книги из ГПНТБ / Ходинов, А. С. Открытая разработка месторождений горно-химического сырья

Г л а в а V

РАЗРАБОТКА ПОДВОДНЫХ ЗАЛЕЖЕЙ ГОРНОХИМИЧЕСКОГО СЫРЬЯ

Гидрогеологические и горнотехнические условия залегания руд в солянокупольных структурах

Группа месторождений весьма ценных и дефицитных руд горно-химического сырья осадочно-галогенного типа связана с соленосными и другими химическими осад­ ками усыхающих замкнутых морских бассейнов и лагун.

Разрабатываемые залежи богатых руд приурочены к солянокупольной структуре площадью около 450 км2, которая является результатом прорыва верхней толщи пород соляным телом (штоком) мощностью более 8 км. Гипсовая шляпа (кепрок), покрывающая соляный ку­ пол, имеет мощность 50—80 м, площадь около 250 км2 и возвышается над окружающей степью на 20—25 м. Руда в солянокупольном поднятии приурочена к трем различным по характеру и степени изученности груп­ пам месторождений.

Первая группа — вторичные оруденения в глинисто­ гипсовой шляпе, которые детально изучены и являются объектом разработки.

Вторая группа — коренные оруденения в соляной тол­ щ е— является объектом изучения и представляет сырье­ вую базу будущих лет. Пройдена разведочно-эксплуата­ ционная шахта и сеть выработок для подземной раз­ ведки и технологического изучения.

Третья группа — руда в рапе и межкристальных рассолах прилегающего к глинисто-гипсовой шляпе со­ леного озера.

180

В настоящее время разработана схема комплексной разработки озерной рапы и запроектировано строитель­ ство опытно-промышленной установки.

Из указанных трех групп месторождений в настоящее время главной базой для промышленности является пер­ вая, характеризующаяся большим количеством располо­ женных в глинисто-гипсовой шляпе (кепроке) залежей, имеющих различные горнотехнические условия. Рудные залежи в кепроке делятся на надводные и подводные. Первые выходят на дневную поверхность либо являются слепыми, полностью включенными в толщу пустых по­ род, но расположенными выше уровня водоносного гори­ зонта. Вторые находятся на большей глубине ниже уровня водоносного горизонта и погребенных рассолов. Подводные залежи могут выходить на уровень подзем­ ных вод без подводной вскрыши и иметь над рудой толщу пород, находящуюся под водой, подводную вскрышу Г9].

Надводные залежи разрабатываются с 1934 г. от­ крытым способом с применением транспортной системы

ивнешнего отвалообразования.

Вначальный период эксплуатации месторождений

разрабатывались залежи, имеющие небольшую мощ­ ность вскрыши. По мере развития добычи, роста потреб­ ности и оснащения рудников механизмами в разработку вовлекались залежи, имеющие большую мощность по­ крывающих пород и основные запасы руды ниже водо­ носного горизонта. За период 1940—70 гг. коэффициент вскрыши вырос с 0,67 м3/т до 15,3 м3/т.

К настоящему времени надводные запасы отрабо­ таны. Оставшиеся залежи покрыты слоем подводной вскрыши. Разработка их осложнена своеобразными гид­ рогеологическими и горнотехническими условиями зале­ гания исключающими возможность осушения.

Основной водоносный горизонт кепрока включен в сильно закарстованные трещиноватые породы. Над его уровнем число карстовых воронок глубиной от 2 до 6 м достигает 250—300 шт на 1 км2 и составляет 12—30% по площади. Породы ниже уровня водоносного горизон­ та также закарстованы н имеют до 10—12% пустот.

Из-за высокого коэффициента фильтрации, состав­ ляющего 350—660 м/сутки, основной водоносный гори­ зонт получается единым на всей площади кепрока, имею­

181

Вслучае водопонижения или осушения вода и рас­ солы озера получают обратное движение и будут под­ питывать водоносный горизонт. С учетом донных и меж­ кристальных рассолов озера в количестве 200 млн. м3 общие статические запасы воды и рапы, подлежащие откачке, составят 680 млн. м3.

Воды основного водоносного горизонта минерализо­ ваны. Содержание солей увеличивается с глубиной. Нижние слои мощностью около 2 м представляют собой насыщенные рассолы с содержанием 300—350 г/л хло­ ридов и сульфатов натрия и играют роль «подушки», предохраняющей соляную толщу от выщелачивания.

Впроцессе опытных откачек было замечено, что про­ исходит подъем тяжелых рассолов и резкое изменение гидродинамических условий, увеличение дебитов и про­ ницаемости водовмещающих пород и смешивание верх­ них слабоминерализованных вод с нижними рассолами. Образующиеся при этом воды становятся агрессивными

по гипсу и растворяют водовмещающие породы, а затем соляное основание рудных залежей.

Удаление статических запасов вод и рассолов вызо­ вет прогрессирующее растворение соляного ложа, его карстование, провалы и последующее нарушение руд­ ных залежей. Поэтому метод осушения месторождения признан неприемлемым. В этих условиях необходим такой способ разработки, который позволил бы вести выемку руды непосредственно из воды, без осушения месторождения и водоотлива.

Разработка надводных и подводных залежей

Предложенный нами и проверенный в промышленных масштабах способ предусматривает применение экска­ ватора-драглайна для выемки руды непосредственно из воды. При извлечении подводных залежей важным усло­ вием успешной работы является установление взаимо­ связи линейных параметров комплекса экскаваторных и буровзрывных работ. Если руда выходит на уровень

182

водоносного горизонта, то после отработки надводной части залежи образуется площадка для размещения экскаваторного и бурового оборудования, с которой ве­ дется подводная добыча (рис. 47). Если же рудное тело выходит на уровень водоносного горизонта и имеет над собой слой пород, то схема работ усложняется не­

обходимостью выемки пород подводной вскрыши, и только после этого возможна селективная выемка руд­ ного пласта.

Разработка подводных залежей потребовала приме­ нения новых схем и технологических приемов. Были предложены новые схемы:

бурения взрывных скважин через 6—12-метровын слой воды с гидравлическим удалением бурового шлама; поточной технологии буровзрывных работ с приме­ нением специальных средств и приемов взрывания в

условиях «водного зажима»; приспособление серийных драглайнов к экскавации

разрыхленных взрывами пород н руд из воды; одинарной и спаренной работы драглайнов при вы­

емке широкими заходками, а также подвесных скрепе­ ров при зачистке подводных забоев.

Бурение скважин для подводных залежей произво­ дится как с берегового уступа, так и с понтона.

Применяемые в первые периоды разработки место­ рождения станки ударно-канатного бурения вскоре были заменены на станки вращательного бурения БС-110/25 и БСН Карпинского завода. Скорость бурения увеличи­ лась до 30—35 м/смену, а стоимость бурения 1 м сква­ жины снизилась вдвое. При вращательном бурении

183

бтенки скважины размывало водой, получающей уско­ рение при вращении бурового снаряда. Немалые труд­ ности представляли удаление шлама и наматывание на штангу глинистых прослоев. От вибрации штанги стенки скважин обрушились.

В последующем станки БСН были заменены стан­ ками СВБ-2, оборудованными механизмами для про­ мывки скважин водой. Совершенствование схемы уда­ ления бурового шлама потребовало замены поршневого насоса на центробежный.

Буровые станки СВБ-2 снабжены механизмами свин­ чивания и развинчивания штанг в поворотном магазине, что облегчает рабочие операции и увеличивает произ­ водительность, чему способствует правильный подбор коронок и шарошечных долот.

В зависимости от крепости пород производительность станков СВБ-2 составила 12,5 —26,0 м в час, или около 60 м в смену. В разрушенных зонах бурение произво­ дится с обсадными трубами. В дальнейшем намечено применить станки СВБ-2М как более совершенные и позволяющие изменять осевое давление.

Когда залежь покрыта толщей подводной вскрыши, бурение взрывных скважин производится с понтона че­ рез 8—12-метровый слой воды. Такое же бурение приме­ няется Для разведки рудного тела и подошвы забоев. На понтоне смонтированы станок СВБ-2 без гусеничной тележки, насос для промывки скважин, гидродомкраты для маневров при спуске и подъеме буровых труб и снаряда, маневровые лебедки, щит управления, ящики для хранения запаса ВВ на смену и противопожарные средства. Питание электрооборудования на понтоне осуществляется с помощью кабеля, проложенного на специальных поплавках. Для бурения разведочных сква­ жин применялся станок КА-2М-300, а затем станок ЗИФ-300.

Особенности технологии взрывных работ под водой

При разработке подводных залежей зарядка скважин производится через слой воды по обсадной трубе, а взрывание происходит в условиях «водного зажима»; одним из основных требований к взрыванию является обязательное равномерное дробление, без негабарита, осложняющего работу драглайнов при подводном чер-

184

панки, и обеспечение минимальной ширины развала для лучшего использования рабочих параметров экскава­ тора.

Водная среда оказывает положительное влияние на использование энергии взрыва и уменьшает ширину раз­ вала, оказывая сопротивление движению породы от взрыва. Качество дробления в условиях «водного зажи­ ма» также улучшается.

По данным Р. Коула, при взрывании в воде энёргия взрыва возрастает на 50%, но требуется учет дополни­ тельной работы заряда по преодолению водного зажима и вспучиванию бассейна.

При расчетах заряда в условиях «водного зажима» необходимо вводить поправочный коэффициент на рас­ ход ВВ, который зависит от высоты столба воды.

Зависимость коэффициента заряда при взрывании в водной среде от высоты столба следующая:

Взрывание уступа производится как вертикальными, так и наклонными скважинами, в отдельных случаях применяются дополнительные котловые заряды (рис. 48).

Для взрывных работ применяли водоустойчивые аммониты В-3 и 6ЖВ, но при глубине скважин более 7—8 м, заполненных рассолами, они размокали и дава­ ли отказы. Парафинирование наружной поверхности бумажных патронов не гарантировало безотказного взрывания. Хорошие результаты давало применение полиэтиленовых рукавов, но их дефицитность и необхо­ димость заделывать торцы препятствовали промышлен­ ному внедрению. В дальнейшем карьер перешел на гранулированный тротил, алюмотол, или комбинирован­ ные заряды — внизу скважины тротил, а в верхней части аммонит 6ЖВ.

Взрывание обычно многорядиое, короткозамедленное, диаметр скважин ПО и 160 мм. При взрывании наклон­ ных скважин снижается ширина развала до 1,6—1,9 h и высота развала возрастает до 0,9 h.

Различие крепости руды и пород подводной вскрыши учитывается в расчетных параметрах взрыва и устанав­ ливается паспортами буровзрывных работ.

Рис. 48. Схемы расчета параметров буровзрывных работ:

Расход ВВ при взрывании руды колеблется в преде­ лах 0,3—0,5 кг/м3 и подводной вскрыши 0,5—0,9 кг/м3. Для снижения расхода ВВ применялись взрывы в сква­ жинах с насыщенным раствором аммиачной селитры, а также рассредоточение колонковых зарядов или умень­ шение зарядов через одну скважину (например, в чет­ ных скважинах).

Взрывание с понтона осложняется необходимостью маневров по установке понтона при заряжании. Зарядка скважин на 6—10-й день после бурения приводит к тому* что часть скважин зашламовывается, обсадные трубы проседают или наклоняются от маневров понтона, сни­ жается качество дробления и проработки подошвы. Для устранения этих недостатков была внедрена поточная технология буровзрывных работ, когда зарядка взрыв­ ных скважин производится вслед за бурением. Взрыва­ ние производится через 3—4 дня после зарядки первой скважины. Такая технология взрывных работ с понтона позволила снизить общую трудоемкость, сократить ма­ невры понтона, предотвратить зашламовывание и обру­ шение скважин. Алюмотол и гранулированный тротил практически не теряют своих свойств при длительном пребывании в воде, также как и ДШ-В при заделке его концов алюминиевыми колпачками. Однако в ряде слу­ чаев требовалось введение промежуточных детонаторов для усиления детонации от ДШ-В. Для сокращения времени пребывания ВМ в воде и ускорения обуривания блоков целесообразно бурение и зарядку вести непре­ рывно в течение суток с соблюдением техники безопас­ ности, специально установленной для разработки под­ водных залежей.

Направлением совершенствования взрывных работ под водой-является увеличение диаметра скважин, раз­ работка надежных промежуточных детонаторов и изоля­ ции ДШ-В или разработка новых СВ.

Экскавация при разработке подводных залеоісеіі

Технология экскавации и параметры горных работ при подводной разработке имеют ряд особенностей. Экскаватор не может располагаться на породе или руде взорванного блока из-за слабой устойчивости взорван­ ных пород. Отсутствие визуального контроля не позво­

12* 187

ляет управлять формированием подводного уступа в процессе его подработки. Экскаватор перемещается по целику только в сторону движения забоя с шагом экс­ кавации по ширине заходки. Драглайн при разработке уступа должен создавать горизонтальную или слабо на­ клонную площадку для размещения объема пород после взрыва.

Эти особенности подводной экскавации резко изме­ няют предельные параметры и глубину разработки по сравнению с паспортными данными для обычной экска­ вации. Кроме того, режим черпания требует изменения скорости во избежание вымывания горной массы при движении ковша по забою и при выходе из воды.

На тяговом и подъемном канатах драглайна были проведены замеры усилий специальным прибором с дат­ чиками деформации, включенных в осциллограф. Заме­ ры производились при экскавации из воды и при по­ грузке сухой руды.

Совмещенные фото-осциллограммы показывают, что при экскавации из воды усилия снижаются в 2— 2,5 раза. Внедрение ковша и его перемещение в подвод­ ной зоне происходит плавно, без толчков. Ковш напол­ няется на пути, равном его двойной длине. На осталь­ ном пути ковш везет перед собой взрыхленную руду, что дает максимальную нагрузку на осциллограмме.

На подъемном тросе усилия нарастают плавно и их максимальные значения не превышают половины но­ минала.

Однотипность значительного количества осцилло­ грамм усилий подъемного троса дает основание к уве­ личению емкости ковша или стрелы драглайна.

Скорости тяги ковша при черпании 0,5—0,8 м/с и зачистке забоя 0,4—0,5 м/с, являются рациональными

ипозволят обеспечить максимальное наполнение ковша

иболее полную выемку горной массы с минимальным ее вымывом из ковша драглайна. Скорость подъема также уменьшается в 1,5—2,5 раза.

Изменение режимов черпания на малых драглайнах типа Э-1252 достигалось за счет включения в кинемати­ ческую схему дополнительного редуктора с переменным передаточным числом. На драглайнах ЭШ-4/40 регули­ рование достигалось путем изменения режима разгона главного двигателя. Для контроля и регулирования ре­

188

жима движения груженого ковша под водой к ведущему валу редуктора присоединен тахогенератор, шкала кото­ рого отградуирована в единицах скорости.

Несмотря иа снижение скоростей тяги и подъема ковша, производительность драглайна составила на до­ быче руды 700—950 т в смену, а на подводной вскрыше 600—800 т/смену. Практика работы карьеров и исследо­ вания ГИГХС доказали возможность разработки под­ водных залежей несколькими уступами.

Между параметрами экскаваторных и буровзрывных

последнему ряду взорванных скважин; ау — угол откоса уступа около 50° или ау=0,845; К— неполная ширина развала Ä,= 1,8—2,0; h' — высота уступа по нижней бров­ ке предшествовавшего взрыва.

Залежь горизонтальная.

Для экскаватора ЭШ-4/40 М3=32,4—28,45 h.

При мощном пласте руды или слое породы отработ­ ка однородного уступа может быть осуществлена двумя подуступами. Рациональной схемой горных работ в та­ ких условиях будет «спаренная работа экскаваторов», когда вспомогательный экскаватор меньшего размера оттягивает ковш на забой (рис. 49).

При широких забоях и зачистке дна котлована при­ меняется скреперная схема, при которой экскаватор оборудуется скрепером, подвешенным на роликовой тележке (рис. 50), что делает работу экскаватора неза­ висимой от параметров буровзрывных работ. Экскава­ ция слоя подводной вскрыши возможна по простой и комбинированной схемам.

Подводная вскрыша по простой схеме требует, чтобы развал вскрышного уступа не выходил на верхнюю бров­ ку рудного. Руда взрывается с учетом размещения раз-

189