CC BY
31
УДК 622.271.333
© М.Г. Саканцев, Г.Г. Саканцев, 2014
ИССЛЕДОВАНИЕ ФАКТОРОВ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ ЭФФЕКТИВНУЮ ОРГАНИЗАЦИЮ РЕШЕНИЯ ВОПРОСОВ ПОСТАНОВКИ БОРТОВ КАРЬЕРОВ В ПРЕДЕЛЬНОЕ ПОЛОЖЕНИЕ*
Доказывается возможность сокращения объемов вскрышных работ в конечных контурах карьеров на основе оптимизации высоты погашаемых уступов с учетом физико-механических и структурных свойств массива, а также на основании чередования узких и широких берм. Ключевые слова: карьер, предельный контур, высота уступа, оптимизация, вскпышные работы.
Углы погашения бортов глубоких карьеров зависят от общей устойчивости и конструктивных значений, которые представляют функцию количества и ширины транспортных и предохранительных берм, высоты погашаемых уступов и углов откосов. Их оптимизация является важной задачей проектирования карьеров, и они в значительной мере определяют объемы вскрышных работ.
Конструктивный угол наклона предельного борта карьера а (град.) в общем случае определяется по формуле [1]:
пИ.
а = агс(д—---, (1)
£ И-СЦау1 + (п -1 )В, + £ Вр
1
где п - количество уступов в карьере; И-i - высота >того уступа
в предельном положении, м; а- угол откоса 1-го уступа, град.;
В1 - ширина >той предохранительной бермы, м; Втр - ширина транспортной бермы, м.
Как известно, в соответствии с общими положениями теории устойчивости откосов при прочих равных условиях (физико-механических свойств горных пород, условий их залегания, тех-
* Работа выполнена по программе Президиума РАН №34. Проект №12-П-5-1028
Рис. 1. Изменение устойчивого угла откоса уступа в зависимости от его высоты: 1, 2, 3, 4, 5 — при высоте уступа 30 м углы откоса а^ в зависимости от свойств пород равны соответственно 45°, 50°, 55°, 60° и 70°
нологии заоткоски и коэффициентов запаса устойчивости) устойчивые углы откосов уступов находятся в обратной зависимости от высоты уступа в предельном положении, что показано на рис. 1 [1]. Так, например, изменение высоты уступа с 30 до 20 м позволяет увеличить его угол откоса на 5-10°. Поэтому на значение угла наклона борта карьера, а, следовательно, и на объем карьера, существенное влияние будет оказывать высота уступа в предельном положении.
На карьерах, разрабатывающих сложноструктурные месторождения, высота уступа в предельном положении составляет 3036 м, а иногда - 40-45 м. Для тех карьеров, где конструктивный угол наклона борта карьера меньше устойчивого, снижение высоты погашаемых уступов до 20-24 м позволяет увеличить их углы откосов, а, следовательно, и бортов карьеров в целом. Это мероприятие в частности было заложено в проекты разработки Молодежного карьера Учалинского ГОКа и реконструкции Сибайского карьера БМСК.
В частности, на Сибайском карьере уменьшение высоты погашаемых уступов с 30-40 до 20 м при увеличении углов откосов этих уступов на 5° при применении наклонных предохранительных берм позволило сократить объемы вскрыши в контуре карьера на 19,6 млн м3.
Регулируя высоту уступа, а следовательно, изменяя углы его откоса и ширину предохранительной бермы, можно добиться такого положения борта карьера, при котором его конструктивный угол будет максимальным при условии обеспечения его устойчивости.
Исследования проведены для наиболее типичных условий разработки руд цветных и черных металлов.
При проведении исследований разработки руд цветных металлов были использованы зависимости устойчивого угла откоса от его высоты [1], [2] в условиях, при которых 30-метровые уступы имеют углы откоса соответственно: 45о, 50о, 55о, 60о и 70о (см. рис. 1).
Для исследования принята средняя ширина предохранительных берм 6, 8 и 10 м исходя из условий безопасности размещения буровых станков при проведении заоткосочных работ и бульдозеров при очистке берм от осыпи. При этом предусмотрен вариант оставления через уступ узких и широких берм при условии обеспечения безопасности горных работ по условиям камнепада. Так альтернативой берме шириной 6 м могут быть чередующиеся бермы шириной, например, 4 и 8 м, берме шириной 8 м - бермы шириной 6 и 10 м и т.д. Но в этом случае минимально возможная ширина узких берм должна приниматься из условия, обеспечивающего возможность увеличения углов откосов уступов, смежных с этими бермами.
В результате исследований на основе зависимости, представленной на рис. 1, определены конструктивные углы откосов предельных бортов карьеров при разной высоте заоткашиваемых уступов и ширине предохранительных берм (табл. 1). Происходящее уменьшение высоты заоткашиваемых уступов и основанное на этом увеличение конструктивных углов обеспечивает сокращение объемов вскрышных работ. Величина этого сокращения в зависимости от высоты уступа и ширины предохранительной бермы характеризуется графиками, представленными на рис. 2.
Оказалось, что зависимость изменения объемов вскрыши при разных значениях высоты уступов
Рис. 2. Зависимость уменьшения относительных объемов вскрыши от выгсотыг погашаемым уступов: 1 - Вб=6 м; 2 - Вб=8 м; 3 - Вб=10 м; — а30=60°, - - а30=70°.
в предельном положении и соответствующих им устойчивым углам откосов носят криволинейный характер и имеют точку экстремума, смещенную в сторону меньших высот по сравнению с применяемыми на практике. Причем смещение экстремума тем больше, чем меньше ширина предохранительной бермы и хуже физико-механические свойства пород. Так, переход на высоту уступа в предельном положении с 30 м при угле его откоса 50о на 18 м с шириной предохранительной 8 м позволит увеличить конструктивный угол наклона борта карьера на 3о и снизить объемы вскрыши в контуре карьера на 6,7 % при соответствующем снижении среднего коэффициента вскрыши. Для более крепких пород рациональная высота уступа составит 21 м при несколько меньшем снижении объемов вскрыши - 5,8 %. С увеличением ширины предохранительной бермы до 10 или 12 м оптимум смещается в сторону больших значений высоты уступов (до 18-21 м) при значительно меньшем снижении объемов вскрышных работ -2-4 %. Следовательно, при проектировании заоткосочных работ необходимо стремиться к созданию ширины предохранительных берм минимальных размеров, достаточных для нормальной работы бульдозеров по очистке берм, применяя при этом буровое оборудование с соответствующими габаритами.
Таблица 1
Величина конструктивного угла откоса борта, ао
Ширина предохранительной бермы Вб, м Устойчивый угол откоса уступа высоты 30 м, азо Высота уступа, йу, м
15 18 21 24 30
6 45 43,8 42,3 41,3 40,3 38,6
(4+8) 50 50,8 49,5 48,0 46,9 45,0
60 60,2 59,3 57,9 56,9 54,1
70 65,2 63,9 64,3 60,7 58,1
8 45 39,6 39,3 38,9 38,3 37,2
(6+10) 50 45,1 45,1 44,6 42,2 42,1
60 54,8 54,8 54,2 53,2 51,7
70 59,3 59,0 58,1 57,2 55,5
10 45 41,4 41,4 41,4 41,4 41,3
(6+14) 50 41,9 42,0 42,0 42,0 41,9
60 49,8 50,7 50,6 50,3 49,5
70 53,9 54,2 54,4 53,8 52,9
Таблица 2
Величина конструктивного угла откоса борта, ао
Ширина предохранительной бермы Вб, м Устойчивый угол откоса уступа при йу=30 м Высота уступа йу
15 20 25 30
50 48,0 46,0 44,5 43,8
6 58 51,3 51,0 50,8 50,5
(4+8) 67 56,7 57,5 57,7 58,0
76 63,0 64,5 65,3 65,8
50 43,8 43,2 42,1 42,1
8 58 47,0 48,0 48,2 48,2
(6+10) 67 51,6 53,5 54,5 55,2
76 57,3 60,3 61,8 62,7
50 40,5 40,5 40,5 40,5
10 58 43,2 44,7 45,7 46,3
(6+12) 67 47,2 50,0 51,7 52,8
76 52,2 55,9 58,5 59,7
Аналогичные исследования, проведенные применительно к типичным условиям, характеризующимися низкими сцеплениями массивов по поверхностям ослабления, разработки месторождения руд черных металлов привели к несколько другим результатам. Исследована зависимость углов откосов конструктивных бортов при угле трения по поверхности ослабления ^п =15о и сцеплению по поверхности ослабления Сп = 5 кг/м2. Принято к рассмотрению четыре варианта устойчивых углов откосов уступов при высоте уступа 30 м: 50, 58, 67 и 76°, соответствующие углам падения поверхности ослабления в сторону выработанного пространства в=40, 50, 60 и 70о. Рассмотрены варианты высоты уступов 15, 20, 25 и 30 м, ширины предохранительных берм 6, 8 и 10 м. Результаты расчетов приведены в табл. 2.
Из данных табл. 2 следует, что увеличение конструктивных углов бортов возможно за счет уменьшения высоты погашаемого уступа на предельном контуре только при небольшой средней ширине предохранительных берм и небольших устойчивых углах
откосов 30-метровых уступов: 50-58о соответствующих углам падения поверхностей ослабления 40 и 50о. При а30 = 50° высоте уступа 15 м соответствует увеличение конструктивного угла на 4,2°, высоте 20 м - на 2,2°, высоте 25 м - 0,7°. При а30 = 58° эти цифры соответственно составят 0,8°; 0,5° и 0,3°. В остальных случаях особенно при значительной (10—12 м) ширине предохранительных берм, уменьшение высоты погашаемого уступа приводит к уменьшению конструктивных углов. Соответственно уменьшение объемов вскрышных работ за счет уменьшения высоты погашаемых уступов возможно только при небольшой ширине предохранительных берм (не более 6-7 м) и низкой прочности горного массива (табл. 3).
Формирование предельных бортов карьеров с чередованием узких и широких берм превращает уступы, разделенные узкими бермами, фактически в высокие уступы. Соответственно уступы высотой 15—21 м превращаются в уступы высотой 30—42 м.
Уступы высотой 15 м (табл. 3), обеспечивающие максимальное снижение объемов вскрыши в контурах карьера при небольшой средней ширине берм и малых устойчивых углах откосов уступов превращаются в уступы высотой 30 м. В этих случаях функции предохранительных берм, связанные с уборкой просыпей, обеспечением прохода людей и техники и защиты нижних уступов от камнепада, выполняют только широкие бермы. Применение чередования широких и узких берм целесообразно только тогда, когда верхний уступ, смежный с узкой бермой, можно рассматривать как самостоятельный по условиям устойчивости. То есть ширина узкой бермы должна обеспечивать это условие.
Таблица 3
Относительное снижение объемов вскрыши по сравнению с Ну=30м, %
Ширина предохранительной бермы Вб, м Устойчивый угол откоса уступа при йу=30м Высота уступа ку
15 20 25 30
6 50 13,2 7,0 1,7 -
(4+8) 58 3,0 1,8 1,0 -
67 - - - -
70 - - - -
Выводы
Таким образом, формирование предельных бортов карьеров должно производиться с учетом влияния высоты погашаемых уступов на устойчивые углы откосов при их увеличении с уменьшением высоты.
Наличие взаимосвязи высоты уступов со значениями их устойчивых углов обеспечивает возможность увеличения конструктивных углов погашения бортов карьеров и уменьшения объемов вскрышных работ. Это достигается на основе оптимизации высоты погашаемых уступов с учетом физико-механических и структурных свойств массива горных пород, а также, в определенных случаях, на основе чередования узких и широких берм, в результате чего рабочие уступы на предельном контуре превращаются в высокие уступы ступенчатой формы.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Яковлев В.Л., Саканцев М.Г., Саканцев Г.Г. Границы карьеров при проектировании разработки сложноструктурных месторождений. Екатеринбург: УрО РАН, 2009. - 302 с.
2. Попов В. Н., Байков Б. Н. Технология отстройки бортов карьеров. М.: Недра, 1991. 252 с.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Саканцев Михаил Григорьевич - доктор технических наук, старший научный сотрудник лаборатории управления качеством минерального сырья, geogrigs37@mail.ru,
Саканцев Георгий Григорьевич - доктор технических наук, старший научный сотрудник лаборатории открытой геотехнологии, Институт горного дела УрО РАН, lubk_igd@mail.ru
UDC 622.271.33
INVESTIGATION OF THE FACTORS THAT ENSURE EFFECTIVE ORGANIZATIONS ADDRESSING SETTING BOARDS IN THE LIMIT POSITION
Sakantsev Mikhail Grigor'evich, Doctor of Technical Sciences, senior researcher of the laboratory of quality control of mineral raw materials, geogrigs37@mail.ru, Sakantsev George Grigor'evich, Doctor of Technical Sciences, senior scientific officer, Institute of mining, Ural branch of the Russian Academy of Sciences, geogrigs37@mail.ru; lubk_igd@mail.ru
The possibility of reducing the amount of mine stripping in limiting contours of open pits is proved. It is done on the basis of optimization of height of cliffs with account of physical and mechanical properties of a massif and on the basis of alternation of narrow and wide ledges.
Key words: open pit, limiting contours, cutting depth, optimization, mine stripping.
REFERENCES
1. Jakovlev V.L., Sakancev M.G., Sakancev G.G. Granicy kar'erov pri proektirovanii razrabotki slozhnostrukturnyh mestorozhdenij (The boundaries of the pits when designing complex-structured deposits). Ekaterinburg, UrO RAN, 2009, 302 p.
2. Popov V. N., Bajkov B. N. Tehnologija otstrojki bortov kar'erov (The technology of the detuning of the pitwall). Moscow, Nedra, 1991, 252 p.
