CC BY
36
УДК 622.35.097.002.2
Г. В. Бычков, А. Т. Шелест, Р. В. Коку ним
СХЕМЫ ВСКРЫТИЯ РАБОЧИХ ГОРИЗОНТОВ И УСТОЙЧИВОСТЬ БОРТОВ ИА КАРЬЕРАХ ПРИРОДНОГО КАМНЯ
Характерной особенностью разработки уральских месторождений природного камня является относительно небольшая глубина карьеров и незначительный головой объем добываемой горной массы, поэтому в большинстве случаев рабочие горизонты карьеров облицовочного камня вскрыты капитальными траншеями или полутраншеями внутреннего или внешнего заложения. В отдельных случаях вскрытие осуществляется полустационарными траншеями внутреннего заложения или скользящими съездами.
При вскрытии горизонтов, расположенных ниже господствующего уровня земной поверхности, продольный профиль капитальных траншей характеризуется подъемом в направлении движения груженых транспортных средств, а при вскрытии горизонтов, расположенных выше господствующего уровня земной поверхности, - подъемом в направлении движения порожних транспортных средств.
Правильный выбор схемы вскрытия месторождения важен не только для эксплуатирующегося месторождения, но и при строительстве опытного карьера в период проведения геологоразведочных работ на месторождениях. Завершающей стадией детальной разведки месторождения природного камня является проходка опытного карьера для добычи 50... 100 м' неизмененных горных пород [4]. В настоящее время строительсгво опытных карьеров на стадии геологоразведочных работ также производится путем вскрытия траншеями внешнего или внутреннего заложения. Из-за значительных объемов вскрышных работ затягиваются сроки детальной разведки месторождения и утверждения запасов в ГКЗ или ТКЗ. Проходка опытного карьера является очень дорогостоящей статьей затрат в смете разведочных работ. При производстве горных работ традиционными схемами с устаревшим оборудованием для удаления выветрелых горных пород и добычи необходимого минимума свежих требуется значительное время, и разведка месторождени» затягивается на длительный период. Стоимость проходки опытного карьера сопоставима со стоимостью разведочного бурения скважин, а иногда и превышает эти затраты. В связи с этим на сегодня крайне актуально сокращение затрат и сроков строительства опытных карьеров.
Наряду со схемами, описанными выше, в зарубежной практике применяются разнообразные схемы вскрытия, в том числе с нетрадиционной транспортной связью рабочих зон с поверхностью. Тип применяемой схемы вскрытия месторождения влияет и на формирование комплекса добычного оборудования. Все это в совоку пности позволяет значительно снизить затраты на добычу блочного камня. В зарубежной практике нашли широкое распространение нетрадиционные схемы вскрытия месторождений природного камня, включающие в себя несколько видов бестраншейного вскрытия, подземными выработками, в частности, вскрытие штольней и другие.
На рис. 1 приведена схема вскрытия карьера блочного известняка, характерная для малых карьеров Португалии [7]. Транспортная связь забоев с поверхностью осуществляется здесь с использованием деррик-крана. Из-за ограниченного радиуса действия деррик-крана в рабочую зону карьера опускаются в разобранном виде мобильные транспортные машины, осуществляющие внутренние перевозки блоков н некондиционной горной массы.
Спуск людей в карьер осуществляется по лестницам. Угол откоса бортов карьеров, вскрываемых бестранспортными схемами, составляет 90°.
Для повышения устойчивости бортов карьера и мест установки деррик-краиов сильно трещиноватые вскрышные породы частично разбираются и укрепляются каменной кладкой с бетонированием (рис. 2. а) [8].Вскрышные работы на карьере сведены к минимуму и выполняются только в первые годы эксплуатации. Эти схемы применяются в основном при строительстве небольших карьеров. При дальнейшей эксплуатации на них ведется только добыча блоков.
Рис. 1. Бестраншейная схема вскрытия карьера блочного известняка
Рис. 2. Схемы вскрыл я месторождений с деррик-кранами: а - усиление борта карьера каменной кладкой; б - перегрузка блоков с верхних добычных горизонтов на
нижние транспортные двумя деррик-кранами
На высокогорных карьерах Италии широко распространено использование деррик-кранов для сложных транслортно-передаточных операций при вскрытии верхних рабочих горизонтов. Иногда применяется трех-, четырехкратная персвапка блоков с рабочих на транспортные горизо»гты. Однако многократная перевалка оказывается дешевле строительства и эксплуатации сложных серпентинов карьерных дорог в высокогорных условиях. На рис. 2, б показана перегрузка блоков с добычного горизонта на транспортный с использованием двух деррик-кранов на одном из карьеров в Апуан-ских Альпах вблизи города Каррара (Италия) [6]. Реальная себестоимость блоков, добытых на карьерах с такой схемой вскрытия, значительно ниже, чем при траншейном вскрытии.
При дефиците территории под карьер или в стесненных условиях бестраншейное вскрытие может осуществляться углубляющимся забоем небольшого сечения с размерами в ширину и длину до 30+60 м.
Для транспортной связи с рабочими зонами карьеров кроме деррик-кранов используются стреловые самоходные, козловые и кабель-краны [1].
В Португалии и Италии применяются схемы с вскрытием месторождений природного камня штольней [7]. Штольня затем разрабатывается камнерезными машинами в камеры по ширине и высоте (рис. 3).
Рис. 3. Вскрытие месторождения природного камня штольней: последующей разработкой ее в камеру
Однако вскрытие штольней с расширением се по ширине и высоте можно применить только на весьма крупноблочных горных породах, где обеспечивается высокий коэффициент устойчивости. Расширение камер по высоте также проблематично пэ условиям безопасности, так как при работах на высоте требуется устройство прочных настилов, способных выдержать падение крупного отделенного от массива блока.
В некоторых случаях в Италии [4] бестраншейное вскрытие переходит в комбинированное с подземными горными выработками. Так, например, после углубки карьера до проектной отметки дальнейшая отработка его производится горизонтальными подземными камерами (рис. 4).
Доставка блоков из камер к грузоподъемным машинам производится тяговыми лебедками. При работе внутри камер используются средства малой механизации, предназначенные для подземных горных работ: фронтальные погрузчики с электроприводом и со сменным рабочим оборудованием, лебедки, транспортные тележки, гидродомкраты.
Применение таких схем вскрытия эффективно в малотрещиноватых, устойчивых горных породах с высокими декоративными свойствами. Преимущества этих схем вскрытия состоят в том. что при переходе на подземную разработку дополнительных затрат на вскрытие не требуется.
Учитывая особенности Урала, необходимо широко использовать зарубежный опыт вскрытия малых месторождений природного камня. Особенно актуально это для месторождений природного камня Республики Башкортостан, находящихся в горной местности [2].
Рис. 4. Комбинированное вскрытие месторождения с переходом от бестранспортной открытой разработки на подземную камерную систему
Приведенные выше способы вскрытия применимы к небольшим месторождениям природного камня, как в период разведки, так и при эксплуатации. Однако при применении отдельных бестраншейных схем вскрытия месторождений снижается уровень безопасности горных работ, поэтому применение их возможно только при устойчивых вмещающих породах и полезном ископаемом.
Максимально возможная высота вертикального уступа (борга карьера) не должна превышать предельной, определенной при благоприятном залегании поверхности ослабления высоты вертикального отрыва (рис. 5), по выражению [5]:
2А\.
(О
Л, £ Яэд =-—I уо),
У8
где •{ - плотность горных пород, кг/м1: ¿»-ускорение свободного падения, м/с2; р - угол внутреннего трения для данного вида горных пород, град: о) -угол наклона расчетной поверхности скольжения
,с Р Р со = 45 + —,
(2)
18Р
р„ - расчетный угол внутреннего трения. ~ ^ : г) - коэффициент запаса устойчивости; г) = 1.2; ЛГ - расчетный коэффициент сцепления. Па:
А..
(1 + а1пу)Ч
(3)
где а - коэффициент, принимаемый в зависимости от категории трещиноватости массива: //-высота откоса, м; / - расстояние между трещинами: А' - минимальное значение коэффициента сцепления. Па.
При этом должна учитываться дополнительная нагрузка от оборудования (деррик-крана или козлового крана), установленного на борту карьера. При необходимости производится укрепление верхней части уступов с разборкой глыб по естественным трещинам и последующим их бетонированием. Этот способ укрепления вертикальных бортов применяется за рубежом.
11ри неблагоприятном залегании поверхности ослабления вертикального отрыва, когда слон падают в сторону карьера и угол наклона поверхностей скольжения больше расчегного ута трения по контактам Р>р'. ситуация будет более сложной (рис. 5).
Высота уступа с вертикальным отрывом при неблагоприятном залегании плоскостей напластования (Л,. м)опрсдслясгся по выражению
у^-акМйф-р')'
(4)
где К р - расчетное сцепление по контактам; Па; р-угол наклона поверхностей скольжения; р'р - расчетный угол внутреннего трения по контактам.
Краны и другие стационарные машины и механизмы целесообразно в этих случаях располагать на бортах с благоприятным залеганием поверхностей ослабления.
В случае перехода на высокоуступнь с схемы добычи блоков проектная высота вертикального уступа ( //"р.м'| должна приниматься не выше
расчетной, определяемой для неблагоприятного затегания плоскостей напластования, рассчитанной по формуле (4)
Рис. 5. Расчетная схема при неблагоприятном залегании поверхностей ослабления (Р>р )
Таким образом, при применении бестраншейных схем вскрытия месторождений обязательна проверка на устойчивость уступов и бортов карьера. При неблагоприятно складывающихся условиях от применения бестраншейных схем вскрытия следует отказаться, несмотря на всю и> привлекательность.
В качестве примера рассмотрим ситуацию на Походиловском карьере облицовочного мрамора. На месторождении развита одна главная система трещин западного падения под углоу 10 - 30° и три второстепенные. Проектом определился контур карьера на конец отработки, приведенный на рис. 6. Внутри контура карьера на основе геологических данных построена диаграмма систем трсщиноватости. Отметки дневной поверхности +204++207.5 м, отметка дна карьере на конец отработки - +155 м. Таким образом, средняя глубина карьера составляет 51 м.
Исходная информация для расчета приведена ниже.
Плижоаь, кг/м3 2,68-103 Минимальный предел прочности на сжатие, МПа
- сухом состоянии 61
- водонасыщенном состоянии 55 Средний предел прочности на сжатие, МПа
- в сухом состоя НИИ 106
- в водонасыщенном 103 Минимальное сцепление в образце, К™„, МПа 4,75 Угол внутреннего трения, р, град 32 Угол трения по контактам, р', град 16 Сцепление по контактам. А", Па 98• 101 * Глубина карьера (высота откоса), Нх, м 51 Среднее расстояние между трещинами, /, м I Категория трещиноватости 3
На плане карьера отмечены четыре характерных сечения бортов карьера, соответствующи> предполагаемым направлениям отработки уступов (16-16, 2б-2б 36-36и 4б-4б).
Рис. 6. План карьера на коней отработки. Диаграмма азимутов и углов паления систем трсщиноватости
'Принято по данным работы. 84
Съезды располагаются на восточном, южном и юго-западном бортах карьера. Изучение систем трещнноватости карьера показало, что наиболее неблагоприятным является сечение 26-26. В этом ссчснии основная система грещиноватости (система I) направлена в выработанное пространство карьера, поэтому имеется реальная опасность сдвига подрезанного монолита в рабочую зону. В остальных сечениях (16-16. 36-36 и ¿6-46) залегание поверхностей ослабления является благоприятным и соответствует одному из вариантов типовой схемы 1 института ВНИМИ [5].
При благоприятном залегании поверхностей ослабления расчетная высота вертикального откоса (уступа) (Я,, м) при благоприятном залегании поверхностей ослабления // =38,9 м. Расчетный угол трения по контактам, рг', град.
З'ЗО".
Минимальная высота вертикального этрыва образуется при угле (|3. град.) наклона поверхностей скольжения:
|i = 45 + — = 45 + ~ = 53°.
2 2 (?)
Расчетное значение высоты уступа с вертикальным откосом (//?м) при неблагоприятном залегании пластов
h =___81,7 10* cosl3°30'_ 9
1 2.68 10J • 9,81 • cos 53° • sin(53° -13°30')"
Таким образом, высота усту па при разработке месторождения в восточном направлении не можегбыть выше расчетной, равной 7,9 м. Наиболее предпочтительные направления горных работ западное, южное и северное. Возможность применения бестраншейного вскрытия на данном месторождении ограничена из-за невысокой расчетной величины высоты уступа в восточном направлении. При изменении угла наклона поверхностей скольжения от 10 до 80° изменяется и высота уступа с вертикальным отрывом. Эта зависимость приведена на рис. 7. На графике видно, что угол наклона поверхностей скольжения в 53° является для данных условий самым неблагоприятным. При увеличении или уменьшении этого значения устойчивая высота уступа увеличивается.
0
20 30 40 50 60 70 80
Угол наклон* поверхностей скольженвн, г рал.
♦ Высота уступа
——Полиномиальный (Высота уступа)
Рис. 7. Зависимость устойчивой высоты уступа от угла наклона поверхностей скольжения
Расчеты устойчивых углов откоса борта карьера выполнены для нескольких поперечных разрезов борта - 16-16, 26 -26, 36- 36, 46-46 (см. рис. 6).
Различные условия залегания поверхностей ослабления диктуют необходимость использования разных расчетных схем.
Неблагоприятное залегание поверхностей ослабления имеет место по разрезу 26 - 26. В этом случае используется расчетная схема, приведенная на рис. 5.
Устойчивая высота борта при условии 3>р ' определяется по выражению
где Я, - высота откоса борта, равная глубине карьера, Я, в 51 м; Л, - высота уступа с вертикальным откосом при неблагоприятном залегании и 0 >р '; на указанном разрезе 3=10- 30°. Поэтому расчеты выполнены для менее благоприятного условия при (3 =30°. Для этого угла Л, = 12,6 м (см. рис. 6); а - угол откоса борта, град.
Устойчивый угол откоса борта определяется по формуле
Л' ^ =с1830^1-^*=0,98. (9)
ctga = ctgp|l- —
а = 45°30'.
Величина конструктивного угла на разрезе 26 не должна превышать значения а = 45°30'.
210 204 197 190 183 176 169 162 155
Рис. 8. Конструкции бортов карьера по расчетным разрезам
По разрезам Зй- Зй, 4в-44нмеет место благоприятное залегание поверхностей ослабления. Расчетное значение устойчивого угла откоса борта для них а = 87°.
Па рис. 8 приведены конструкции бортов карьера по расчетным разрезам на конец отработки. По бортам карьера с благоприятным залеганием поверхностей ослабления произведено сдваивание уступов, по сечению 26 -26 высота уступов в погашенном состоянии составляла 7 м.
Из приведенного примера видно, что горно-геологические условия Походиловского месторождения позволяют применить бестраншейное вскрытие только в направлении развития карьс-86
; востока на запал. Б этом случае максимальная высота уступа не должна превышать расчст-- 38.9 м. Развитие фронта работ в восточном направлении возможно уступами высотой не 7,9 м.
Таким образом, возможность применения бестраншейного вскрытия месторождений при-> камня и основные технологические параметры должны определяться индивидуально, с горно-геологических условий месторождения и устойчивости горных пород по всем воз-кхным направлениям развития карьера.
Кроме того, во всех случаях применения бестраншейного вскрытия должны учитываться •яраничения, предусмотренные действующими правилами безопасности на открытых горных работах [3].
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Бычков Г. В. Нетрадиционные схемы вскрытия месторождений природного камня и их классификация // Добыча, обработка, применение приредного камня: Сб. науч. тр. Магнитогорск: МГТУ, 2003. С. 41 - 56.
2. Бычков Г. В. Уральский природный камень на рынке России // Камень и бизнес. 2000. *З.С. 10-12.
3. Единые правила безопасности при разработке месторождений полезных ископаемых отбытым способом (ПБ-03-498-02). Серия 03 Вып. 22 / Кодл. авт. М.: ГУЛ «Научно-технический иентр по безопасности в промышленности Госгортсхнадэора России», 2003. 152 с.
4. Инструкция по применению классификации запасов к месторождениям строительного и облицовочного камня. М.: ГКЗ СССР, 1984. 37 с.
5. Шелест А. Т., Беляев В. Л. Геомеханика: Учебное пособие. Екатеринбург: Изд-во УГГТА, 2001. 186 с.
6. ВlasiP., Bradley F., РШ M. Apuan qarries. Survey, analysis an trends. - Italy, Carrara. 1993. -p. 45 - 73.
7. The Portugese Natural Stone Sector//Spain, Roc Maquina, deccmber 1998. - P. 126.
8. The World's news leader far marble technology Attrftz/aturp & accessori vari // Italy, R i vista
intemazionale deltyAssociazione MarmomacchineCLUB «Marmo Macchine». -1996, # 129. - 386 p.
УДК 622.35: 622.013
Г. В. Бычков, Л. В. Кокуннна
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ ДОБЫЧИ БЛОЧНОГО
КАМНЯ СРЕДНЕЙ ПРОЧНОСТИ
В настоящее время на карьерах Урала по добыче блоков природного камня средней прочности применяются практически все виды камнерезных машин. Выполненные нами исследования показали, что баровые камнерезные машины с кольцевой фрезой и с цепным баром неперспективны из-за отноаггельно низкой производительности и значительного объема немеханнзнрованных вспомогательных работ. Однако главный недостаток камнерезных машин с кольцевым и цепным баром состоит в невозможности использования природной трсщиноватости массива для отделения блочного камня, поэтому при их использовании имеет место низкий выход кондиционных блоков из добываемой горной массы [1]. По этим причинам машины с кольцевым баром (фрезой) в ближайшее время будут выведены из карьеров полностью с заменой на машины с цепным или канатным режущим органом.
В последние 1Х>ды начали внедряться технологические схемы добычи блоков из юрных пород средней прочности камнерезными машинами с алмазным канатом и комбинированные на базе камнерезных машин с алмазным канатом и цепным баром. С переходом на высокоуступные
