Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,775

ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МАЛОМОЩНЫХ ПЕСЧАНО-ГРАВИЙНЫХ ЗАЛЕЖЕЙ

Якубовский М.М. 1 Павличенко М.В. 2 Гетманова А.Р. 1
1 ФГБОУ ВО Санкт-Петербургский горный университет
2 ООО «ГК “РЕГИОН”»
Разработка месторождений строительных горных пород является наиболее распространенным и динамично развивающимся направлением горнодобывающей отрасли, что связано с высокими темпами дорожного и жилищного строительства. При оконтуривании месторождений песков и песчано-гравийного материала к основным технико-экономическим кондициям относятся мощность полезной толщи и ее качественный состав. Как правило, в большинстве случаев мощность кондиционного пласта принимается не менее 3,0 м. Меньшая величина делает разработку месторождения или его части нерентабельной ввиду значительного роста арендных платежей за земельный участок, которые являются постоянной составляющей в себестоимости продукции карьеров. Рассмотрены теоретические аспекты выбора схемы вскрытия, системы разработки и практический опыт эксплуатации месторождения песчано-гравийного материала малой мощности. Показана важность оптимизации технологических процессов разработки небольших месторождений минерального строительного сырья с целью обеспечения эффективной работы горнодобывающего предприятия в условиях ограниченных ресурсов. По результатам проведенных технико-экономических расчетов разработаны и обоснованы технологические схемы производства вскрышных, добычных и рекультивационных работ, определен порядок отработки месторождения по бестранспортной системе разработки с многократной перевалкой горной массы гидравлическим экскаватором. Экономическая эффективность предложенных мероприятий подтверждена результатами работы горнодобывающего предприятия. Результаты изложенных исследований могут быть полезны проектировщикам и недропользователям в сфере разработки общераспространенных полезных ископаемых. Область эффективного применения рассмотренной технологии – небольшие месторождения с невыдержанными строением и мощностью полезной толщи, с непостоянным качеством песков и песчано-гравийного материала, относимые по сложности геологического строения ко 2-й и 3-й группам согласно «Классификации запасов и прогнозных ресурсов твердых полезных ископаемых», утвержденной приказом Министерства природных ресурсов РФ от 11.12.2006 № 278.
бестранспортная система разработки
маломощное месторождение
строительный песок
песчано-гравийный материал
перевалка горной массы
порядок отработки месторождения
технология ведения горных работ
1. Лигоцкий Д.Н. Минимальная мощность пластов, разрабатываемых селективно с помощью гидравлических экскаваторов типа обратная лопата // Записки Горного института. 2013. Т. 205. С. 44–46.
2. Фомин С.И., Ведрова Д.А. Организация отработки вскрышного уступа драглайном с размещением пород в выработанном пространстве карьера // Записки Горного института. 2013. Т. 205. С. 47–50.
3. Yuasa T., Ishikawa M. An Optimal design methodology for the trajectory of hydraulic excavators based on genetic algorithm. Journal of robotics and mechatronics. 2021. Vol. 33. Р. 1248–1254. DOI 10.20965/jrm.2021.p1248.
4. Wang X., Sun H., Feng M., Ren Z., Liu J. Dynamic analysis of working device of excavator under limit digging force. Journal of The Institution of Engineers. 2021. Vol. 102 (5). Р. 1137–1144. DOI: 10.1007/s40032-021-00725-4.
5. Loginov E.V., Loktiukova O.Iu., Melnitskaya M.E. Calculation of Bench Width for Backhoe Hydraulic Excavators Operated in Sinking Mining Systems. Journal of Engineering and Applied Sciences. 2019. Vol. 14. Iss. 17. Р. 6444–6448. DOI: 10.36478/jeasci.2019.6444.6448.
6. Буткевич Г.Р., Одабаи-Фард В.В. Проблемы разработки обводненных песчано-гравийных месторождений // Горная Промышленность. 2012. № 4. С. 112–114.
7. Иванов В.В., Дзюрич Д.О. Основные актуальные технологические схемы разработки обводненных месторождений песка // Дневник науки. 2019. № 4. [Электронный ресурс]. URL: http://dnevniknauki.ru/images/publications/ 2019/4/geoscience/Ivanov_Dzyurich.pdf (дата обращения: 11.03.2022).
8. Семенов Д.А., Вахрушев С.И. Методика выбора земснаряда для выемки песчано-гравийной смеси со дна реки Кама // Известия КГАСУ. 2016. № 4(38). С. 451–458.
9. Лапшин Н.С., Фомин С.И. Принципы построения технологических схем переработки песчано-гравийной смеси на притрассовых карьерах с малой производительностью // Наука и бизнес: пути развития. 2019. №12(102). С. 97–101.
10. Оника С.Г., Халявкин Ф.Г., Реберт Б.С. Технологические схемы разработки обводненных песчаных, гравийно-песчаных и песчано-гравийных месторождений // Горная механика и машиностроение. 2016. № 2. С. 5–8.
11. Иванов В.В., Дзюрич Д.О. Обоснование параметров технологической схемы разработки обводненных месторождений строительного песка // Записки Горного института. 2012. Т. 253. С. 33-40. DOI:10.31897/PMI.2022.3.
12. Буянов Ю.Д., Краснопольский А.А. Разработка месторождений нерудных полезных ископаемых. М.: Недра, 1980. 431 с.
13. Ракишев Б.Р. Классификация технологий открытой разработки полезных ископаемых // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2020. № 3. С. 5–15. DOI: 10.25018/0236-1493-2020-3-0-5-15.
14. Холодняков Г.А., Логинов Е.В., Ву Д.Т. Малоотходная открытая разработка полезных ископаемых с помощью гидравлических экскаваторов // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2017. № 1. С. 357–363.
15. Иванова П.В., Асонов С.А., Иванов С.Л., Кувшинкин С.Ю. Анализ структуры и надежности современного парка карьерных экскаваторов // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2017. № 7. С. 51-57. DOI: 10.25018/0236-1493-2017-7-0-51-5720.

Недропользование является высокорискованным бизнесом. В соответствии со ст. 11 Закона РФ от 21.02.1992 № 2305-1 «О недрах», предоставление недр в пользование происходит только после получения соответствующей лицензии, выдаваемой по результатам аукциона. При этом разведанное недропользователем количество балансовых запасов полезных ископаемых может существенно отличаться от объемов прогнозных ресурсов, указанных в исходной конкурсной документации. В таком случае возмещение расходов на поиск, оценку и разведку месторождения, а также суммы уплаченных сбора за участие в аукционе и разового платежа за право пользования участком недр не предусмотрено. В случае с песчано-гравийными месторождениями капитальные вложения относительно невелики (от нескольких миллионов рублей до первых десятков миллионов рублей), но и финансовые возможности мелкого и среднего бизнеса многократно уступают возможностям инвесторов в сфере добычи, например, строительного и облицовочного камня.

На значительные риски идет инвестор и в случае покупки готового бизнеса, то есть юридического лица недропользователя с утвержденными балансовыми запасами и согласованным техническим проектом разработки месторождения. Причинами несоответствия фактических объемов запасов балансовым (утвержденным протоколом ТКЗ) могут быть как недобросовестность бывшего недропользователя, повлиявшего на процесс подсчета запасов с целью наживы, так и квалификация специалистов, интерпретирующих геологическую информацию.

При оконтуривании месторождений песков и песчано-гравийного материала, как правило, мощность кондиционного пласта принимается не менее 3,0 м ввиду значительного роста арендных платежей за земельный участок, являющихся постоянной составляющей в себестоимости продукции. Кроме того, минимальная мощность может определяться конструктивными особенностями выемочно-погрузочного оборудования [1–3].

Однородность качественных характеристик полезной толщи имеет важное значение при выборе технологии производства работ [4, 5]. В случае когда мощность продуктивного пласта значительна и позволяет сформировать полноценный уступ высотой 5,0–8,0 м, колебания таких показателей качества песчано-гравийного материала, как модуль крупности и коэффициент фильтрации, не оказывают значительного разубоживающего эффекта на качество извлекаемого минерального сырья, поскольку в процессе валовой разработки происходит естественное усреднение материала. Меньшие значения мощности полезной толщи не позволяют обеспечить равномерный состав природного материала. Как правило, в этом случае применяется промежуточное складирование (конусование), что, в свою очередь, удорожает себестоимость добытого полезного ископаемого.

Как показал анализ литературы, имеющейся в открытом доступе, информация в сфере проблематики разработки песчано-гравийных месторождений касается, главным образом, разработки обводненных месторождений значительной мощности [6–8]. Основной упор в исследованиях делается на выбор технологического оборудования [9–11], в то время как обоснованию режима горных работ должного внимания не уделяется. Под режимом горных работ, согласно Ю.Д. Буянову [12], понимается последовательность выполнения вскрышных и добычных работ в границах карьерного поля, обеспечивающая планомерную, безопасную и экономически эффективную разработку месторождения. При этом наилучшие результаты работы горнодобывающего предприятия обеспечиваются при рационально выбранной технологии вскрышных и добычных работ с учетом параметров системы разработки и технических характеристик применяемых средств механизации [13].

Рассмотренная в работе технология разработки маломощных месторождений песков и песчано-гравийного материала особенно актуальна в связи с высокими объемами строительства, связанными, в том числе, с реализацией национальных проектов, например проекта «Безопасные качественные дороги» (https://bkdrf.ru/), поскольку позволяет вовлечь в эффективную разработку малые месторождения, находящиеся вблизи мест производства строительных работ.

Целью исследований являлось обоснование новой технологии ведения горных работ с использованием гидравлического экскаватора типа «обратная лопата» на примере разработки месторождения строительных материалов «Селиваново», расположенного в Ленинградской области, компанией ООО «Юркон».

Материалы и методы исследования

По сложности геологического строения месторождение «Селиваново» относится ко 2-й группе (согласно «Классификации запасов месторождений и прогнозных ресурсов твердых полезных ископаемых») как небольшое линзообразное или неправильной формы месторождение с невыдержанным строением, изменчивой мощностью полезной толщи и непостоянным качеством песка и гравия. Вскрышные породы представлены почвенно-растительным слоем, торфом, заторфованными песками, а также супесями. Мощность вскрыши составляет от 0,1 м до 1,7 м, средняя – 1,2 м. Полезная толща представлена, в основном, тонкими и мелкими песками. Мощность полезной толщи в оконтуренной части лицензионного участка составила от 3,0 до 7,7 м при среднем значении 5,8 м. Местами имеются скопления гравийного материала, содержание которого составляет от 5,0% до 20,0% и выше.

Проектными решениями была предусмотрена стандартная для подобного типа месторождений технология производства работ, включающая следующие операции:

– удаление вскрышных пород бульдозером во временные навалы;

– разработка навалов гидравлическим экскаватором с погрузкой в автосамосвалы;

– перевозка и складирование вскрышных пород на поверхности месторождения во временном складе с целью дальнейшего использования для рекультивации земель;

– разработка полезной толщи гидравлическим экскаватором с погрузкой полезного ископаемого в автосамосвалы потребителя.

Однако в процессе разработки максимальные значения полезной толщи подтвердились только в районе расположения разведочных скважин. На основной же части месторождения колебания мощности продуктивного пласта (по данным эксплуатационной разведки, проведенной посредством проходки шурфов экскаваторным способом) составили от 1,2 до 4,0 м при среднем значении 2,3 м.

Вследствие уточнения горно-геологических условий и значительного сокращения промышленных запасов стало очевидно, что изначально предусмотренная широко распространенная [14, 15] технология производства работ на месторождении с применением гидравлического оборудования нерентабельна, что требует оптимизации технологических процессов и поиска экономически целесообразного варианта отработки месторождения в условиях ограниченных ресурсов.

Таким образом, были сформулированы следующие задачи исследования:

– аудит результатов выполненных геолого-разведочных работ и проектных решений;

– анализ уточненных горно-геологических условий месторождения;

– разработка наиболее эффективной в сложившихся условиях модели производства горных работ и установление рационального порядка отработки месторождения;

– проведение технико-экономических расчетов с целью установления порога окупаемости инвестиций.

Результаты исследования и их обсуждение

По результатам проведенного технико-экономического анализа была принята бестранспортная система разработки поперечными заходками, без углубки (одним вскрышным и одним добычным уступами) с многократной перевалкой горных пород. С целью обеспечения возможности отгрузки нескольких сортов полезного ископаемого вскрытие полезной толщи велось в нескольких местах одновременно, что позволило охватить всю площадь участка.

Для обоснования параметров системы разработки и последовательности выполнения технологических операций были выполнены соответствующие расчеты, произведено построение схем ведения горных работ. Параметры системы разработки определяются в каждом случае индивидуально с учетом мощностей отрабатываемых горизонтов и рабочих параметров применяемого оборудования. В общем виде предложенная технология производства работ предусматривает следующие технологические операции при вскрытии и отработке каждого локального участка месторождения.

Сначала выполняется удаление почвенно-растительного слоя путем сгребания его гидравлическим экскаватором в навалы с последующей их перевалкой и формированием складов высотой до 3,0–4,0 м на поверхности месторождения в местах, удобных для временного хранения, с целью дальнейшего использования пород для рекультивации.

Далее производится выемка вскрышных пород за две заходки гидравлическим экскаватором нижним черпанием с формированием временных навалов высотой 3,0–4,0 м по обоим бортам траншеи. В зависимости от мощности вскрышных пород (1,0–1,7 м) на вскрываемом участке расчетная ширина дна траншей составила 25,0–30,0 м. При мощности вскрыши менее 1,0 м целесообразна дополнительная однократная перевалка навалов, что позволяет увеличить ширину участка вскрытой полезной толщи в 1,5–1,8 раза (до 37,5–54,0 м).

missing image file

Рис. 1. Технологическая схема и результаты выемки вскрышных пород и формирования навала полезного ископаемого на кровле полезной толщи

missing image file

Рис. 2. Технологическая схема и результаты погрузки полезного ископаемого в автотранспорт потребителя

Затем осуществляется выемка полезного ископаемого в пределах первой заходки (шириной 12,0–14,0 м) на всю мощность полезной толщи (1,2–4,0 м) гидравлическим экскаватором нижним черпанием с формированием навала высотой 3,0–4,0 м на кровле полезной толщи второй заходки. Технологическая схема производства работ и результаты работ приведены на рисунке 1.

После того как сформирован навал полезного ископаемого, начинается его разработка гидравлическим экскаватором с погрузкой сырья в автотранспорт потребителей. При этом подъезд автосамосвалов осуществляется по кровле полезной толщи (в пределах второй заходки) задним ходом либо с разворотом непосредственно у экскаватора, если позволяет ширина рабочей площадки (более 2,5 радиуса разворота автосамосвала).

Выемка полезного ископаемого в пределах второй заходки производится гидравлическим экскаватором нижним черпанием с формированием навала на кровле полезной толщи и последующей погрузкой сырья в автотранспорт потребителей. Технологическая схема погрузки полезного ископаемого в автотранспорт потребителя из временного навала и результаты ее реализации приведены на рисунке 2.

После отгрузки запасов полезного ископаемого производится засыпка выработанного пространства посредством перевалки вскрышных пород из временных навалов, размещенных по бортам траншеи, в выработанное пространство гидравлическим экскаватором с последующей планировкой сформированной поверхности. При этом фактически реализуется технический этап рекультивации земель. Технологическая схема производства рекультивационных работ и результаты ее реализации приведены на рисунке 3.

missing image file

Рис. 3. Технологическая схема и результаты рекультивации участка

Сравнительная характеристика основных технико-экономических показателей

№ п/п

Показатель

№ варианта

I

II

III

IV

1

2

3

4

5

6

1

Технологическое оборудование, ед.:

1.1

Экскаватор Volvo EC290 BLC

1

1

1.2

Бульдозер Caterpillar D6

1

1

1.3

Фронтальный погрузчик Volvo L150

1

1

1.4

Автосамосвал КамАЗ-6520

2

2

1.5

Экскаватор Komatsu PC-350

1

1

2

Горно-геологические условия

2.1

Площадь разработки месторождения, га

26,2

15,0

2.2

Мощность полезной толщи (от/до/средняя), м

3,0/7,7/5,8

1,2/4,0/2,3

2.3

Промышленные запасы ПГМ, тыс. м3

1350,0

340,0

2.4

Объем вскрышных пород, тыс. м3

315,0

180,0

2.5

Коэффициент вскрыши, м3/м3

0,23

0,53

3

Производственная мощность предприятия

3.1

Производительность карьера, тыс. м3/год

300,0

80,0

3.2

Реализация (с учетом Кр=1,15), тыс. м3/год

345,0

92,0

3.3

Срок обеспеченности запасами, лет

4,5

4,3

4

Цена реализации товарной продукции, руб. м3:

4.1

– сорт 1

300

4.2

– сорт 2

250

4.3

– сорт 3

200

5

Экономические показатели разработки

5.1

Стоимость товарной продукции, млн руб./год

81,075

21,62

21,62

21,62

5.2

Капитальные затраты, млн руб.

21,804

19,095

10,874

6,811

5.3

Эксплуатационные затраты, млн руб./год

28,524

23,097

13,523

15,170

5.4

Себестоимость добытого ПИ, руб./м3

95

289

169

190

5.5

Валовая прибыль, млн руб./год

52,551

–1,477

8,097

6,450

5.6

Налоги (НДС, НДПИ, налог на прибыль)

22,021

4,013

3,438

5.7

Чистая прибыль, млн руб./год

30,528

4,302

3,233

5.8

Чистая прибыль за весь период, млн руб.

137,376

17,846

13,250

5.9

Срок окупаемости капвложений, лет

0,7

2,5

2,1

Примечание: экономические показатели разработки приведены в ценах 2018 г.

Заключение

Суть предложенной технологии ведения горных работ заключается в многократной перевалке горных пород экскаваторным оборудованием без использования транспортных средств. Рассмотренная технология апробирована в течение трех лет на месторождении песчано-гравийного материала «Селиваново».

Для экономического обоснования предлагаемой системы разработки месторождения и порядка его отработки были рассмотрены и проанализированы следующие технологические схемы производства работ.

I – Разработка месторождения в соответствии с действующей проектной документацией (для первоначальных горно-геологических условий).

II – Разработка доступной для освоения части месторождения в соответствии с действующей проектной документацией.

III – Разработка доступной для освоения части месторождения по предлагаемой технологии с покупкой выемочно-погрузочного оборудования.

IV – Разработка доступной для освоения части месторождения по предлагаемой технологии с арендой оборудования.

Результаты расчетов основных технико-экономических показателей разработки месторождения по рассмотренным вариантам приведены в таблице.

Результатом оптимизации производственных процессов и внедрения бестранспортной технологии с многократной перевалкой горной массы стала отработка части запасов фактически бесперспективного месторождения. В результате этого опытным путем доказаны техническая возможность и экономическая целесообразность производства основных видов работ одной выемочно-погрузочной единицей, в данном случае – гидравлическим экскаватором Komatsu PC-350.


Библиографическая ссылка

Якубовский М.М., Павличенко М.В., Гетманова А.Р. ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МАЛОМОЩНЫХ ПЕСЧАНО-ГРАВИЙНЫХ ЗАЛЕЖЕЙ // Успехи современного естествознания. – 2022. – № 7. – С. 86-91;
URL: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=37861 (дата обращения: 29.03.2024).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1,674