Обоснование рациональных параметров горных работ глубоких карьеров при внутреннем отвалообразовании Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ «НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 98»

МОСКВА, МГТУ, 2.02.98 .6.02.98 СЕМИНАР 2 «ОТКРЫТЫЕ ГОРНЫЕ РАБОТЫ В СЛОЖНЫХ ГОРНОГЕОЛОГИЧЕСКИХ И ГОРНОТЕХНИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ»

В.П. Мартыненко, к.т.н.

Полтавский ГОК

ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ГОРНЫХ РАБОТ ГЛУБОКИХ КАРЬЕРОВ ПРИ ВНУТРЕННЕМ ОТВАЛООБРАЗОВАНИИ

Открытая разработка большинства месторождений руд черных и цветных металлов до последнего времени предусматривает интенсивное понижение горных работ с вывозкой вскрышных пород за пределы карьера и складированием их во внешние отвалы. Мощность рудных залежей изменяется от нескольких десятков до сотен метров. Предельная глубина их разработки обычно планируется до 300-500 м, достигая в отдельных случаях 700-800 м. Как правило, в эксплуатацию одновременно вовлекается 3-5 и более пластов. Месторождения погружаются в недра земли под углами 60-85°, простираясь на довольно большие расстояния. Особый интерес при этом представляют пластовые месторождения железистых кварцитов, расположенные на территории России и Украины, открытая разработка которых приводит практически к безвозмездной потере огромных площадей плодородных земель.

Резко возросшие требования к охране земельных ресурсов и значительные денежные платежи за их нарушение предопределяют развитие рабочей зоны глубоких карьеров с размещением вскрышных пород во внутренний отвал (рис. 1). Так и при разработке пологих месторождений, сплошная система открытой разработки круто падающих залежей предполагает интенсивное понижение горных работ в зоне углубки и, при достижении дна карьера в предельном положении, продольную подвижку рабочего борта к противоположному

торцу со складированием вскрышной породы в выработанном пространстве.

1-1

А-А

В - 5

Рис.1. Схема к расчету параметров отработки крутопадающих пластовых месторождений с внутренним отвалообразаванием: 1 -контуры карьерного поля; 2 - рабочие горизонты в зонах углубки и подвижки; 4, 5 -площади углубки внутреннего отвала в зонах углубки подвижки; б - ж.-д. коммуникации; 7 - конвейерный подъемник; 8, 9 - остаточные траншеи для транспортных коммуникаций

Условия формирования зоны углубки возможны в трех направлениях.

1. Руда отрабатывается полностью в проектных контурах карьерного поля с отстройкой рабочего борта в крутом положении и вывозкой вскрыши во внешний отвал [1]

2. Рабочий борт конструируется с образованием рабочих площадок шириной 40-60 м с размещением вскрыши за пределами карьера.

3. При достижении определенной глубины И0(м) производится подвижка рабочего борта за пределы зоны углубки и временное складирование вскрыши на промежуточном горизонте с последующей пе-реэкскавацией ее на дно отработанной части карьерного поля. Основным критерием выбора рациональной схемы разработки месторождения является максимальная прибыль горного предприятия, которая достигается при условии минимизации площадей земель, нарушаемых внешними отвалами, и объемов переэкскавации вскрышных пород, а также незначительном расстоянии их перемещения высокоэкономичными видами карьерного транспорта. Поскольку размеры зоны углубки во всех схемах ее формирования различны, то и производительность карьера по добычным и вскрышным работам, а также условия работы транспорта в этот период будут существенно отличаться друг от друга.

Размещение внешних отвалов на площади карьерного поля и последующая переэкскавация вскрыши в выработанное пространство при подвижке рабочего борта карьера сводит к минимуму размеры горного отвода. При этом объем внешних отвалов возможно резко уменьшить, отрабатывая рабочий борт в зоне углубки крутыми слоями под углом до 30-32° [1]. Однако производительность карьера по добыче руды будет минимальной, а по выемке вскрыши - максимальной. Последующее приведение рабочего борта в нормальное состояние приводит к серьезным осложнениям организации горно-транспортных ра-

бот. Сроки достижения предельного положения дна карьера неоправданно увеличиваются на десятки лет, даже при повышении интенсивности понижения горных работ до 20-30 м/год., условиях стесненного рабочего пространства возможна работа только автосамосвалов, что существенно снижает экономичность карьерного транспорта при большой глубине разработки. Выполаживание рабочего борта до 13-19° приводит к повышению производительности карьера по руде. Улучшаются условия работы транспорта. Однако, наряду с этим, в начальный период эксплуатации приходится вынимать значительные объемы вскрыши. При длине карьерного поля до 3-4 км по поверхности исключается возможность размещения внешних отвалов на его площади.

Схема 3 наиболее приемлема для разработки крутопадающих месторождений с внутренним отвалообразованием. Эксплуатация железнодорожных поездов и ленточных конвейеров на верхних горизонтах с размещением транспортных коммуникаций в остаточных траншеях по внешнему периметру внутреннего отвала позволяет эффективно перемещать как руду, так и вскрышные породы. Развитие зоны подвижки по верхним горизонтам резко снижает величину текущего коэффициента вскрыши в начальный период разработки. Размещение относительно небольшого объема вскрышных пород с глубоких горизонтов зоны углубки во временный отвал на промежуточной площадке в зоне подвижки снижает коэффициент их переэкскавации до минимума. Критерием применения такой схемы и условием для расчета параметров системы разработки является равенство объемов вскрыши, размещаемых во внешнем и внутреннем отвалах.

На экономичность такого технического решения большое влияние оказывает и более полное использование железнодорожного транспорта при вскрышных рабо-

тах При необходимости, размещение внутреннего отвала возможно производить в выработанном пространстве зоны углубки на высоту, значительно превышающую земную поверхность.

Известные методы определения параметров зоны углубки позволяют устанавливать ее геометрические размеры в зависимости от мощности свиты рудных пластов, подлежащих разработке на заданную глубину [2]. За основу исследования производственных возможностей железорудных месторождений приняты параметры типовых карьеров с градацией их по протяженности карьерного поля, предельной глубине разработки и производительности [1]. Условием для отсыпки внутреннего отвала на промежуточном горизонте в зоне подвижки служит полная выемка вскрыши по лежачему боку залежи с формированием нерабочего борта карьера на требуемую длину (см. рис. 1).

Пр иемная способность выработанного пространства в зоне углубки У0>у (м3) определяется по формуле

Уо.у = (НоВтрУКр^ГПг + 3#к^Р - 1,5 (Нт л +

+ Нтв)(а%$ + ^ф) - 4а -

где Втр - ширина резервной траншеи, м; Кр -остаточный коэффициент разрыхления пород в отвале; тг - мощность свиты пластов руды, м; Нк -предельная глубина карьера, м; р, Ф - углы откоса нерабочих бортов и внутреннего отвала, градусы; Нтл, Нте -глубина остаточной траншеи со стороны лежачего и висячего боков рудной залежи, м; а - ширина дна остаточной траншеи, м; Ь0 - высота внутреннего отвала над уровнем земной поверхности, м.

Объем вскрышных пород в зоне углубки У9.у (м3) равен

К.у- 0,34 КфНк(ВЬп + тгВтр + ^тгВтрВ1п -

- 0,5/мЛХ» + Втр)(Нк-Нн\

где Кф - коэффициент формы рудной залежи; В - ширина карьерного поля по поверхности, м; L„ - длина зоны углубки по поверхности, м;

In = Втр + tf*(ctgP+ctgoEp);

otp - угол откоса рабочего борта, градусы; Нн

- мощность наносов, м.

Объем вскрышных пород в зоне подвижки Ve,„ (м3) составляет

ve.n = HJ„[me + (Нк - tf,Xctgp - Ctgy) +

+ 0,5//„(ctgp+ctga^. *) ],

где /и- длина зоны подвижки по горизонту временного отвалообразования, м; ф - угол падения рудной залежи, градусы; ар.к- угол откоса рабочего борта при отработке крутыми слоями, градусы.

Приемная способность выработанного пространства на горизонте временного отвалообразования V0.„ (м3) рассчитывается по формуле

К* = К.» - н01п[а + 0,5tfo(ctgp+ctg<p)].

Длина горизонта временного внутреннего отвалообразования определяется из условия размещения текущего объема вскрыши из зоны подвижки в отработанном торце зоны углубки с учетом переэкс-кавации туда же ранее заскладированных вскрышных пород. Принимая исходные данные для расчета, приведенные в таблице, можно утверждать, что с увеличением Н0 остаток вскрыши в зоне углубки, предназначенный для временного размещения в зоне подвижки, начиная с глубины 100 м, уменьшается на 20-25% в расчете на каждые последующие 50 м. Длина промежуточного горизонта для временного складирования этого объема находится в пределах от 3,5'км (для тг = 200 м) до 0,7 км (для тг = 1200м);

Из рис. 2 следует, что при разработке свиты пластов с горизонтальной мощностью до 300-450 м горизонт внутреннего отвалообразозания следует располагать на глубине 300-200 м, а постоянный внутренний отвал формировать с превышением над уровнем земной поверхности на 100-60 м. Разработка свиты пластов с большей мощностью дает возможность размещать вскрышу в постоянный отвал на уровне земной поверхности. Комплексное использование вскрышных пород для производства попутной продукции позволяет снизить объемы отвалообразования. Сложившийся рельеф отработанного месторождения возможно использовать для сельскохозяйственной и водной рекультивации, что существенно отразится на состоянии окружающей природной среды.

Рис.2. График зависимости глубины расположения горизонта с временным внутренним отвалом в зоне подвижки //„ (м) и мощности рудных пластов тг (м): I - область внутренних отвалов с повышением над земной поверхностью; 2 - область складирования пород на уровне земной поверхности

Эффективность данной технологии исследована на примере разработки Го-ришне-Плавнинского и Лавриковского железорудных месторождений, которые эксплуатируются Полтавским горно-обогатитель-ным комбинатом. В соответствии с техническим проектом института

Ю жги проруда общая длина карьера установлена 8 км. , его пределах выделены основной карьер длиной 3 км и глубиной 700 м, средняя часть - длиной 1,2 км и глубиной 500 м, дальняя часть - длиной 3,8 км и глубиной 300м. Железорудные пласты погружаются в недра земли под углом 75-800 и имеют мощность в пределах основного карьера 150-220 м, в средней и дальней частях - 36-41 м. Проектная производительность карьера по добыче железной руды -34 млн т/год, вскрыше -31 млн м3/год. , настоящее время длина карьера 5 км, в т.ч. дальней части 0,8 км. Горные работы ведутся на глубине 220 м в основном карьере и уменьшаются до глубины 170 м в дальней его части. Верхние горизонты отрабатываются с применением железнодорожного транспорта, нижние - автомобильного.

Цо предложению работников комбината в карьере выделены две очереди отработки: в средней и дальней частях карьерного поля. Высота первой очереди составляет 170-180 м. Отработку ее планируется вести без увеличения достигнутой глубины в дальней части до предельной границы в торце карьерного поля. Высота второй очереди совпадает по подошве с предельной глубиной отработки и в средней части составляет 320 м, в дальней - 120 м. , первичный внутренний отвал предполагается уложить 60 млн. м3 вскрышных пород. Годовой объем внутреннего отвалообразования 4-5 млн. м3.

Промышленное внедрение вышеуказанной технологии внутреннего отвалообразования на карьере ПГОКа ведется с IV квартала 1993 года. На западном борту бедные железистые кварциты с горизонтов -135 м- 75 м складируются во внутренний отвал с отметкой подошвы -150 м. Ежеквартальный объем складирования составляет 300 тыс. м3, средней части карьера в первичный внутренний отвал на отметке -105 м до конца 1997 года уложено 9,6 млн. м3 вскрышных пород.

Параметры разработки крутопадающих железорудных месторождений до глубины 500 м

с внутренним отвалообразованием

Показатели Мощность свиты пластов, м

200 300 800 1200

Годовая производительность по руде, млн м3 4 6 8,8 12,4

Годовое понижение горных работ, м 10,8 7,6 4,3 2,5

Ширина карьера поверху, м 1400 1500 2000 2400

Длина зоны углубки поверху, м при Р = 40°; Втв ~ 40 м; <хв = 300/190 1500/2100 1500/2100 1500/2100 1500/2100

Объем вскрыши в зоне углубки при а0 = 30719°, млн м3 225,9/323,3 215,5/300,7 163,7/219,7 121,8/152,5

Вместимость внутреннего отвала в зоне углубки, млн м3 421,8 448,4 613,5 743,1

Требуемая вместимость внутреннего отвала | при развитии зоны подвижки, млн м3 618,1 562,8 417,2 ' 237,6

Применение внутреннего отвалооб-разования позволило снизить расстояние перевозки вскрыши автомобильным транспортом на 1,2-2,5 км, железнодорожным -на 5 км. Сбережено от нарушения внешними отвалами 6 га пахотных земель. Годовой экономический эффект превысил 60 тыс. три.

На период до 2 ООО г. планируется уложить во внутренний отвал 36,3 млн.м3 вскрышных пород. Кроме значительного экономического эффекта внутреннее отва-лообразование позволяет не только существенно сократить расстояние перевозки вскрышных пород автосамосвалами и отказаться от применения для этого внутри-карьерного железнодорожного транспорта,

но и полностью предотвратить дальнейшие нарушения земельных площадей внешними отвалами, сократить выбросы в атмосферу огромных объемов пыли и выхлопных газов, создать благоприятные условия для последующей рекультивации отработанных участков карьерного поля.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Вскрытие глубоких горизонтов карьеров / А.Ю. Дриженко, В.П. Мартыненко, В. И. Симоненко и др.; под ред. проф. А.Ю. Дриженко. - М.: Недра. 1994. - 228 с. >

V 2. Кугёачев К.А., Майминд В,Я. Проектирование железорудных карьеров. - М.: Недра. 1981. -464 с.

© В.П. Мартыненко