УДК 622.271.4:622.882
Г. А. Ворошилов, канд. техн. наук, Н. А. Свещинская, инженер (ИГД УрО РАН)
Существующее положение с производством отвальных работ на карьерах свидетельствует о необходимости поисков новых способов отвалообразования, обеспечивающих повышение эффективности горного производства, безопасности и создания условий для проведения последующей рекультивации нарушенных земель.
Предлагаемый авторами способ отвалообразования позволяет производить последовательную рекультивацию нарушенных земель по мере продвижения фронта горных работ без необходимости перемещения больших объемов земляных масс при планировочных работах, а также обеспечивает водоотведение от зоны горных работ, исключая устройство и содержание установок карьерного водоотлива.
Общее количество перемещенной из недр Земли горной массы уже превышает 100 млрд т. Ежегодно горными работами на предприятиях российского горнопромышленного комплекса нарушается около 150 тыс. га земель, из них около 40 % приходится на сельскохозяйственные угодья. Добыча 1 млн т железной руды приводит к нарушению от 14 до 640 га земли, марганцевой руды — от 76 до 600 га, угля — от 2,6 до 43 га, руд для производства минеральных удобрений — от 22 до 97 га, нерудных строительных материалов — от 1,5 до 583 га. В США, например, карьерами нарушается в год 62 тыс. га земель. В России и в других промышленно развитых странах из общей площади земельного отвода под горные предприятия в среднем 20 % занимают карьерные отвалы, 13 % отводится под хвостохранилища обогатительных фабрик, 5 % занято отвалами и отходами шахт, 3 % превращено в непригодные земли вследствие оседания и провалов земной поверхности. В связи с увеличением объема горных работ в стране ежегодно требуется отводить под отвалы 10–15 тыс. га земель [1].
Из государственных докладов Федеральной службы по надзору в сфере природопользования известно, что общая площадь отходов в России по состоянию на 2016 год составляла около 1,3 млн га, из которых 0,11 млн га (9 %) являются отработанными отходами горного производства [2].
Существующее положение с производством отвальных работ на карьерах свидетельствует о необходимости поисков новых способов отвалообразования, обеспечивающих повышение способности отвального фронта и эффективности горного производства, а также повышение безопасности и создания условий для проведения последующей рекультивации по мере нарушения земель при строительстве и эксплуатации карьеров. Потери земель должны быть сведены к минимуму.
Одним из наиболее эффективных способов отвалообразования при разработке горизонтальных и пологих пластовых месторождений является бестранспортное внутрикарьерное отвалообразование с выемкой вскрышных пород и перевалкой их в выработанное пространство карьера экскаваторами — драглайнами [3].
Однако при указанном способе отвалообразование предусматривает сплошную отсыпку породных гребней, параллельных фронту вскрышных работ, с заполнением всей площади выработанного пространства карьера отвалами с пониженной высотой, не достигающей первоначальной земной поверхности на величину, примерно равную мощности пласта извлеченного полезного ископаемого. Для исключения естественного процесса заболачивания пониженной земной поверхности паводковыми водами и осадками при проведении горнотехнического этапа рекультивации внутренних отвалов требуются значительные планировочные работы, связанные с большим объемом перемещения земляных масс к флангам карьерного поля от центра, где устраивается водосборник или пруд-накопитель поверхностных вод. Проведение вышеуказанных планировочных работ возможно только после отработки большей части карьерного поля и исключает возможность последовательной рекультивации нарушенных земель по мере продвижения фронта горных работ.
Известные способы увеличения емкости внутренних отвалов за счет подготовки их оснований рыхлением взрывными зарядами в скважинах, устройством выемок в основании отвалов или сооружением барьеров из железобетонных свай, связанных по верху балок [4], повышают приемную способность и устойчивость отвалов, но неэффективны при распределении по всей площади ограниченного объема вскрышных отвальных пород, т. е. не достигается уровень первоначальной земной поверхности. Кроме того, вышеуказанными способами увеличения емкости отвалов предусматриваются дополнительные работы и затраты на взрывчатые, строительные материалы и конструкции.
Другим существенным недостатком сплошного внутрикарьерного отвалообразования является неизбежное аккумулирование грунтовых карьерных вод на подошве пласта полезного ископаемого в добычном забое, где образуется замкнутое пространство между добычным уступом и преградой, созданной из сплошных рядов пород, отсыпаемых в отвал. Для обеспечения нормальных условий работы добычного горнотранспортного оборудования требуется устройство и содержание траншейных и полустационарных установок карьерного водоотлива.
В проекте разработки и рекультивации Берлинского месторождения Южно-Уральского рудника огнеупорных глин авторами был предложен способ бестранспортного внутрикарьерного отвалообразования с регулированием заполнения выработанного пространства при открытой разработке горизонтальных и пологих месторождений полезных ископаемых с рыхлыми покрывающими породами ограниченной мощности [5].
Предлагаемый способ поясняется на рис. 1, где показана схема отвалообразования в плане, в поперечном и продольном разрезах. Способ осуществляется следующим образом.
При разработке горизонтального пласта полезного ископаемого 1, а также пологого пласта с подвиганием фронта работ по восстанию экскаватором 2 с удлиненными параметрами рабочего оборудования (стрелы), например шагающим драглайном типа ЭШ-10/70, установленным на кровле вскрышного уступа 3, вне призмы возможного обрушения, торцевым забоем с нижним черпанием производят выемку и перевалку вскрышных пород в выработанное пространство карьера. При этом в процессе формирования каждого очередного отвального ряда сплошную отсыпку породных лент 4, производимую при наименьшем радиусе разгрузки экскаватора Rpmin, позволяющем формировать отвал без присыпки пласта полезного ископаемого, чередуют с перерывами, оставляя свободные промежутки 5 за счет окончания и начала отсыпки двух смежных породных лент, разделенных промежутком в одном ряду отвала, при максимальном радиусе разгрузки Rpmax с двух смежных положений установки экскаватора при его передвижении вдоль фронта вскрышных работ. Ширина поперечного сечения свободного промежутка 5 по верху определяется конструктивными параметрами экскаватора, по низу — углами естественного откоса отвальных пород в разрыхленном состоянии. В зависимости от мощности пласта полезного ископаемого и мощности покрывающих пород заполнение выработанного пространства карьера регулируется количеством оставляемых свободных промежутков в рядах отвала. Количество промежутков назначают исходя из опыта эксплуатации конкретного месторождения, при этом они должны компенсировать недостающие объемы отвальных пород для укладки их (с учетом просадки и планировки) до уровня первоначальной земной поверхности или расчетным путем, исходя из условия:
∑Sсп ≈ Sпи,
где ∑Sсп — необходимая суммарная площадь поперечных сечений свободных промежутков во внутренних отвалах; Sпи — площадь поперечного сечения извлекаемого пласта полезного ископаемого.
∑Sсп = Sпи × N; N = Sпи / Sсп,
где N — необходимое количество оставляемых свободных промежутков в рядах отвалов.
По мере продвижения фронта горных работ бульдозером 6 производят планировку поверхности участков отвала (сглаживание гребней конусов вскрышных пород с заполнением выемок между гребнями) и выполаживанием откосов свободных промежутков между участками отвала, образуя тем самым траншеи для отвода карьерных вод самотеком из зоны добычных работ при ведении их по восстанию пологозалегающего пласта полезного ископаемого. При разработке горизонтальных пластов на местах свободных промежутков в отвалах устраивают водоотводные канавы 7 с уклоном дна до 0,002 от зоны горных работ. Глубина канав колеблется от 0,5 до 1,0 м, ширина по дну — не менее 3 м для механизированной зачистки дна канав бульдозером. Для сбора и отведения карьерных вод на фланге карьерного поля устраивают водосборную траншею 8 с уклоном до 0,003 в сторону пониженной части рельефа. Крутизна откосов водосборной траншеи не должна превышать 1:3. Крутизна откосов в свободных промежутках не должна превышать 1:1,5 для обеспечения устойчивости откосов и возможности перехода через свободные промежутки бульдозера при ведении планировочных работ на участках внутренних отвалов, разделенных водоотводными канавами.
Предлагаемый способ бестранспортного внутрикарьерного отвалообразования с регулированием заполнения выработанного пространства за счет чередования сплошной отсыпки с оставлением свободных промежутков при формировании породных отвальных лент драглайном позволяет компенсировать недостаточную высоту заполнения выработанного пространства до уровня первоначальной земной поверхности, производить последовательную рекультивацию нарушенных земель по мере продвижения фронта горных работ без необходимости перемещения больших объемов земляных масс при планировочных работах, а также обеспечивает водоотведение из зоны горных работ, исключая устройство и содержание установок карьерного водоотлива.
Список литературы:
1. Кортелев О. Б., Ческидов В. И., Молотилов С. Г., Норри В. К. Внешнее отвалообразование на карьерах. — Новосибирск: РИЦ «Золотые Слова», 2009. — 145 с.
2. ПОРТАЛ ОТКРЫТЫХ ДАННЫХ// Федеральная служба по надзору в сфере природопользования ORL: http://rpn.gov.ru/onendata (дата обращения: 10.03.2018).
3. Ржевский В. В. Открытые горные работы. Часть I. Производственные процессы. М., «Недра», 1985, С. 183–185.
4. Авт. свид. № 898063 кл. Е21С 41/00, 1980.
5. Патент № 2052117, Роспатент, Патентообладатель — «Уралгипроруда», автор Ворошилов Г. А., регистрация в Государственном реестре изобретений 10.01.1996.
