Отработка карьерных полей наклонных месторождений блоками Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

NIÄDÄiÄiiÜÄ ÖÄÖÍІËІÄËË iÖEDÜÖÜÖ ÄrotÜÖ DAAiÖ

X © Е.И. Васильев, А.А. Зайцева72001

ÖÄE 622.271 ^ ч -x

Е.И. Васильев, А.А. Зайцева ОТРАБОТКА КАРЬЕРНЫХ ПОЛЕЙ НАКЛОННЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ БЛОКАМИ

В настоящее время на карьерах при отработке пластовых месторождений повсеместно распространены углубочные продольные системы разработки с подвиганием фронта горных работ вкрест простирания пластов от их выходов на поверхность, как правило на всю длину карьерного поля, и до конечной глубины. Одним из наиболее существенных недостатков таких систем при отработке с их использованием наклонных месторождений, на долю которых приходится около 20 % всех угольных месторождений России, является невозможность размещения вскрышных пород в выработанном пространстве карьера с целью внутреннего от-валообразования. Для уменьшения влияния указанного недостатка в проектной практике применяется вариант продольной системы разработки с делением карьерного поля на блоки, примерно равной длины, которые отрабатываются как самостоятельные карьеры в определенной очередности, (рис. 1 а). Однако, и этому способу отработки наклонных месторождений присущ серьезный недостаток - невозможность обеспечения стабильного режима горных работ. Даже при отработке карьерного поля спаренными блоками режим работы остается неравномерным, (рис. 2а).

Наиболее эффективным способом, обеспечивающим возможность внутреннего отвало-

образования и стабильный режим горных работ, согласно которому отработка карьерного поля осуществляется двумя блоками разной длины (В.1, В.2), характеризуемыми размерами по падению и по простиранию - Ьу/, ^с,, (/=1, 2).

Горные работы в первый период в обоих блоках ведутся с использованием продольных систем разработки, с разной интенсивностью (первая очередь: В.1 и В.21 -часть В.2 шириной Ly21), (рис. 1б).

После достижения в В.1 граничных контуров начинается преходный период от продольной системы к поперечной в В.22. Продолжительность этого периода определяется временем строительства поперечного рабочего борта DF (рис. 1б). В это же время погашаются работы в В.1 и образуется нерабочий борт СВ в В.2 (рис. 1 б), после чего начинается вторая очередь (В.22 шириной Lу 2^) с использованием только поперечной системы. Линейные параметры блоков и очередей связаны между собой равенствами

Рис. 1. Очередность отработки карьерных полей блоками при продольной (а) и при продольно-поперечной (б) системах разработки:

В.1,.., В.4 - номера блоков; I—— - направление подви-гания фронта горных работ. АВ, DF - контуры рабочего, а СВ и DE - нерабочего бортов

Рис. 2. Текущий коэффициент вскрыши (К) при использовании продольных (а) и продольнопоперечной (б) систем разработки карьера на всю длину (1) и одинарными(2) и спаренными (3) блоками

Ту,1 Ту ,2 Ту, -Тх,21 Тх,22 Тх Lx,1Ly ,22

- Т - т

У У ,2і

В работе [1] приведен график стабильного режима вскрышных работ при отработке конкретного месторождения с применением технологии с изменением направления подвигания фронта горных работ и даны общие рекомендации его получения, достаточно трудоемкие, предполагающие многовариантные ручные расчеты, которые в конечном итоге могут привести и к отрицательным результатам.

Цель настоящей работы - оценить описанную выше технологию отработки наклонных месторождений с точки зрения возможностей формирования стабильного режима горных работ, рационального соотношения размеров блоков, количества вскрышных пород, направляемых на внутренний отвал.

Установлено, что стабильный режим горных работ в период отработки первой очереди карьера и в переходный может быть достигнут путем варьирования величин ЬХ:1 и Ьу 2і , соотношения скоростей подвигания фронта работ в В.1 и В.2і,

извлекаемых объемов вскрышных пород и полезного ископаемого при погашении продольного и развитии поперечного рабочих бортов.

Возможность варьирования названными выше параметрами обеспечивается автоматизацией расчетов с использованием математической модели отработки месторождения, отображающей продольное и поперечное перемещение фронта горных работ, и алгоритма оптимизации режима вскрышных работ при отработке блоков первой очереди и в переходный период.

Разработанная нами математическая модель отработки карьера при разнонаправленном под-вигании фронта горных работ представляет собой совокупность моделей месторождения, промежуточных и конечных контуров карьера. Для обеспечения большей точности желательно иметь пространственную модель. Однако ее построение - процесс весьма трудоемкий. Поэтому в практике моделирования пологих и наклонных месторождений применяется метод декомпозиции пространственной модели на ряд плоских с последующим их синтезом. В частности, одним из приемов декомпозиции объемного тела слу-

жит сечение его в заданном направлении вертикальными плоскостями (профилями). Положение их выбирается перпендикулярно одной из координатных осей (ОХ, OY). Это позволяет свести решение трехмерной задачи к некоторому множеству двумерных, что значительно упрощает решение и наглядную интерпретацию пространственной задачи.

Для имитации динамики развития горных работ весь период отработки карьера делится на ряд этапов, характеризующихся фиксированным подвиганием фронта по почве нижнего пласта (1р). Извлекаемая за один этап горная масса заключена между смежными положениями рабочего борта, отстроенного в начале и конце этапа.

Рабочий борт карьера, отражающий динамику его отработки, моделируется в плоскости профиля. Объединение этих плоских моделей в пространственную производится в процессе расчета поэтапных объемов вскрышных пород и полезного ископаемого.

Такое моделирование позволяет получать достаточно точные показатели отработки карьера при однонаправленном подвигании горных работ, т. е. когда линия последнего перемещается перпендикулярно профилю или под углом к нему (р> 10 - 20о. При ф ^ 0 , построить рабочий борт в плоскости профиля невозможно. Необходимо развернуть систему профилей на 90о. Поэтому, при моделировании развития горных работ с изменением направления перемещения фронта используются две системы профилей, перпендикулярные друг другу, взаимосвязанные между собой и параметрами блоков.

С учетом вышесказанного, общая модель динамики отработки карьера включает в себя аналитические модели месторождения и конечных контуров карьера, две системы Ру и Рх профилей, параллельных оси OY и ОХ, соответственно, позволяющих моделировать продольную и поперечную системы разработки, формулы, описывающие положение профилей в пространственной координатной системе.

Модель отработки карьера продольной (поперечной) системой в плоскостях системы профилей Ру (Рх) включает уравнения пластов и рельефа, рабочего борта, борта погашения и пространственные уравнения левого и правого торцевых бортов.

Динамика отработки блока продольной (поперечной) системой моделируется семейством

уравнений прямых рабочего борта карьера, параметры которого (уц, zk,i), (хкь zkl) - координаты его пересечения с почвой нижнего пласта в этапе k (¡=1,..,^), рассчитываются по заданной скорости подвигания 1рк1 на профиле I. Количество добычных и вскрышных уступов и ширина их рабочих площадок учитываются в модели углом рабочего борта аг. Выделение добычной и вскрышной зон производится посредством расчета

множества координат ) ={(уке^ке),

е=1,..,2п+1}, (Щк) ={(хке^ке), е=1,..,2п+1}) точек

пересечения рабочего борта с поверхностями почвы и кровли п пластов и рельефа или борта погашения в этапе k.

Расчет Skim - площади угля (т=1,3,..,п) или породы (т=2,4,..,п+1) в этапе k на профиле I и координат её центра тяжести,

ус^Р ,zc9') -

' k, т k, т

производится интегрированием по замкнутому

п (k-1) и я (k) контуру, выделенному из Щ и Щ для

продольной системы отработки или из ШЯ-1) и я?) для поперечной системы. Объем

'Ь

полезного ископаемого

и

породы

¡у

Vk т = !^т [2] рассчитывается с использо-

I=2

ванием величин

S¡l') , усК‘) , zc(‘) , Щ, где

^, т ^ k, т’ k, т’ ъ А

- объем между смежными профилями (1-1)

и (I),

В результате моделирования отработки В.1, В.21 и В.22 получаем функциональные зависимости извлекаемых вскрышных пород VB=F1(2,з)(Lp) и угля УТ=Ч/ц2,3)(1р) для каждого из блоков, соответственно.

Возможность оперативного автоматизированного получения характеристик отработки блоков карьера позволила решить задачу стабилизации режима горных работ. Сущность задачи состоит в том, что при отработке месторождения очередями с использованием разнонаправленного подвига-ния горных работ, помимо резкого возрастания коэффициента вскрыши в первоочередном блоке, существует проблема переходного периода от продольной системы к поперечной, когда при выпола-живании торцевого борта блока В.1 до рабочего в

(I)

блоке В.22, возрастают объемы вскрышных пород при отсутствии добычи. В зависимости от времени начала и интенсивности выполаживания торцевого борта и соотношения величины подвигания горных работ в блоках первой очереди график режима вскрышных работ характеризуется резкими колебаниями, рис. 2,б. Математически задача состоит в том чтобы найти такую очередность отработки карьерного поля, при которой функция текущего коэффициента вскрыши f(j) непрерывна на отрезке [0,./] и имеет одну точку максимума (]=Р), при этом на отрезке [0,Р] - функция монотонно возрастающая, [Р,/- монотонно убывающая, где / - количество лет отработки карьера, Р - год максимального коэффициента вскрыши.

В процессе поиска технологических решений, в рамках которых должно происходить регулирование колебаний объемов вскрышных пород были выделены три возможные варианта (схемы) ведения горных работ в переходный период, алгоритмы которых реализованы в программные модули.

1. Отработка блоков первой очереди ведется с разной скоростью, при этом скорость отработки блока В.1 выше, чем в В.21. Погашение горных работ в В.21 начинается после окончания отработки блока В.1 и производится одновременно со строительством рабочего борта блока В.22 , (псх=1).

2. Отработка блоков первой очереди ведется с одинаковой интенсивностью, вплоть до достижения суммарным текущим коэффициентом вскрыши среднего по карьеру. В этот момент начинается погашение горных работ в В.21. Строи-тельсто рабочего борта блока В.22 производится одновременно с погашением горных работ в В.1

(Псх=2), [1].

3. Скорость отработки В.1 выше, чем В.2]. Погашение горных работ в В.1 и В.21 начинается одновременно и в это же время производится строительство рабочего борта блока В.22, (псх=3).

Решение задачи формирования рационального режима вскрышных работ сводится к поиску для блоков В.1 и В.21 в период первой очереди отработки карьера таких скоростей подвигания фронта горных работ 1р1ф1ру и для блока В.22 в переходный от продольной к поперечной системе разработки период таких поэтапных углов (уг>]) откоса рабочего борта, которые при сохранении заданной производительности карьера Vz, обеспечивали бы минимум среднеквадратичному отклонению текущего коэффициента вскрыши от среднего коэффициента вскрыши переходного периода:

П( ЬрА], Ьр2] ,уг]) =

-

(1)

1

при выполнении ограничений

1Р2,] = ¡2 ■ 1Р1,], если ¡1] ^ ¡8Г 1р2 ] = ¡г • 1р: ] если Ш ] >

(2)

(3)

1УУи + уУ2,] -Щ ^ ,] = Л

где УВ1], УВ2] УВр,] - объем вскрышных пород извлекаемых в году ] соответственно в В.1, В.21 и при выполаживании рабочего борта блока В.22 на угол л Ууц, Уу2,] - объем добычи в году ] соответственно в В.1, В.21; ¡2, ¡г - заданный и рассчитанный коэффициент пропорциональности скоростей подвигания фронта в блоках; ¡6Т - средний коэффициент вскрыши по всему карьеру; ]п, - соответственно этап начала

N° кр Lx,1/Lx,2 (УВпоперечной системы карьера)'100 %

^>=4000 м ^>=5000 м ^>=6000 м

Псх 2 Псх 3 Псх 2 Псх 3 Псх 2 Псх 3

1 1/2 37,3 40,7 37,3 45,0 41,9 49,6

2 1/3 43,1 49,3 42,0 54,2 46,4 57,7

3 1/4 44,5 53,5 46,1 61,4 50,0 61,6

4 1/9 53,7 62,6 51,3 68,2 57,3 71,7

5 1/11 н.р. 63,3 н.р. 69 н.р. 72,6

* н.р. - не реализован стабильный режим горных работ

Таблица

”0---------------------10-20-30

в) Lx=4000,ncx=3,kp=1/9

“40“

то-

“20“

■30“

“40“

г) Lx=6000,ncx=3,kр=1/9

Годы

Рис. 3 Режим горных работ при отработке блока В.1 (1), В.2! (2) и карьера в целом (3)

Годы

0

и конца отработки регулируемой части блоков В.1 и В.21, ksr - средний коэффициент вскрыши в переходный период.

Общий алгоритм поиска рационального режима горных работ предусматривает расчет ширины блока В.21 (Ly 21) на основании информации о длине блоков, распределении объемов вскрыши VB=F1(2)(L) и угля УТ=^ц2)(Ь) в блоках В.1 и В.2, годовой производительности карьера -Vz, коэффициенте пропорциональности скорости подвигания фронта горных работ в блоках - ^, варианте производства горных работ в переходный период - (псх), и поиск стабильного режима вскрышных работ по критерию (1) путем варьирования параметров ^р1л, Lp2,i, уг- ), /=1,..,/^ с учетом ограничений (2, 3).

Расчет параметров ^р1г, Lp2,i, уг- ), 1=1,.., обеспечивающих стабильный режим, произ

водится в два этапа, согласно (2). На первом этапе соотношение скоростей определяется заданной величиной На втором - коэффициент пропорциональности ^ рассчитывается из условия выполнения производственной мощности (3) и равномерности режима вскрышных работ (1).

Исследование отработки карьерных полей протяженностью 4, 5 и 6 км наклонного месторождения (суммарная мощность пластов 40 м, угол падения 20о) произведено с использованием разработанных моделей и алгоритмов. Соотношение длин блоков ^^х1^х,2 варьировалось в пределах 1/2 г 1/11.

В качестве примера на рис. 3 приведен режим горных работ, полученный для карьеров разной длины и соотношения длин блоков. Стабильный режим получен путем использования алгоритма схемы 2

(рис. 3а) и схемы 3 (рис. 3 б, в, г). Сравнение графиков рис. 3а и рис. 3б, полученных для карь-

АЇВШЕ EioiBiÄÖEini-ÄiMEÖExÄMEi Ä№£AÖÄlÜ 1 3 iaöö 2001

ера одинаковой длины, свидетельствует о преимуществах схемы 3.

В таблице приведены данные о вскрышных породах (в процентном отношении к их общему количеству на карьере), которые могут быть направлены на внутренний отвал (приемная способность внутреннего отвала не учитывалась) в зависимости от длины карьера, схемы реализации и коэффициента пропорциональности длины блоков.

Следует отметить, что реализованный алгоритм схемы 1 не позволил получить стабильный режим ни для одного варианта

kp, а для схемы 2 стабильный режим горных работ невозможен, начиная с ^=1/11.

Таким образом можно утверждать, что при отработке наклонных месторождений блоками с изменением направления подвигания горных работ стабильный режим может быть обеспечен для карьера любой длины путем варьирования величин блоков, соотношения скоростей подвигания фронта работ в блоках, извлекаемых объемов вскрышных пород при погашении продольного и развитии поперечного рабочих бортов. Строительство рабочего борта блока В.22 (поперечная система разработки) следует совмещать с одновременным погашением горных работ в В.1 и В.21 (псх=3).

NIENtE ЁЁОАвАООВй

1. Кузнецов В.И., Меньшонок П.П. Технология разработки месторождений с изменением направле-

ния подвигания фронта горных работ. / Уголь - 1997 - N 12 - с. 31-35.

2. Танайно А.С. Автоматизация проектирования карьеров. Горно-

геометрические расчеты. - Новосибирск: Наука, 1986.

Л Л А \ Л Л Л Г \ А \ А \ н

EIBIOEI IA AAOIBAO

Васильев Евгений Иванович - кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник, Институт горного дела СО РАН, г. Новосибирск.

Зайцева А.А. - кандидат технических наук, ст. научный сотрудник лаборатории открытой геотехнологии, Институт горного дела СО РАН, г. Новосибирск.