (ПГ) (схеми типу Р); екскаватори ЕКГ (схеми типу Е); гідромонітори (ГМД) (схеми типу Г); земснаряди (ЗД) (схеми типу Гз) і одноківшеві колісні навантажувачі (ОП) (схеми типу П).

У табл. 1 наведені результати розрахунків раціональної технологічної схеми видобувних робіт для кар'єрів Вільногірського ГМК.

Установлено, що найбільш раціональною технологічною схемою видобутку рудних пісків є схема 10 (тип П), яка передбачає використання одноківшевих навантажувачів. Величина рентабельності для зазначеної схеми становить 18%.

Таблиця 1. Розрахункові показники ефективності технологічних схем видобувних робіт

Порядковий номер ТСДР	Тип ТСДР	Різновид ТСДР	Індекс комплексу устаткування	Показник концентрації гірничих робіт, КГ, %	Приріст витрат на розкривні роботи, ДЗтр , млн. грн/рік	Сумарні експлуатаційні витрати, З, млн. грн/рік	Прибуток, П, млн. грн/рік	Рентабельність, R, %
1	Д	Д1	ЕШ+ПП+ЕКГ+авто-сам.	44,2	6,72	33,32	22,9	8,6
2		Д2	ЕШ+ПП+ЕР+л.к.+ОШ	41,6	7,56	26,52	29,25	10,9
3		Д3	ЕШ+ПП+ОП	43,0	7,02	30,02	26,25	9,95
4		Д4	ЕШ+ автосам.	45,9	6,14	35,14	21,10	8,4
5	Р	Р1	ЕР+л.к.+ПГ+ОШ	47,0	5,8	25,30	30,95	15,6
6	Е	Е1	ЕКГ+автосам.	47,0	5,6	33,10	23,0	11,7
7	Г	Г1	ГМД	40,0	8,14	33,14	23,3	14,0
8		Г2	ЕШ+ГМД	45,9	6,14	36,15	20,0	8,6
9		Г3	ЗД	47,7	5,6	33,1	23,0	13,3
10	П	П1	ОП	44,2	6,72	21,72	35,0	18,0
11		П2	ОП+автосам.	44,2	6,72	26,22	30,5	14,6

Уперше розроблені схеми селективного видобутку рудних пісків з використанням у якості виймально-транспортного устаткування одноківшевих колісних навантажувачів. Схема наведена на рис. 10. Отримані нові наукові знання з застосування селективної технології видобутку руд. Показано, що ефективність таких технологічних схем залежить від відстані транспортування корисної копалини, місця розташування тимчасового з'їзду, пульпо-змішувальної установки й довжини фронту видобувних робіт.

Установлено аналітичні залежності середньої відстані транспортування l_з^ср і середньозваженої відстані транспортування l_з^ср.вз корисної копалини колісним навантажувачем від місця розташування тимчасового з'їзду, які мають вигляд:

, м, (6)

де L_ф - довжина фронту гірничих робіт, м; М - відстань від торця кар'єру до тимчасового з'їзду, м;

, м. (7)

При розробці видобувного уступу більшим числом блоків ніж один, середньозважену відстань транспортування l_з^ср.вз необхідно визначати з урахуванням місця розташування блоків відносно розташування тимчасового з'їзду, його довжини та об'єму корисної копалини в цьому блоці.

Коли по фронту видобувних робіт розташовано два блоки, які представлені, наприклад, цирконом (рис. 11), то величина l_з^ср.вз буде визначатися по виразу

, м (8)

де M_c - відстань від торця кар'єра до місця розташування з'їзду, м; M_б1 - відстань від торця кар'єра до середини блоку 1, м; M_б2 - відстань від торця кар'єра до середини блоку 2, м; V₁ и V₂ - об'єми корисної копалини, відповідно в 1-му та 2-му блоках, м³; V₁ = l₁Ah, V₁ = l₂Ah, де l₁, l₂- відповідно довжина блоків.

При розташуванні тимчасового з'їзду по середині фронту видобувних робіт, тобто l_з^ср = l_з^ср.вз, розрахунки можуть виконуватися по кожній із вищенаведених формул (6-8). В інших випадках розміщення з'їзду, середньозважену відстань транспортування варто визначати по формулі 7.

Установлено залежності середньої відстані транспортування l_з^ср і середньозваженої відстані транспортування l_з^ср.вз від місця розташування тимчасового з'їзду, які наведені на рис. 12, які дозволяють визначити оптимальне місце розташування з'їзду з урахуванням кількості видобувних блоків, їх довжини, обсягу й мінерального складу корисної копалини в них.

Розроблені рекомендації по застосуванню раціональних технологічних схем селективного видобутку розсипних руд які впроваджені в проектному інституті «Кривбаспроект» (акт впровадження від 10.09. 2009 р.).

Установлено, що крім урахування параметрів відстані транспортування корисної копалини, для підвищення ефективності гірничих робіт, зниження витрат на транспортування гірської маси, необхідно також забезпечити оперативне керування гірничотранспортним устаткуванням. Для цього на кар'єрах, що розробляють розсипні родовища, була створена й впроваджена технічна система підвищення ефективності роботи гірничотранспортного устаткування в кар'єрах. Система базується на застосуванні цифрових планів гірничих робіт, геологічної моделі родовища, геоінформаційних та навігаційних технологій, яка дозволяє оперативно керувати роботою гірничотранспортного устаткування в кар'єрі й забезпечувати технологію видобутку руди з урахуванням її мінерального складу. Система дозволяє також підвищити ефективність використання транспортних засобів і знизити витрати на перевезення руди за рахунок економії витрати дизельного палива, мінімізації втрат робочого часу по організаційних причинах, зменшення питомої ваги порожніх пробігів і величини наднормативних простоїв автомобілів під вантажно-розвантажувальними операціями, підвищення коефіцієнта використання вантажопідйомності транспортних засобів і скорочення відстаней перевезень за рахунок оптимізації маршрутів. Установлено, що структура економії поточних витрат від впровадження системи включає: до 50% - за рахунок збільшення продуктивності гірничотранспортного устаткування, до 40% - за рахунок економії витрати дизельного палива, до 10% - за рахунок точного обліку пробігу автосамоскидів. Розроблені рекомендації по підвищенню ефективності роботи гірничотранспортного устаткування на кар'єрі. У тому числі: „Рекомендації щодо впровадження на кар'єрах України системи високоефективної експлуатації гірничотранспортного устаткування”, які впроваджені в гірниче виробництво Вільногірського ГМК (акт впровадження від 25.12.2006 р.) і „Рекомендації щодо підвищення ефективності роботи гірничотранспортного обладнання при відкритій розробці родовищ”, які впроваджені на Полтавському ГЗК (акт впровадження від 06.05.2008 р.).

У п'ятому розділі розглянуто область застосування безтранспортної системи розробки при освоєнні розсипних родовищ. Уперше встановлені залежності продуктивності кар'єру по розкриву від потужності рудного шару розсипу й виробничої потужності кар'єру; а також максимального радіусу розвантаження екскаватора-драглайна від потужності рудного шару й розкриву, що дозволяє проводити вибір ефективних технологічних схем безтранспортної системи розробки титано-цирконієвих руд і вибір необхідного гірничого устаткування.

Виконано обґрунтування раціональних технологічних схем розробки Мотронівської ділянки Малишевського розсипного родовища.

Установлено, що найбільшу економічну ефективність мають технологічні схеми комбінованої системи розробки, що передбачають використання простої та ускладненої безтранспортної системи розробки на надрудному розкривному уступі з показником концентрації гірничих робіт у робочій зоні кар'єру К_Г = 70%. Виконано тривимірне гірничо-геологічне моделювання й установлені природні закономірності зміни потужності продуктивного шару, розподіли і вмісти по площі ділянки ільменіту, рутилу й циркону. Розроблено технологічні схеми виробництва гірничих робіт і дана їх порівняльна техніко-економічна оцінка. За допомогою розроблених методик, алгоритмів розрахунку параметрів і показників технологічних схем проведений вибір раціональної схеми виробництва розкривних і видобувних робіт. За результатами досліджень розроблені рекомендації по вибору раціональних технологічних схем розробки Мотронівської ділянки розсипу, які впроваджені в гірничотранспортне виробництво Вільногірського ГМК (акт впровадження від 07.04.2008 р.).

Розроблено рекомендації з обґрунтування раціональної технологічної схеми розробки руд Малишевського родовища титано-цирконієвих руд. Для кар'єрів Вільногірського ГМК дана економічна оцінка застосування безтранспортної системи розробки для відпрацьовування надрудного розкривного уступу шляхом заміни діючого устаткування (екскаватори ЕКГ і автосамоскиди) крокуючими екскаваторами - драглайнами.

У табл. 2 наведені результати розрахунку техніко-економічних показників розроблених технологічних схем. Установлено, що найбільша економічна ефективність досягається при застосуванні технологічних схем 2, 3 і 9. По показнику рентабельності всі три схеми практично рівноцінні, однак з огляду на особливості організації розкривних робіт при відпрацьовуванні надрудного уступу, а також завдяки можливості істотно зменшити розміри розкривної зони кар'єру, схема 9 є найбільш ефективною.

Очікуваний економічний ефект від впровадження раціональної технологічної схеми безтранспортної системи розробки при застосуванні драглайнів ЕШ-10/70 становить 7,4 млн.грн. Рекомендації впроваджені в гірничотранспортне виробництво Вільногірського ГМК (акт впровадження від 30.06.2008 р.). розсипний титан цирконій родовище

Проведено обґрунтування параметрів раціональних технологічних схем розробки розсипних родовищ Іршанського ГЗК. Вперше установлені залежності між показником концентрації гірничих робіт та ширини заходки екскаватора-драглайна. З приведених на рис. 13 графіків видно, що зі збільшенням ширини заходки екскаватора, величина показника концентрації гірничих робіт різко зменшується.

Таблиця 2. Техніко-економічні показники технологічних схем безтранспортної системи розробки

Індекс схеми	Тип комплексу розкривного устаткування	Розташування розкривного драглайна, відносно	Число комп-лексів устаткування	Вартість комплексу устаткування, млн. грн.	Вартість розробки 1 м3 розкриву, грн.	Коефіцієнт переекскавації Кп , м	Вартість розробки 1 м3 розкриву з урахуванням Кп, грн	Експлуатаційні витрати, Зэ, млн. грн/рік	Економія витрат ДЗэ, млн. грн/рік	Рентабельність, R, %
		верхньої брівки видобувного уступу, В, м	видо-бувного драг-лайна
ТСР	ЕКГ+ автосам.	-	позаду	2	50	5,58	-	5,58	12,28	0	0
ПБСР1	ЕШ-10/70	12		1	35	2,22	-	2,22	4,88	7,40	21,2
УБСР	ЕШ-6/45	12		2	32	1,76	80* 41	3,17 2,48	6,97 5,46	5,31 6,82	16,6 21,3
УБСР0	ЕШ-10/70	65	попереду	2	70	2,22	88	4,17	9,17	3,11	4,4
УБСР1		55		2			78	3,95	8,69	3,59	5,1
УБСР2		45		2			63	3,62	7,96	4,32	6,2
УБСР3		35		1	35		43	3,18	7,00	5,28	15,1
УБСР4		25		1			10	2,44	5,37	6,91	19,7
ПБСР2		15		1			-	2,22	4,88	7,40	21,2

* Чисельник - два драглайни ЕШ - 6/45 розташовані на розкривному уступі; знаменник - один драглайн розташований на розкривному уступі, другий - на передвідвалі.

Установлено аналітичну залежність між величиною коефіцієнта переекскавації К_П розкривних порід та показником концентрації гірничих робіт К_Г, яка має вигляд:

, відн.од., (9)

де В - безпечна відстань від верхньої брівки розкривного уступу до осі руху драглайна, м; а - ширина допоміжної полоси між нижніми брівками відвального яруса та видобувного уступу, м; К_р - коефіцієнт розпушування породи у відвалі; R_{р max}- максимальний радіус розвантаження драглайна, що відробляє розкривний уступ, м.

Залежності описуються рівняннями виду: К_Г = 0,0038А² - 0,9506А + 94,404 (R² = 0,9958) - крива 1; К_Г = 0,0032А² - 0,8503А + 97,145 (R² = 0,9974) - крива 2; К_Г = 0,0025 А² - 0,7395 А + 98,519 (R² = 0,9988) - крива 3.

Графік залежності К_П = f(К_Г) наведено на рис. 14. З даних приведених на рис. 14 видно, що зі збільшенням показника концентрації гірничих робіт в робочій зоні кар'єра, коефіцієнт переекскавації зменшується. Залежність описується рівнянням виду:

К_П = -0,0088 К_Г ² + 0,4328 К_Г + 29,199; R² = 0,968.

Зменшення показника концентрації може бути ефективним при умові розміщення у внутрішньому відвалі відходів виробництва. Необхідна приймальна ємкість внутрішнього відвалу забезпечується відповідною шириною заходки драглайна.

Ефективність застосування технологічних схем безтранспортної системи розробки з низьким показником концентрації гірничих робіт для розглянутих умов, рекомендується визначати із-за умови:

, (10)

де - приріст експлуатаційних витрат на виймання гірських порід розкриву по безтранспортній системі розробки родовища за весь період його експлуатації при розміщенні відходів виробництва у внутрішньому відвалі, грн:

, грн, (11)

де С_б - вартість видобутку розкриву при безтранспортній системі розробки, грн / м³; V_B - об'єм розкриву в контурах кар'єрного поля, який відсипається у внутрішній відвал, м³; - економія витрат при розміщенні відходів виробництва у внутрішньому відвалі (З₁) в порівнянні з їх розміщенням в хвостосховищах за межами кар'єрного поля (З₂), грн.;

, грн. (12)

Витрати З₁ та З₂ повинні визначатися з урахуванням витрат на транспортування відходів виробництва відповідно до місць їх розміщення, витрат, зв'язаних з експлуатацією хвостосховищ, а також з урахуванням величини збитків, що наносяться навколишньому середовищу.

Установлено залежність між величиною рентабельності гірничого виробництва та показником концентрації гірничих робіт К_Г. Графік залежності рентабельності виробництва гірничих робіт від показника концентрації в робочій зоні кар'єру наведено на рис.15. З даних приведених на рис. 15 видно, що показник концентрації гірничих робіт К_Г чинить значний вплив на величину рентабельності гірничого виробництва. Установлено, що при порівнянні технологічних схем, що несуттєво відрізняються типом, числом та вартістю гірничотранспортного обладнання, доцільно використовувати показник концентрації гірничих робіт у кар'єрі. Порівняльну оцінку технологічних схем, що відрізняються числом та вартістю основного гірничотранспортного обладнання, необхідно проводити з урахуванням показника К_Г та величини рентабельності R. У цілому урахування показника концентрації гірничих робіт у кар'єрі при порівнянні технологічних схем як розкривних так і видобувних робіт дозволяє найбільш повно оцінити ефективність застосування кожної з них.

Залежності рентабельності виробництва гірничих робіт від показника концентрації в робочій зоні кар'єру описуються наступними рівняннями регресії: 1 - R = -0,0034 К_Г ² + 0,5297 К_Г + 6,6696; R² = 0,9814; 2 - R = -0,0049 К_Г ² + 0,819 К_Г - 7,3161; R² = 0,9914.

Розроблені рекомендації з вибору раціональних технологічних схем розробки діючих та перспективних розсипних родовищ України з урахуванням показника концентрації гірничих робіт. У табл. 3 та 4 наведені рекомендовані технологічні схеми розробки розсипних родовищ України з урахуванням показника концентрації гірничих робіт в робочій зоні кар'єру.

Таблиця 3.Рекомендовані технологічні схеми розробки з урахуванням показника концентрації гірничих робіт, для умов розсипних родовищ, що розробляються

№ п/п	Найменування родовища (кар'єру)	Тип корисної копалини, середній вміст кг/м3	Параметри родовища	Планова виробнича потужність кар'єру, млн. м3/рік	Продуктивність кар'єру по розкривним породам, млн. м3/рік	Технологічні схеми розробки родовища	Розрахунковий показник концентрації гірничих робіт в кар'єрі, %
			потужність	ширина покладу, м			розкривні породи	корисна копалина	фактичний	найбільш раціональний
			розкривних робіт, м	корисної копалини, м
1	Малишевське (ВГМК) кар'єр "Південь"	рутил-10-13 ільменіт-35-45 циркон - 50-70	47,8	13,8	1500	2,28	11,14			60,5
	Малишевське (ВГМК) кар'єр "Північ"		33,4	14,6	2000	3,22	11,16
	Мотронівсько-Аннівська ділянка		52,2	10,2	800	5,00	25,30	ТСР(КСР2)	ЭШ+ПБ+л.к.	65,8(60,5)	75,0
2	Вовчанське (Демуринський ГЗК)	ільменіт>100 рутил - 30 циркон - 9	20,0	7,4	700	1,30	3,50			45,0
3	Верхньо-Іршинське (ІГЗК)	ільменіт - 60-150	8,0	8,0	700	1,20	1,35	УБСР(А=100-120м)		42,0	58,0
4	Лемненське (ІГЗК)	ільменіт - 60-150	8,0	7,0	450	1,10	1,43	ПБСР(ек-р-кар'єр)	ЭШ+ПП+авт.	60,0	60,0
5	Іршинське №5/№6 (ІГЗК)	ільменіт - 60-150	10,0/6,0	7,3/9	600/800	0,85/0,6	1,0/0,5	УБСР(А=100-120м)	ЭКГ+авт.	40,0-50,0	60,0
6	Межирічне №7/№8 (ІГЗК)	ільменіт - 60-150	8,5/10,0	7,4/7,5	820/630	1,0/0,93	0,83/0,76
7	Валки-Гацківське (ІГЗК)	ільменіт - 60-150	10,0	10,6	800	1,4	1,62
8	Клесівське (Бурштинські копальні)	бурштин - 60 г/м3	3,9	3,5	110	0,164	0,214	УБСР(А=60м)	ЭШ+ПЗУ	23,0	50,0
9	Вільне (Бурштинські копальні)	бурштин - 17 г/м3	3,3	3,2	90	0,060	0,055	ТСР(АТЕК-761+авт.)	ЭШ+ПЗУ	47,5	79,5

* Чисельник - діюча технологічна схема, знаменник - рекомендована; ** - чисельник - валовий видобу...