CC BY
82
СЕМИНАР 2
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 98" МОСКВА, МГГУ, 2.02.98 - 6.02.98
М.В. Баженов, д.т.н., В.П. Линев, к.т.н.,
Соколовско-Сарбайское ГОПО Гипроруда
Г.А. Холодняков, проф., д.т.н., С.И. Фомин, доц., к.т.н.,
СПГГИ СПГГИ
Основные положения технологии открытой разработки крутопадающих месторождений этапами
Существующие объективные тенденции ухудшения горно-технических условий открытой разработки крутопадающих месторождений, трудности переходного периода к рыночной модели экономики, требуют изменения в технологиях и методах проектирования карьеров.
При разработке крутопадающих залежей с увеличением глубины карьеров возрастает, как правило, и текущий коэффициент вскрыши.
По мере углубления карьера объемы вскрышных работ увеличиваются и достигают максимума в момент подхода рабочего борта к верхнему конечному контуру карьера на поверхности. Наибольшие трудности в работе карьера встречаются в период достижения горными работами проектных контуров карьера по поверхности. Этот период характеризуется сокращением ширины рабочих площадок, уменьшением резервов подготовленных к выемке запасов и проявлением тенденции к сокращению длины рабочего фронта и уменьшению производительности карьера по руде.
Одним из широко применяемых способов снижения величины текущего коэффициента вскрыши является уменьшение ширины рабочих площадок вплоть до ширины транспортных берм или берм безопасности, т.е. формирование в рабочей зоне временно нерабочих участков борта карьера.
На практике широко используется способ открытой разработки месторождений в несколько этапов с формированием в рабочей зоне карьера участков временно нерабочего борта (целиков) и вскрытием рабочих горизонтов системой временных съездов [1]. Недостатком способа является необходимость частого демонтажа и последующего монтажа транспортных коммуникаций, размещаемых во временных вскрывающих выработках. В процессе отработки этапа целик непрерывно перемещается за счет разноса его верхних горизонтов и приведения в целик нижних горизонтов карьера. Перед производством массового взрыва верхних горизонтов целика необходимо во избежание завала демонтировать транспортные коммуникации в пределах целика, а после взрыва производить монтаж транспортной сети, что при применении электрифицированного железнодорожного или конвейерного транспорта сопряжено с большими затратами.
Известен также способ поэтапной отработки карьера с совмещением одного из предельных бортов карь-
ера каждого последующего этапа и транспортированием горной массы по коммуникациям, расположенным на совмещенном предельном борту [2,3].
В соответствии с рассматриваемым способом этапы отработки карьера назначают таким образом, чтобы один из предельных бортов каждого последующего этапа совмещался с соответствующим предельным бортом предыдущего этапа. С использованием транспортных коммуникаций отрабатывают запасы руды и породы соответствующего этапа с одновременным формированием совмещенного предельного борта следующего этапа, на который после его формирования переносятся транспортные коммуникации, а затем операции повторяют.
Транспортные коммуникации размещаются на предельном совмещенном борту, т.е. на борту с углом наклона, равным устойчивому или близким к нему. Г оризонты такого борта, после переноса с него коммуникаций в следующее положение, могут отрабатываться только последовательно сверху вниз с нарастанием извлекаемых в единицу времени объемов породы от нуля до некоторой максимальной величины, т.е. с высокой неравномерностью производства вскрышных работ. Неравномерный режим вскрышных работ приводит к необходимости увеличения количества горнотранспортного оборудования и дополнительного развития инфраструктуры предприятия для его обслуживания, что вызывает удорожание добычи полезного ископаемого.
Смонтированные на совмещенном борту, транспортные коммуникации будут существовать на одном месте в течение всего периода отработки последующего этапа. Следовательно, на весь этот период будет остановлен и совмещенный борт. Однако вследствие продолжающейся углубки карьера происходит наращивание за счет нижних горизонтов высоты совмещенного предельного борта.
Таким образом, к моменту окончания периода отработки последующего этапа высота совмещенного предельного борта будет увеличена по сравнению с началом этого периода. После демонтажа транспортных коммуникаций разнос совмещенного предельного борта будет производиться сверху вниз, начиная с верхних горизонтов при одновременном продолжающемся наращивании его высоты снизу вследствие углубления горных работ. В результате развития этого
процесса совмещенный предельный борт может опуститься в рудную зону, что приведет к сокращению вскрытой рудной площади и падению производительности по руде вплоть до полного прекращения добычи. Для действующего предприятия снижение добычи полезного ископаемого всегда сопряжено с большим материальным ущербом.
В работе [3] этот недостаток рассмотренного способа устраняется путем создания переходной (резервной) зоны расчетной высоты в добычной зоне карьера, но при этом временно нерабочий участок борта представлен одним целиком с углом наклона борта 25-30°, что предопределяет незначительную величину результирующего угла наклона всего борта карьера.
При поэтапной отработке карьера в его рабочей зоне формируют участки временно нерабочего борта (целики). Величина результирующего угла наклона всего рабочего борта карьера, представленного в виде целиков и рабочих участков по их разносу, определяется скоростью углубки карьера и скоростью понижения высоты целика, углом направления углубки карьера, величиной углов наклона рабочих участков борта в зоне углубки и на участках разноса целиков, углом наклона борта целика [6].
При достаточно высокой скорости углубки карьера и небольших углах падения рудного тела невозможно обеспечить крутые результирующие углы наклона его рабочих бортов.
Целью проведенного исследования являлась разработка технологии ведения горных работ, методов расчета ее параметров и показателей, обеспечивающих значительный объем вскрышных работ, относимых на более поздние периоды эксплуатации, по сравнению с технологией отработки карьера с формированием в рабочей зоне целиков, чередующихся с участками по их разносу.
Областью применения технологии являются группа карьеров, разрабатывающих изолированные рудные крутопадающие залежи, либо длинный, вытянутый по простиранию карьер с разделением его на два участка. В дальнейшем изложении как первые, так и вторые будут именоваться "участками".
Основной идеей предлагаемого технологического метода является следующее: при отработке каждого участка этапами, добычу руды в границах этапа производят поочередно на одном из участков, а в период отработки запасов руды очередного этапа одного из участков на другом участке породный борт продвигают от границ предыдущего этапа до границ последующего этапа отработки.
На рис.1 представлены поперечные разрезы карьеров на участках I и II разрабатываемого месторождения. На каждом участке выделено по четыре этапа, нижние границы которых обозначены цифрами 1', 2', 3', 4' -9 на участке I и 1", 2", 3", 4" на участке II. Нижняя граница последнего четвертого этапа совпадает с конечным контуром карьеров глубиной Н'к и Н" к .
Символами Н'э1 , Н'э2 , Н'э3, Н'э4 и Н"э1 , Н"э2 , Н"э3 ,
Н"э4 обозначена глубина этапов соответственно на I и II участках, а Т 1 , Т2 , Т 3 и т.д. - временные периоды работы предприятия. В соответствии с изложенной выше идеей, добыча руды производится поочередно на одном из участков. Добычные работы начинаются на первоочередном участке I. В течение первого периода отработки карьера Т1 полностью отрабатывают запасы руды первого этапа на этом участке, в течение следующего периода Т2 отрабатывают запасы руды первого этапа II участка месторождения, после чего добычные работы переносятся на I участок, где за период Т3 отрабатывают запасы второго этапа этого участка, и т.д.
В период отработки запасов руды очередного этапа одного из участков на другом участке породный борт продвигают от границ ранее отработанного этапа до границ последующего этапа отработки.
При перемещении породного временно нерабочего борта в следующее положение, до границ ниже расположенного этапа, в добычной зоне формируется участок рабочего борта с рабочими площадками на каждом горизонте (на рис. 1 эти участки показаны штриховой линией), что обеспечивает условия беспрепятственной отработки запасов руды нижерасположенного этапа.
Разнос временно нерабочего борта очередного этапа производят после отработки его запасов, т.е. после окончания всех работ в карьере рассматриваемого участка, поэтому угол наклона временно нерабочего борта может достигать угла наклона конечных бортов карьера.
Таким образом, к концу отработки запасов руды каждого этапа на соответствующем участке будет сформирован контур карьера с глубиной, равной сумме глубин вышерасположенных этапов, включая рассматриваемый.
К началу разноса временно нерабочего борта с верхних горизонтов из карьера будет выведено все технологическое и вспомогательное оборудование и запрещен доступ обслуживающего персонала, что обеспечивает высокую технологическую безопасность производства горных работ.
Разработка двух участков месторождения по рассматриваемой технологии обеспечивает достижение поставленной цели - отнесение максимальных объемов выемки вскрышных пород на более поздние периоды эксплуатации. Например, к началу разработки третьего этапа на участке I породный борт может быть сформирован под углом наклона, равным углу наклона конструктивного борта в конечном положении.
Под таким же углом будет сформирован борт и к концу отработки этого этапа, при этом запасы руды третьего этапа были отработаны с углом наклона рабочего борта, равным углу наклона борта карьера в конечном положении.
Полученный результат дает возможность отнесения на последующие периоды эксплуатации максимальных объемов выемки вскрышных пород по сравнению с другими, известными к настоящему времени технологиями ведения горных работ.
Рассматриваемая технология характеризуется высокой степенью стационарности систем вскрывающих выработок. При разносе временно нерабочего борта первого этапа на участке I верхние горизонты достаточно быстро продвигаются до границы второго этапа по линии К' 1', на которой формируют систему вскрывающих выработок, срок существования которой в одном положении будет практически равен продолжительности двух периодов работы карьера Т2 и Т3. При разработке двух участков месторождения этапами необходимо соблюдать определенное соотношение между числом этапов на участках I и II.
На рис.1 представлен вариант отработки каждого участка в четыре этапа. В период работы предприятия Т7 отрабатываются все запасы руды последнего четвертого этапа на участке I и удаляются породы в зоне вскрышных работ на участке II с целью подготовки к добыче четвертого этапа этого участка. Период Т8 является периодом затухания горных работ. При равенстве числа этапов на каждом из участков каких-либо технологических осложнений в развитии горных работ не возникнет. Рассмотрим следующее соотношение: первоочередной участок I отрабатывается в три этапа, участок II - в четыре этапа. В этом случае за период Т5 отрабатываются все запасы руды последнего третьего этапа участка I и извлекается порода в зоне вскрышных работ третьего этапа на участке II.
В период Т5 добычные работы производят в границах третьего этапа на втором участке, после отработки запасов которого неизбежен перерыв в добыче, так как производство добычных работ в пределах четвертого этапа возможно только после удаления породы в зоне вскрышных работ этого этапа на участке II. Следовательно, число этапов на первоочередном участке I не должно быть менее числа этапов на участке II.
Реализация технологии отработки двух участков этапами возможна, если число этапов на первоочеред
ном участке I равно, либо на один этап больше, чем на участке II п" + 1 > п' > п" ,
где п' и п" - количество этапов соответственно на участке I и II.
Взаимосвязь главных параметров и показателей технологии разработки участков этапами устанавливается на основе сформулированной выше идеи - в период отработки запасов руды этапа одного из участков на другом участке породный борт продвигают от границ предыдущего этапа до границ последующего этапа отработки. Продолжительность периода отработки каждого этапа определяется глубиной этапа и скоростью углубки карьера при добыче руды в границах соответствующего этапа:
т1 = . т2 = Щи.
1 П-1 2 ^
\Г - и ГГ.
к
Т4 = Н*
'г2
К-
г2
Т5 = Тб = НЗ3 ;
к
6
гз
1
к-
т Н э4 Т7 = 34
гз 11.
т Н34
Т8 = 34
Кг4
^'г2 ,...- скорость углубки карье-
Пг4
где h'г1, ^г2 ,... и h"г1 ра в границах первого, второго и т.д. этапов соответственно на участке I и II, м/год.
За период Т2 необходимо разнести временно нерабочий борт на участке I высотой Н' э1 с вертикальной скоростью понижения горных работ при разносе, равной h'ц2 .
За период Т4 потребуется разнести временно нерабочий борт высотой ( Н'э1 + Н'э2 ) со скоростью ^цз (индекс "3" свидетельствует о том, что с этой скоростью разносят
временно нерабочий борт третьего этапа).
За период Т6 разносу подлежит временно нерабочий борт высотой ( Н' э1 + Н'э2 + Н'э3 ) со скоростью ^ц4 . Аналогично разносят временно нерабочие борта на участке II со скоростью ^'ц2 , ^'ц3 , ^'ц4 .
Установлена взаимосвязь между глубиной этапов, скоростью углубки карьера и вертикальной скоростью понижения горных работ при разносе временно нерабочих бортов на участках.
п- '_ 1
На участке I: Ну > —^ ^ Н у , (1)
ПЦ 1
где i - порядковый номер этапа, начиная с первого от поверхности.
Аналогично определяется глубина этапов на участке II:
Знак неравенства в формуле (1) говорит о том, что время отработки запасов руды в границах очередного этапа, на одном из участков, должно быть равно либо больше продолжительности разноса временно нерабочего борта на другом участке, что исключает перерывы в добыче руды.
Скорость разноса временно нерабочих бортов при известных значениях глубины этапов:
пц * Н^ гну, (2)
Н3(1 -1) 1
п- |-1
> п- г ну , (3)
Н Э 1
При фиксированных значениях скорости углубки карьера и вертикальной скорости разноса временно нерабочих бортов, минимально допустимая глубина каждого последующего этапа должна превышать глубину предыдущего этапа, что обеспечивает возможность непрерывной добычи руды в карьере.
Предложенная технология ведения горных работ при разработке двух участков месторождения этапами позволяет производить отработку этапов с крутыми углами наклона рабочих бортов, вплоть до угла наклона борта карьера в конечном положении, что обеспечивает отнесение максимальных объемов выемки вскрышных пород на более поздние периоды эксплуатации и тем самым позволяет обеспечивать рентабельность и целесообразность открытой разработки месторождений в условиях экономических проблем переходного периода.
Данная технология создает безопасные условия производства горных работ при разносе временно нерабочих бортов карьера и обеспечивает высокую степень стационарности систем вскрывающих выработок.
Для обеспечения непрерывности добычи, при разработке участков месторождения этапами, число этапов на первоочередном участке месторождения должно быть равно либо на один этап больше, чем на втором участке, а минимально допустимая глубина каждого последующего этапа должна превышать глубину
предыдущего этапа.
Минимально допустимая глубина этапа на одном участке прямо пропорциональна скорости углубки карьера на этом этапе и обратно пропорциональна вертикальной скорости разноса временно нерабочего борта на другом участке.
Формирование вариантов графиков развития производительности по вскрыше при фиксированной производительности карьера по руде производится методом построения календарных планов горных работ по годам и периодам эксплуатации на основе расчетных параметров и показателей принятой технологии ведения горных работ.
Для получения объективных результатов сравнения вариантов режима вскрышных работ каждый из них должен быть сформирован с соблюдением ряда требований к графику развития производительности по вскрыше, основными из которых являются:
1. Добычные работы производятся поочередно на каждом из участков в границах соответствующего этапа, поэтому добыча руды на каждом последующем этапе должна производиться с текущим коэффициентом вскрыши, равным либо большим по сравнению с предыдущим этапом.
2. По годам отработки каждого из этапов текущий коэффициент вскрыши должен быть постоянным.
Основным отличительным признаком рассматриваемой технологии является то, что в каждый момент времени зона добычных работ находится на одном участке, а зона вскрышных работ - на другом.
За период времени добычи руды в зоне " abcd " добычных работ второго этапа на участке II, необходимо удалить породу в зоне вскрышных работ " к1тп " и " к' 1' т' п' " третьего этапа на участке I, рис.1.
Годовой объем уделяемой вскрыши Уг, в зоне вскрышных работ каждого этапа со стороны висячего бока, на единицу длины борта
V г = ИцВу, м2 /год (4)
где ^ - вертикальная скорость понижения горных работ при разносе временно нерабочего борта, м/год.
Вэ - величина горизонтального продвигания временно нерабочего борта при понижении горных работ от верхней границы этапа до его нижней границы, м.
Вэ = Н з(е1дф ± с1ду), м (5)
где Нэ - глубина этапа, м; ф - угол наклона временно нерабочего борта этапа, градус; у - угол падения рудного тела, градус.
В формуле (5) знак "+" принимается при определении величины Вэ со стороны висячего бока, знак "-" -со стороны лежачего бока рудного тела.
В зоне добычных работ каждого этапа при добыче руды будут удаляться и вскрышные породы, например, из призмы "ecd " со стороны висячего бока. За фиксированный период времени отработки запасов руды каждого этапа, необходимо удалить объемы породы в зоне добычных работ и в зоне вскрышных работ. Например, за период полной отработки запасов
руды второго этапа на участке II потребуется удалить объем вскрышных пород в призме " ecd ", а также вскрышные породы в призме " к' 1' т' п' " на участке I.
В начале отработки объемов вскрыши в призме "ecd" объем породы, удаляемой на единицу длины борта, по аналогии с формулой (4)
V Д = Ц-Ву, м2/год (6)
где ^ - скорость углубки, необходимая для обеспечения принятой производительности по руде, м/год.
В конце отработки запасов руды второго этапа на участке II удаления вскрыши, в зоне добычных работ , упадет практически до нуля.
С целью стабилизации текущего коэффициента вскрыши, на период отработки запасов руды этапа, необходимо уменьшить вертикальную скорость понижения горных пород при разносе временно нерабочего борта, в зоне вскрышных работ, в начале периода отработки запасов руды этапа, с равномерным увеличением ее к концу периода.
Вертикальная скорость понижения горных работ, при разносе временно нерабочего борта, ^ является основным исходным показателем, определяющим значения всех параметров и показателей рассматриваемой технологии, то необходимо определить максимальную величину ^.
Условие стабилизации текущего коэффициента вскрыши на период отработки запасов руды этапа
пцн = пцтах - пг, (7)
где h цн - вертикальная скорость понижения горных работ при разносе временно нерабочего борта в зоне вскрышных работ в начале периода отработки запасов руды этапа, м/год.
При фиксированной производительности карьера горнодобывающего предприятия по руде, условие не-превышения текущего коэффициента вскрыши каждого предыдущего периода его работы по отношению к последующему, можно представить в следующем виде:
пг(| - 1)Н у г Ну. < Пг1Н Э| ’■г1 Н э. , (8)
Н 3(1 -1) 7 НЭз г 31
где: г(1-1) - скорость углубки, необходимая для обес-
печения принятой производительности по руде в добычной зоне (1-1)-го этапа II участка, м/год; ^ г1 _ скорость углубки, необходимая для обеспечения принятой производительности по руде в добычной зоне 1-го этапа I участка, м/год.
Упростив и преобразовав выражение (8), получим формулу, отражающую условие непревышения текущего коэффициента вскрыши каждого предыдущего периода работы карьера, по отношению к последующему
Н3л -1) пг.2
Н 3 < 3(1 1) г1 , (9)
31 пг.Пг(| -1)
При равенстве величин скоростей углубки по этапам отработки на каждом участке условие (9) преобразуется к виду
Таким образом, глубина каждого последующего этапа первого участка должна быть равна или менее глубины предыдущего этапа, умноженной на отношение квадратов скоростей углубки карьера на I и II участках.
Стабилизация текущего коэффициента вскрыши по годам периода отработки запасов руды каждого из этапов достигается равномерным увеличением, от начала к концу этого периода, вертикальной скорости понижения горных работ, при разносе временно нерабочего борта в зоне вскрышных работ.
При отработке обоих участков месторождения с равной скоростью углубки, глубина этапов на участках должна быть одинаковой.
В процессе отработке первоочередного участка с меньшей скоростью углубки, чем второго, глубина последующего этапа,по отношению к глубине предыдущего этапа, не должна превышать отношения квадрата скорости углубки на втором участке к квадрату скорости углубки на первоочередном участке отработки месторождения.
При отработке первоочередного участка с большей скоростью углубки, чем второго, глубина последующего этапа, по отношению к глубине предыдущего этапа, не должна превышать отношения величин скорости углубки на первоочередном участке к скорости углубки на втором участке отработки месторождения.
С возрастанием интенсивности разработки участков месторождения этапами величина текущего коэффициента вскрыши, в период отработки запасов руды соответствующего этапа, остается неизменной.
При увеличении глубины каждого последующего этапа увеличивается длительность периодов работы карьера с постоянным текущим коэффициентом вскрыши. При максимально допустимой глубине этапов продолжительность каждого периода работы предприятия равняется сумме периодов отработки запасов руды двух этапов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Арсентьев А.И., Шпанский О.В., Константинов Г.П., Бложе В.Л. Определение главных параметров карьера. М., Недра, 1976, 216 с.
2. Баженов М.В. Определение основных показателей карьеров на предварительной стадии проектирования. г. Рудный, Рудн.гор.тип., 1996, 192 с.
3. Линев В.П. Определение результирующего угла наклона рабочего борта карьера. Горный журнал, №10, 1987.
© М.В. Баженов, В.П. Линев, Г.А. Холодняков, С.И. Фомин
