CC BY
55
ГЕОТЕХНОЛОГИЯ
УДК 622.271.1.3 П.П Меньшонок
НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ДИАГОНАЛЬНО-ПОПЕРЕЧНЫХ СИСТЕМ РАЗРАБОТКИ НА ПОЛОГОПАДАЮЩИХ МЕСТОРОЖДЕНИЯХ
В ряде предыдущих публикаций [1-3] была установлена актуальность и рассмотрены с различной степенью детализации технические, техникоэкономические и экологические аспекты создания перспективных технологий открытого способа разработки месторождений Кузбасса и других бассейнов Сибири в две очереди отработки при динамическом выборе направления подвигания фронта горных работ: вначале подвига-ние вкрест простирания пластов, а затем - по простиранию, получившей название гибкой технологии. При этом на первой очереди отработки используется продольная или вернопродольная системы разработки, а на второй очереди - новые поперечные системы разработки (наклонные и крутопадющие месторождениях) или диагонально-поперечные системы разработки (пологопадающие месторождения).
Кроме того, применительно к диагонально-поперечным системам разработки на пологопадающих месторождениях решен следующий комплекс вопросов [3,4]. Во-первых, проанализированы взаимосвязи и установлены зависимости между рабочими характеристиками карьерного горно-
транспортного оборудования и параметрами диагонального фронта работ на наклонных уступах в зоне пластов и между-пластий. Во-вторых, рассмотрены особенности технологических схем принципиальной диагонально-поперечной системы
разработки, в том числе, с ведущим звеном в нижней зоне карьера при перевалке вскрыши экскаваторами - драглайнами в выработанное пространство. В-третьих, предложены варианты порядка отработки карьерных полей - схем перспективного развития комбинированного по направлению ориентирования и подвигания фронта горных работ с более полным внутренним отвалообразованием вскрыш-
ных пород и эффективной схемой вскрытия, а также рассмотрены возможные схемы подготовки и развития диагонального
фронта работ на глубину в при-торцевом углубочном блоке карьера (типовой блок А).
В данной работе дается дальнейшее развитие и обоснование технологических решений при различных диагональнопоперечных системах разработки с перспективными комбинированными технологическими схемами на пологопадающих месторождениях.
В общем случае, с учетом угла ориентирования фронта работ на диагональных наклонных уступах (^ди - зависит от угла падения пластов а и соста-
Рис. 1. Диагонально-поперечная система разработки пологопадающих месторождений при различных геометрических видах уступов в угленасыщенной и вскрышной зонах: соответственно, наклонные «естественные» и горизонтальные уступы
ва горно-транспортного оборудования), генеральное направление подвигания фронта горных работ для системы разработки может быть задано либо вдоль торцевых (поперечных) бортов карьера, либо вдоль продольных бортов на промежуточной и конечной глубине разработки. Поэтому общая группа диагональных систем разработки делится на две подгруппы: на диагонально-продольные сис-
темы разработки и на диагонально-поперечные системы
разработки. При этом, как показал анализ полученных расчетных данных [4, табл. 2] для пологопадающих месторождений при углах падения пластов (а) от 4-5° до 15-16° в верхнем диапазоне а при щди < 28 °име-ем первые системы разработки, а при щди > 28 ° имеем вторые системы разработки [4, 5].
При проведении исследований по обоснованию диагонально-поперечных систем разработки учитывается наличие на пологопадающих месторождениях двух технологических зон: нижней по одному-двум (и более) пластам и междупластиям (угленасыщенная зона), отрабатываемой с использованием перевалки вскрыши междупла-стий экскаваторами-
драглайнами в выработанное пространство карьера и экскаваторно-автомобильных комплексов на пластах и верхней - по остальным пластам и всей покрывающей вскрыше (вскрышная зона), отрабатываемой с использованием различного экскавационно - транспортного оборудования. Возможны несколько разновидностей (модификаций) диагонально - поперечной системы разработки по геометрическим признакам технологических зон - геометрическому виду применяемых уступов [6, 7].
Первая разновидность диагонально-поперечной системы разработки (рис.1) характеризуется применением наклонных уступов в угленасыщенной зоне (с углом наклона, равном углу
падения пластов а - уступы наклонные «естественные») при диагональном к простиранию пластов ориентировании фронта работ по пластам и междупла-стиям под углом щди, а также горизонтальных уступов во вскрышной зоне при близком к поперечному ориентировании фронта работ отдельных уступов (угол уу).
Вторая и третья разновидности диагонально-поперечной системы разработки (рис. 2-3) характеризуется двумя комбинациями - подвариантами геометрических видов уступов во вскрышной зоне. Вторая разновидность (рис. 2) - с применением наклонных уступов в угленасыщенной зоне (с углом наклона, равном углу а) при диагональном ориентировании фронта работ под углом щди и аналогичных наклонных уступов во вскрышной зоне при диагональном ориентировании фронта работ отдельных уступов (Щу = Щи).
Третья разновидность диа-
разработки (рис. 3) с применением наклонных уступов в угленасыщенной зоне при диагональном ориентировании фронта работ под углом Щди и с применением наклонных уступов во вскрышной зоне (с углом наклона ас меньше, чем угол падения пластов, ас < а - уступы наклонные «смягченные») при диагональном или близком к поперечному ориентировании фронта работ отдельных уступов (угол щу).
При первой разновидности диагонально-поперечной системы разработки, характеризующейся применением горизонтальных уступов во вскрышной зоне (рис. 1), для этой зоны может быть выделен условный диагональный фронт горных работ - линия под углом к постиранию пластов, описывающая ломаную линию пересечения горизонтальных уступов рабочего борта с кровлей верхнего наклонного уступа (пласта или междупластия) угленасыщенной зоны.
гонально- поперечной системы При второй разновидности
Рис. 2. Диагонально-поперечная система разработки при одинаковых геометрических видах уступов в угленасыщенной и вскрышной зонах карьера - наклонные «естественные» уступы
дигонально-поперечной системы разработки, с применением наклонных естественных уступов во вскрышной зоне (рис. 2), для этой зоны может быть выделен реальный диагональный фронт работ - линия под углом щв к простиранию пластов.
При третьей разновидности диагонально-поперечной системы разработки, в случае применения наклонных «смягченных» уступов во вскрышной зоне (рис. 3), для этой зоны также может быть выделен условный диагональный фронт горных работ - линия под углом ^ву1 к простиранию пластов.
При всех разновидностях диагонально-поперечной системы разработки обе стратиграфические зоны с учетом конкретных горнотехнических условий на месторождении, а также состава оборудования и решаемых задач, могут иметь различное соотношение углов щи, уву , Wey1 и различные элементы систем разработки. В частности, диагональное ориентирование фронта работ наклонных уступов в угленасыщенной зоне (по пластам и междупластиям) определяется способностью
вскрышного и добычного горно-транспортного оборудования преодолевать определенный
уклон вдоль фронта работ.
Получены основные расчетные выражения для определения параметров системы разработки в угленасыщенной зоне при любой разновидности диагонально-поперечной системы разработки, которые базируются на учете взаимосвязи между углом ориентирования диагонального фронта работ (щди) и уклоном вдоль фронта наклонных уступов (аи1) при различном угле падения пластов (а). Wdu=arcsin(tgau • ctga), ° (1) a.ui= arc tg(sin Уди • tgа), °.
Эти же зависимости справедливы для угленасыщенной и вскрышной зон при диагональнопоперечной системе разработки с наклонными «естественными»
уступами в обеих зонах.
Рис. 3. Диагонально-поперечная система разработки при различных геометрических видах уступов в угленасыщенной и вскрышной зонах карьера -соответственно, наклонныш «естественны!^» и наклонныге «смягченныге»
уступы
При разновидности диагонально-поперечной системы разработки с горизонтальными поперечными или диагональными уступами во вскрышной зоне, элементы и параметры системы разработки этой зоны могут быть установлены с использованием расчетного выражения:
¥в =
%7 \
=arctg[Т\Иг .^а^іпщу /
1 1
(Т{ШРП. + ^.с№у)+
1
+ Е^^а-адру )«) )] 1
, ° (2) где Нгі - высота горизонтального вскрышного уступа, м;
пгі - порядковый номер уступа, описываемого условным диагональным фронтом работ, шт;
уу - краткосрочный угол откоса вскрышного уступа,град.;
Шрпя - ширина рабочей
площадки вскрышного уступа, м;
уу - угол ориентирования фронта работ горизонтальных уступов относительно простирания пластов, °.
При выдержанных элементах карьера данная формула имеет упрощенный вид:
¥в =
= arctg [Иг • ctga • sin у/у / ( {ШРп г + Иг • ctg7у ) +
{иг ■ ctga • ctg /у )in /у )]
, ° (3)
В составе диагональнопоперечных систем разработки всех разновидностей для отработки наклонных диагональных уступов в угленасыщеной зоне разработан и обоснован ряд специальных технологических схем, включающих перевалку вскрыши междупластий драглайнами во внутренний бестранспортный отвал. А также разработку вскрытой заходки по пласту(ам) с экскавацией, погрузкой в средства транспорта и
Рис. 4. К определению параметров отработки диагонального наклонного уступа по междупластию экскаватором-драглайном: а -отработка выемочной заходки в направлении сверху вниз (под уклон); б - то же - в направлении снизу вверх (на подъем).
транспортированием угля из карьера (из экскаваторного забоя) по специальным выездным траншеям на откосах уступов с руководящим уклоном, противоположном углу падения пластов (с крутым приведенным рабочим уклоном) и по транспортным площадкам на почвах пластов на рабочем борту. Это, в частности, обеспечивает такие преимущества технологических схем, как существенное уменьшение общего количества, а также длины и трудоемкости строительства отдельных траншей.
В числе новых технологических схем, предложены две схемы экскавации вскрышных пород драглайном во внутренний бестранспортный отвал с делением междупластия на два наклонных подуступа и формированием на границе между подуступами вспомогательных горизонтальных и наклонных площадок (рис. 4 а, б).
Одна схема экскавации с рабочим ходом драглайна на диагональном фронте по направлению от верхних отметок к нижним (под уклон - рис. 4 а). Другая схема экскавации с рабочим ходом драглайна по направлению от нижних отметок к верхним (на подъем - рис. 4 б). Характерно, что в первом случае горизонтальные площадки для работы (стояния) драглайна при отработке нижнего подус-тупа создаются срезанием определенного слоя породы (ЛНч), а во втором - подсыпкой слоя породы; получены определенные зависимости для определения элементов и параметров этих схем экскавации.
Обе схемы экскавации обеспечивают разную степень зависимости технологического доступа средствами транспорта к разрабатываемому пласту с учетом взорванной заходки по междупластию, а также разную степень использования рабочих параметров драглайна (в частности, паспортной глубины черпания) и не одинаковое соотношение между верхним и
нижним подуступами. В конечном итоге, они обеспечивают разную высоту отрабатываемого наклонного уступа и разный коэффициент переэкскавации. Здесь преимущества имеет первая схема экскавации. В свою очередь, у второй схемы экскавации преимуществами являются более высокая устойчивость отсыпаемой отвальной заходки и уход забоя от водного притока. Таким образом, каждая из схем имеет свои преимущества и недостатки, а также наиболее рациональные условия (области) применения.
Новые технологические схемы отработки и вскрытия диагональных наклонных уступов (пластов и междупластий) в нижней части угленасыщенной зоны предусматривают в определенной последовательности использование (сочетание) различных процессов и оборудования (рис. 5).
Вначале на отработке меж-дупластий (после предварительной буровзрывной подготовки) используется наиболее прогрессивный и эффективный процесс - перевалка вскрыши драглайнами во внутренний
Рис. 5. Схема отработки и вскрытия нижней части свиты пластов на диагональном фронте работ при перевалке вскрыши междупластий драглайнами ЭШ15/90 во внутренний отвал и выемке пласта экскаваторно-автомобильными комплексами : а - перевалка вскрыши над пластом II; б - то же над пластом II и III; 1,2 - соответственно, забои экскаваторов ЭШ 15/90 №1 и ЭШ 15/90 №2.
бестранспортный отвал. При этом схемы экскавации учитывают новый (более благоприятный) геометрический вид диагональных наклонных уступов в продольном и поперечном сечениях фронта работ (заходок) со стороны отрабатываемых
вскрышных уступов и со стороны бестранспортного внутреннего отвала, что сопровождается снижением трудоемкости работ.
Затем производится отработка вскрытой заходки по пласту с использованием либо экскаваторно-автомобильного комплекса, либо другого оборудования (например, ковшовых погрузчиков с организацией перегрузки угля в средства транспорта за пределами рабочих уступов на кровле верхнего междупластия или на оставляемом продольном нерабочем борту первой очереди.
Транспортировка угля в автосамосвалах (ковшовых погрузчиках) из отрабатываемых заходок (забоев) осуществляется по специальным вскрывающим траншеям на откосах уступов и по наклонным технологическим площадкам в заходках. Как уже отмечалось, благодаря новым более благоприятным геометрическим параметрам наклонных уступов, при их вскрытии применяются специальные крутоуклонные выездные траншеи. Эти траншеи характеризуются не значительными объемами и низкой трудоемкостью строительства - в сравнении с традиционными траншеями на параллельных простиранию уступах. Таким образом, рассматриваемые технологические схемы отработки и вскрытия нижней части угленасыщенной зоны являются интегральными.
Возможны различные модификации данных интегральных технологических схем, учитывающие количество и мощность пластов и междупластий, а также требуемую интенсивность горных работ - количество вскрышных драглайнов и
добычных экскаваторноавтомобильных комплексов
(ковшовых погрузчиков). При необходимости достижения высокой интенсивности, например, в случае отработки двух пластов и междупластий применяются, как правило, два комплекта вскрышного и добычного оборудования (рис. 5).
В новых схемах экскавации учитывается «смягчение» рабочих углов наклона по пластам и междупластиям в продольном и поперечном сечениях фронта работ (заходок), например, с а = 10 - 11 ° до а1 = 7 °. Это благотворно отражается на показателях схем экскавации: установлено, что происходит снижение коэффициента переэкскавации на 20 - 30 % (помимо эффектов увеличения доли взрывного перемещения вскрышной заходки в отвал и повышения устойчивости - компактности отвала).
Для выполнения комплекса расчетов, связанных с обоснованием схем экскавации на перевалке вскрыши драглайнами во внутренний бестранспортный отвал получен ряд формул. В том числе, при направлении отработки диагональной выемочной заходки по междупла-стиям свеху вниз (под уклон). И при направлении отработки снизу вверх (на подъем).
Кроме того, при разновидностях диагонально-
поперечных систем разработки, содержащих на верхней (вскрышной) зоне наклонные диагональные уступы («естественные» или «смягченные») для отработки этих уступов, предложены новые технологические схемы разработки с использованием различных экскавационно
- транспортных комплексов. В частности, при использовании экскаваторно-автомобильных комплексов технологические схемы включают деление уступов (выемочных заходок) на подуступы с формированием на границе подуступов вспомогательных наклонных и горизонтальных площадок. Предусматривается также подготовка в
смежной заходке на поверхности наклонного уступа горизонтальных площадок для установки автосамосвалов под погрузку экскаватором - мехлопатой или экскаватором - драглайном.
В зависимости от сочетания геометрических видов уступов в двух стратиграфических технологических зонах - верхней вскрышной и нижней угленасыщенной для рассматриваемых разновидностей диагональнопоперечных систем разработки, соответственно: горизонталь-
ные и наклонные естественные (разновидность 1 - рис. 1); наклонные смягченные и наклонные естественные (разновидность 3 - рис. 3); наклонные естественные и наклонные естественные (разновидность 2 -рис. 2). А также с учетом углов ориентирования того или иного диагонального наклонного фронта работ для этих зон: при первой разновидности - реального и реального, при второй и третьей разновидностях - реального и условного формируются конкретные случаи пространственно-технологических взаимосвязей между зонами; определяются основные элементы и параметры системы разработки и вскрывающих выработок карьера.
Основными преимуществами всех разновидностей диагонально-поперечной системы
разработки в угленасыщеной (нижней) технологической зоне на наклонных диагональных уступах являются: повышение объема взрывного перемещения пород в бестранспортный отвал, устойчивости и относительной приемной способности отвала, полноты использования рабочих параметров драглайнов с возможностью приращения высоты разрабатываемого уступа.
Кроме того, уменьшение объёма и трудоемкости проведения въездных траншей на рабочем борту и на внутреннем отвале; создание условий для естественного стока внутри-карьерных вод в нижнюю часть диагонального фронта работ и
Рис. 6. Модификации диагонально-поперечных систем разработки по видам пространственно-технологических взаимосвязей в стратиграфических зонах карьера
осушения забоев и др. В конечном итоге, значительно улучшаются показатели схем экскавации и технологических схем вскрытия.
При этом для разновидностей систем разработки с наклонным характером уступов во вскрышной зоне в ряде случаев обеспечиваются такие дополнительные преимущества, как повышение высоты разрабатываемых уступов и, соответственно, сокращение их количества. Как обеспечение простоты транспортных взаимосвязей между уступами и с поверхностью, а также улучшение общей схемы вскрытия карьера - сокращение количества вскрывающих выработок, объема и трудоемкости их проведения. К существенным преимуществам относится и то, что значительно упрощается подготовка (нарезка) новых горизонтов - уступов карьера при увеличении глубины разработки благодаря выполнению этих работ с дневной поверхности. Тем самым, при необходимости может быть обеспечен быстрый ввод в эксплуатацию дополнительного оборудования, а значит может быть повышена интенсивность отработки месторождения (карьерного поля).
Возможны различные под-варианты (дополнительные модификации) диагонально-
поперечной системы разработки по признаку пространственнотехнологических взаимосвязей между угленасыщенной (нижней) и вскрышной (верхней) зонами. В основу подвариантов может быть положено различие в соотношении углов ориентирования для диагональных наклонных фронтов в этих зонах. Например, для диагонального наклонного реального фронта работ в нижней зоне (рди) и для диагонального наклонного реального фронта работ (щд) в верхней зоне (при наклонных «естественных» уступах в обеих зонах - вторая разновидность диагонально-поперечной системы разработки, см. рис. 2). Или для аналогичного фронта работ
в нижней зоне и для диагонального наклонного условного фронта работ в верхней зоне (ув) (при наклонных «естественных» уступах в нижней зоне и горизонтальных уступах в верхней зоне - первая разновидность диагонально-
поперечной системы разработки, см. рис.1). А также для аналогичного фронта работ в нижней зоне и для диагонального наклонного условного фронта работ в верхней зоне (щвс ) (при наклонных «естественных» уступах в нижней зоне и накло-ных «смягченных» уступах в
верхней зоне - третья разновидность диагонально-поперечной системы разработки, см. рис. 3). Кроме того, может учитываться соотношение между величинами уклонов вдоль фронта работ в нижней (аи1) и в верхней (ав) зонах. Например, тот или иной реальный, а также условный диагональный наклонный фронт работ может быть как крутоуклонным (когда аи] или ав] больше 5 °), так и пологоуклонным (когда аи] или ав] меньше или равен 5 °).
От соотношения перечисленных элементов и параметров
Рис. 7. Систематизация диагонально-поперечныи системы разработки по видам пространственно-технологических
взаимосвязей для двух зон карьера
диагонально-поперечных систем разработки зависят показатели эффективности технологических схем разработки и вскрытия уступов по стратиграфическим зонам, а также уровень общей концентрации горных работ.
Последняя может характеризоваться соотношением опережения верхней зоны относительно нижней в области (на отметках) промежуточного контура (параметр Ов) и в области (на отметках) конечного контура (параметр Он).
Необходимо отдельно отметить такое важное обстоятельство, что в целом диагональнопоперечные системы разработки карьерных полей наиболее благоприятны с точки зрения оперативного применения различных комбинированных способов разработки месторождений благодаря быстрому планомерному достижению горными работами конечных контуров (глубины) карьера и снижению жестких требований к концентрации горных работ (к технологической и конструктивной взаимосвязи между верхней и
нижней структурными зонами). Соответственно, благодаря
снижению требований к режиму вскрышных работ при развитии горных работ по простиранию пластов, в частности, на второй очереди отработки - по блоку С. Отмеченные преимущества достижимы при определенном значении опережения соответствующего фронта работ в области конечного контура - параметра Он. В этом отношении наиболее привлекательны модификации диагонально-
поперечной системы разработ-
ки, имеющие соотношение Он > Ов (или Он = Ов).
Разработано эскизное графическое изображение названных модификаций диагонально-поперечной системы разработки (рис. 6).
Таким образом, при использовании на карьерах, отрабатывающих пологопадающие месторождения диагонально поперечных систем разработки, главными преимуществами являются: повышение объемов и эффективности внутреннего отвалообразования вскрышных пород; сокращение расстояния транспортирования вскрыши и улучшение параметров транспортного процесса; уменьшение общей площади изымаемых под
объекты карьера земель; сокращение комплексного загрязнения компонентов окружающей среды. Кроме того, при модификациях диагонально-
поперечных систем разработки с однотипными (или близкими) наклонными уступами в обоих стратиграфических зонах, обеспечивается дополнительное улучшение параметров и показателей системы разработки -увеличение высоты и уменьшение общего числа уступов.
Систематизация основных модификаций диагональнопоперечных систем разработки по изложенным признакам представлена на рис. 7.
Дальнейшее совершенствование технологических схем и
процессов на разработке, транспортировании горной массы и отвалообразовании вскрышных пород, включая подготовку новых горизонтов (уступов) и строительство систем вскрывающих выработок. В ряде случаев создаются реальные возможности для текущего применения различных комбинированных способов разработки (и технологических схем) при освоении глубокозалегающих месторождений. Причем, отмеченное в значительной мере справедливо также и при использовании на карьерах диагонально-продольных или веернодиагональных систем разработки.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кузнецов В.И., Меньшонок П.П. Технология разработки месторождений с изменением направления подвигания фронта горных работ. // Уголь, 1997, N0 12- С.31-36.
2. Меньшонок П.П. Создание гибких технологий для разрезов Сибири: основные результаты исследований, перспективы практического использования в Кузбассе. // Энергетическая безопасность России Новые подходы к развитию угольной промышлености. Труды междунар. науч.-практ. конф. Кемерово: Кузбассвузиздат, 2000. С. 42-45.
3. Меньшонок П.П. К вопросу обеспечения экологически безопасного и устойчивого развития карьеров и регионов. // Труды У-й международной научно-практической конференции: «Безопасность жизнедеятельности предприятий в угольных регионах». - Кемерово: Кузбассвузиздат, 2002. С. 51 - 58.
4. Меньшонок П.П., Ческидов В.И. Выбор схем отработки пологопадающих месторождений, обеспечивающих максимальное размещение вскрышных пород в выработанном пространстве // Сб. докл. Междунар. конф. по открытым горным работам. Москва, 1996. С. 52 - 61.
5. Меньшонок П.П. Обоснование очередности отработки пологопадающих месторождений при диагональных системах разработки с внутренним отвалом. // М-лы 3-й Междунар. науч.-практич. конф.: Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири. Кемерово, КУЗ ГТУ, 1999. С 77 - 78.
6. Меньшонок П. П., Галкин В.В. К вопросу систематизации месторождений при использовании диагональных систем разработки с комбинированными технологическими схемами. // М-лы 3-й Междунар. науч.-практич. конф.: Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири. Кемерово, КузГту, 1999. С 75-76.
7. Меньшонок П.П. Определение основных характеристик фронта работ диагональных систем разработки с внутренним отвалом. // М-лы 3-й Междунар. науч.-практич. конф.: Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири. Кемерово, КУЗ ГТУ, 1999. С 79-80.
□ Автор статьи:
Меньшонок Петр Петрович
- канд. техн. наук , дон, каф. разработки
месторождений полезных ископаемых открытым способом
