Спосіб розробки покладів природних пісків

Корисна модель відноситься до машинобудівного забезпечення гірничої галузі, зокрема до підгалузі добування нерудних та будівельних матеріалів з покладів природних пісків, розміщених безпосередньо у береговій зоні водних басейнів, з використанням гідромеханізованих засобів. З допомогою гідромеханізованого комплексу досягають незалежності процесу розробки покладів від екологобіологічних факторів та сезонності, забезпечення гірничотехнічної рекультивації вивільнених об'ємів, підвищення його продуктивності та якості добутого піску. Аналіз патентних рішень [1, 2, 3, 4], закордонних розробок [5], в т.ч. країн СНД [6, 7, 8, 9] засвідчує, що принциповий склад добувних комплексів гідромеханізованої розробки природних і техногенних родовищ є практично однаковим. Кожен комплекс має плавучий земснаряд, обладнаний землесосом з інтенсифікатором ґрунтозабору механічного чи гідромоніторного типу, багерську і систему папіліювання, плавучий та береговий трубопроводи, засоби зневоднення, аварійнозапобіжні пристрої, плавзасоби, джерела енергозабезпечення, тощо. Такі комплекси є високотехнологічними та висококоштовними машинобудівними виробами, насиченими науковоємними розробками насосного обладнання, засобів керування, привода, зневоднення і для яких є економічно обов'язковим забезпечення максимального використання їх технічної продуктивності при річних обсягах добування у мільйонах тон. Але розробка природних пісків має свої специфічні особливості, які необхідно враховувати при формуванні способу їх добування. Так при розробці покладів природних піщаників і жильних кварцитів супутніми заважаючими складовими в добутій сировині є глинисті частки, окиси алюмінію, титану, натрію, заліза, а також радіоактивних елементів. Значення останніх регламентується відповідними нормативними документами і в залежності від їх концентрації в добутому піску обмежують його використання. Аналіз якісних характеристик пісків в частині їх гранулометричного складу свідчить про наявність пилевидних складових (до 20 %), які негативно впливають на показники призначення пісків як будівельного матеріалу та сприяють розрідженню піску при складування його у карти. Останнє обмежує товщу карт та потребує збільшення складської площі. Крім того, при добуванні, складуванні і самоплинному зневодненні карт безпосередньо в межах заплави водного басейну вказані елементи попадають в навколишнє середовище і приводять до його забруднення. В свою чергу глинисті частки не тільки погіршують якість піску, а проникаючи до водного басейну (десятки тисяч тон в рік) осідають в береговій зоні, змінюють її усталений природний склад з послідуючою появою на мілководді найпростіших водоростей і породжують явище «цвітіння» (евтрофікації). В свою чергу, як свідчить досвід розробки пісків в басейні р. Дніпра, створене в межах заплави водоймище кар'єра перетворюється в осінньо-зимовий період в зимувальні яму для риби, а весною - у місце її нересту. Наведене логічно породжує екологобіологічні обмеження виробничому процесу з боку наглядових органів (Держуправління екобезпеки і Держнаглядохоронпраці) і, як наслідок, заборону до п'яти місяців в рік добування піску. Наведені особливості: наявність глинистих часток, розбіжність зернового складу піску і заважаючий вплив пилевидних складових, екологобіологічні проблеми, необхідність ефективного використання добувного комплексу, надання всесезонності добувному процесу, покращення якісних показників піску, необхідність відмови від його самоплинного зневоднення, відокремлення власне добувних процесів від заплави водного басейну, утилізація продуктів вимушеного зневоднення, а також висококоштовність процесів і обладнання, обсяги добування, забезпечення мобільності та природоохоронних заходів, в тому числі рекультивації, раціонального використання площі горного відводу є вихідною базою даних при створенні комплексу машинобудівних виробів, визначення місця і процесів їх використання, та які складають основу пропонованої корисної моделі. Відомі способи з використанням гідромеханізованих засобів добування корисних копалин з техногенних родовищ гірничорудної сировини [1, 2, 3, 5], транспортного і енергетичного будівництва [4], добування вугілля та сапропелю [6, 7, 8], алмазів, залізомарганцевих конкрецій, тощо. При цьому використовують плавучий земснаряд, яким за рахунок енергії безпосередньо землесосу розробляють корисні копалини та одночасно збільшують його продуктивність з допомогою гідророзмиву покладів та ежектування. Далі подають створену пульпу трубопроводом до місця її переробки, зневоднення, збагачення, намиву хвостосховищ, транспортних магістралей або будівництва. Тобто наведеними комплексами виконують локальні цілі: розпушення покладів, відмову від довжини недоцільного транспортування, підвищення продуктивності земснаряда, складування добутої сировини, її природного зневоднення, утилізації технологічної води, її освітлення і багаторазового введення в робочий процес. Способи [1-8] опосередковано, з урахуванням окремих фаз їх реалізації, є аналогами заявляємій корисній моделі. Але при цьому не вирішуються питання виключення екологобіологічних негараздів та забруднення водного басейну, відокремлення від одержаної сировини заважаючи домішок та їх утилізації. Більш близьким до пропонованої корисної моделі по виконуваним операціям та складовим елементам забезпечуючого комплексу в частині зневоднення добутої сировини, формування транспортної комунікації, утилізації технологічної води, суміщення складування і зневоднення є спосіб утилізації технологічних скидів збагачених руд чорних металів [9]. Але це рішення не має своєї технологічної закінченості для виконання розробки природних пісків, розміщених в межах заплави водного басейну з урахуванням наведених вище специфічних особливостей їх добування. Найближчим з відомих технологічних рішень взятого за прототип заявляємому способу по складовим частинам, енергетичним потокам, близькості сфери використання відповідає спосіб розробки природних пісків при якому формують автономне водоймище, забезпечують в ньому баланс технологічної води та розміщують плавучий земснаряд, розроблюють гідророзмивом поклади піску, одержану пульпу трубопроводом транспортують до місця складування, де її зневоднюють і складують по цільовому призначенню, технологічну воду від зневоднення пульпи повертають безпосередньо до автономного водоймища [10]. Як свідчить аналіз операцій способу-прототипу і складу технологічних засобів його реалізації залишаються невирішеними питання рекультивації розробки за рахунок утилізації вимиваючих глинистих часток і пилевидних складових, поза рішенням залишаються процес вимивання наведених домішок, зняття впливу сезонності роботи комплексу та екологічних проблем. Задача способу що заявляється - підвищення якості добутого піску, надання інваріантності процесу розробки пісків від сезонності та впливу екологобіологічних факторів, рішення питань утилізації глинистих часток і пилевидних пісків та використання їх для рекультивації розробки. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що в способі розробки покладів природних пісків, розміщених в береговій зоні водних басейнів, послідовно формують в межах акваторії та родовища відповідно заплавний котлован та добувний кар'єр, які з’єднують регульованим водоводом, в добувному картері розміщують земснаряд з плавучим і береговим транспортними трубопроводами, береговий трубопровід оснащують зневоднюючим гідроциклоном і трубопроводом зворотної води, а заплавний котлован облаштовують засобами завантаження перевізної техніки та складами, - додатково в добувному картері створюють гідровідвал, гідроциклону регламентують величину напору пульпи, яка надходить від земснаряда, за умови селективного вимиву глинистих та пилевидних часток заданої маси, які разом з зневодненою технологічною водою по зворотному трубопроводу направляють до гідровідвалу і виконують гірничотехнічну рекультивацію, частково освітлену воду повертають з гідровідвалу в зону роботи земснаряда, а зневодненим піском безпосередньо із гідроциклону завантажують транспортні засоби або акумулюють його на складах. Завдяки новим операціям пропонованого способу досягнуто виконання поставленої задачі, в першу чергу покращення економічних показників роботи земснаряда за рахунок підвищення його використання, сезонної незалежності та якості зневодненого піску. Також нанівець зведені питання екологобіологічних впливів і вирішена проблема гірничотехнічної рекультивації гірничих розробок. Таким чином пропоноване технічне рішення відповідає критеріям корисності і новизни, призначене для використання у промисловості, а саме у добуванні нерудних та будівельних матеріалів, здійснене за допомогою існуючих виробів, промислове освоєних суднобудівною, металургійною, електротехнічною та машинобудівною галузями, також визнаних науково обґрунтованих методів і при його реалізації в умовах Шабовського родовища пісків (Херсонська обл., Голопристанський район; власник горного відводу Херсонський морський торговий порт) забезпечується досягнення практичного результату у вигляді добутих 800,0 тис. тон природного піску високої якості, який відповідає першому класу використання (всі види будівництва без обмежень), чим виконується вимоги промислової придатності, які вбачали автори. Суть процесів корисної моделі пояснюється кресленням (Фіг.) та описом взаємодії складових елементів. До складу комплексу входять земснаряд 1, плавучий 2 та береговий 3 трубопроводи. Останній в зоні розвантаження пульпи оснащений гідроциклоном 4. Земснаряд 1 та плавучий трубопровід 2 розміщені в межах розроблюваного родовища 5, а саме в добувному кар'єрі 6. До останнього примикає гідровідвал 7. Елементи 6 і 7 з'єднані водоводом 8. В свою чергу добувний кар'єр 6 з'єднано водоводом 9 із заплавним котлованом 10. Водоводом 9 забезпечують баланс води у добувному кар'єрі 6. Котлован 10 розміщено безпосередньо в акваторії 11 водного басейну 12 і він є піонерним котлованом, який облаштовано засобами 13 завантаження перевізної техніки 14: водного 14,1 та (або) залізничного 14,2 транспорту. 13 - плавучий (або береговий) грейферний кран. В межах берегової території заплавного котловану 10 розміщено склади 15 - для прийняття зневодненого гідроциклоном 4 піску у випадку відсутності під завантаження перевізної техніки 14. Гідроциклон 4 оснащено зворотним трубопроводом 16, по якому суміш технологічної води - продукта зневоднення, та селективно вимитих нею глинистих часток і пилевидних складових заданої гранулометричної величини надходить до гідровідвалу 7. Гідровідвал 7 відокремлено від добувного кар'єра б дамбою 17. При цьому в добувному комплексі задіяно модернізований земснаряд ЛС-27М на основі насосного агрегату 250G-SHG фірми Weir Warman (Велика Британія) з продуктивністю по твердому 166 тон за годину (по пульпі 1000 м3/годину) при концентрації твердого в пульпі від 15 %, найбільшій довжині транспортування до 1500 метрів, напорі 67 м, потужності приводного двигуна 315 кВт. Внутрішній діаметр трубопроводу оголовка землесосу - 400 мм, в тому числі гнучкого плавучого (довжиною 150 м) і берегового трубопроводів нагнітання - 350 мм. Внутрішнє зневоднення добутого піску та його завантаження у транспортні засоби або пошарове конусне складське накопичення вирішене гідроциклонами типу Cavex 660CS фірми Weir Minerals (Велика Британія) з вхідним діаметром 660мм та регламентованим тиском згідно задачі корисної моделі від 100 кПа. Вологість зневодненого піску не перевищує 10 % та є меншою вологості його розрідження 12,58 %. Діаметри гнучкої частини нагнітаючого і зворотного трубопроводів гідроциклону складають 350 мм. Діаметр з'єднуючого заплавний котлован 10 і добувний кар'єр 6 водовода - 1020 мм. Гранулометричні показники родовища в частині глинистих і пилевидних (0,05-0,0001 мм) часток відповідно коливаються в межах від 1,5 до 16,2 % та від 1,8 до 28 %, глибина розробки 12 м. Режим роботи комплексу - цілодобовий, при 27 робочих днів у місяць та не менше 11 місяців у рік. Передбачено гідрорихлення покладів 3-х-сопловим робочим органом з рішенням питання ежектування, попіліювання земснаряда здійснюють з допомогою рознесених якорів та тягових лебідок. Розміщення гідроциклонів 660CS вежове з переміщенням повздовж лінії розвантажування з допомогою додаткового транспортного засобу. Електропостачання добувного комплексу від енергомережі напругою 10 кВ через комплектний трансформаторний пункт потужністю 630 кВА напругою 0,4 кВ; сумарна потужність механізмів земснаряда 550 кВт. Також в діючому комплексі передбачені гідрокомпенсатори, засувки, сапуни, кулеві шарнірні з'єднання, які разом з засобами папіліювання та енергопостачання, багерською, пультом керування, додатковими транспортним засобом і насосом не відображенні на кресленні Фіг. Взаємодію складових частин комплексу реалізують наступним чином. В підготовчий період виконують організаційно-технічні заходи: - Формують заплавний котлован 10, достатній по площі та береговому периметру для розміщення засобів завантаження 13, перевізної техніки 14 та складів 15; - Формують в межах родовища 5 відокремлені від акваторії 11 добувний кар'єр 6 та піонерний котлован гідровідвалу 7. Формування елементів 10, 6 і 7 виконують допоміжними засобами механізації: драглайном, грейферним краном, бульдозерами, тощо. При формуванні кар'єра 6 і ємності гідровідвалу 7 виконують зняття ґрунтоворослинного покриття родовища 5, ґрунт якого утилізують для дамбового відокремлення робочого забою кар'єра 6 від гідровідвалу 7. В тілі дамби 17 розміщують водовод 8 для каналізації води з гідровідвалу 7 в зону роботи земснаряда 1; - З'єднують водоводом 9 заплавний котлован 10 та кар'єр 6 для самоплиннного надходження з акваторії 11 котловану 10 до кар'єру 6 технологічної води. Водовод 9 облаштовують засувкою для регулювання надходження води. Кількість останньої має бути достатньою для роботи земснаряда 1. При цьому крім води з котловану 10 до кар'єра 6 надходить дренуюча ґрунтова вода; - В межах добувного кар'єра 6 монтують земснаряд 1 з плавучим 2 і береговим 3 трубопроводами. Останні оснащені в необхідній кількості засувками, гідрокомпенсаторами, сапунами, кульовими шарнірними з'єднаннями та блокуючим клапаном; - Приєднують до трубопроводу 3, в межах зони розвантаження з нього пульпи, гідроциклон 4. Останній облаштовують зворотним трубопроводом 16 та з'єднують з гідровідвалом 7; - Комплекс приєднують до електромережі та опресовують задіяні трубопроводи. По виконанні підготовчих оперативно-технічних заходів вводять в роботу землесос, насоси гідророзмиву та підпору і охолодження ущільнюючих сальників землесоса і насоса гідророзмиву. Запуск землесоса і допоміжних насосів виконують на закриті засувками напірні магістралі. Використовуючи систему папіліювання оператор (багермейстер) з пульта керування земснарядом 1 за допомогою тягових лебідок підводить оголовок землесоса та робочого органу гідророзмиву до розроблюваного ґрунту і відкриває засувки напірних трубопроводів. За рахунок енергії безпосередньо дії всаса землесосу та ежектуючого потоку від насоса гідророзмиву насичена піском пульпа підходить послідовно до плавучого 2 та берегового 3 трубопроводів. З метою виключення гідроударів та накопичення стисненого повітря береговий трубопровід 3 оснащено запобіжними сапунами і гідрокомпенсаторами, а для надання гнучкості плавучому трубопроводу 2 останній оснащено кульовими шарнірними з'єднаннями. Сапуни, на момент заповнення трубопроводу 3 пульпою з'єднують його (трубопровід 3) з атмосферою. По заповненню пульпою трубопроводів 2 і 3, сапуни закривають, пульпа надходить до гідроциклону 4 - починається процес зневоднення. При цьому відповідно до науковообґрунтованих методів всосу і транспортування рідини, відокремлення з неї зневодненого продукту та селективного вимиву часток заданої маси, регламентують напор пульпи, діаметр пісочної насадки гідроциклону 4 та його вакуум. Наведеним досягають відокремлення з пульпи її глинистих і пилевидних складових піску і технологічної води. Одержана суміш у складі відокремлених води і часток заданої гранулометричної величини, надходить по зворотному трубопроводу 16 до гудровідвалу 7, виконуючи його рекультивацію. Частково освітлена мінералізовано насичена технологічна вода через водовід 8 дамби 17 надходить до забою кар'єра б, тобто в зону роботи земснаряда 1. Останніми діями досягають акумулювання у гідровідвалі 7 заважаючих часток, хімічно і радіоактивне забруднюючих елементів та багаторазового використання технологічної води. Одночасно зневодненим піском покращеної якості безпосередньо з гідроциклону 4 завантажують транспортний засіб 14. При його (14) відсутності пісок накопичують на складах 15. В подальшому при наявності декількох транспортних засобів (наприклад 14,1 та 14,2) їх завантаження виконують із задією елементів 4 і 13. При регламентних зупинках роботи добувного комплексу або виникненні аварійних ситуацій: вимкнення електроенергії, руйнування трубопроводу, тощо, пульпу з трубопроводу випускають безпосередньо на родовище 5, а землесос відокремлюють від пульпи блокуючим клапаном. Таким чином, діючий комплекс дозволяє досягти при гідромеханізованій розробці покладів природних пісків, зняття впливу екологобіологічних та сезонних факторів, виключити забрудненість водного басейну, виконати методом закладки рекультивацією виробленого забою селективне вимитими частками, підвищити якість піску і економічних показників комплексу, чим забезпечено рішення поставленої задачі заявляемого способу. Джерела інформації: 1. UA 20517 E02 В 7/02,15.01.2007, Бюл. № 1, 2007 р. 2. UA 16176 B01 Д 29/62, E02 F 3/0017.07.2006, Бюл. № 7, 2006 р. 3. Рішення про видачу ДПУ на KM по заявці від 09.08.2007 p. № u200709125, E02 Р 1/00, Е21 В 43/00. 4. SU 1682442 Е 02 В1/00,07.10.1991, Бюл. № 37, 1991 р. 5. Хенк ван Муйєн (ІНС Holland). Приклади використання земснарядів для добування корисних копалин. Гідромеханізація - 2003. По матеріалам 3-го з'їзду гідромеханізаторів Росії. М., МДГУ, 2004, с. 202-228. 6. Е.А. Кононенко. Досвід використання і перспективи гідромеханізації на кар'єрах. Горний журнал. № 3, № 7, 1997, с. 24-26 та 26-29 відповідно. 7. B.K. Егоров, В.Л. Каменецысий, С.Л. Марченко, С.М. Штін. Наукові і практичні досягнення в галузі гідромеханізації. М., МДГУ, 2001. - 499 с, с. 307-313. 8. SU 1652576 Е 21 С49/00,30.05.1991, Бюл. № 20, 1991 р. 9. UA 16810 Е21 С 49/00, E02 F 3/8815.08.2006, Бюл. № 8, 2006 р. 10. І.М. Ялтанец, В.К. Егоров. Гідромеханізація. Довідниковий матеріал. М., МДГУ, 1999, с. 322-324.