CC BY
64
© Б.Р. Ракишев, 2003
YAK 622.271.4
Б.Р. Ракишев
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОПРЕАЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ СИСТЕМЫ ОТКРЫТОЙ РАЗРАБОТКИ
На основе анализа содержания терминов «система открытой разработки» [1-6], «система» в общенаучном плане можно сформулировать следующее определение рассматриваемого понятия [8].
Система открытой разработки полезных, ископаемых - это совокупность взаимозависимых и взаимосвязанных между собой подготовительных, вскрышных и добычных выработок, мысленно проводимых в карьерном поле.
Указанные выработки, т.е. разрезные траншеи (котлованы), вскрышные и добычные уступы, находятся в постоянном движении пока не достигнут своего предельного положения, предусмотренного проектом разработки месторождения. Следовательно, и система разработки является подвижным, динамичным объектом карьера.
В определении нет необходимости указывать порядок и последовательность проведения выработок в пространстве и времени, так как они автоматически предусматриваются взаимозависимостью элементов системы друг от друга.
Данное определение устраняет дублированное использование отдельных признаков в старых определениях системы разработки и режима горных работ [3], тем самым усиливает значимость последнего в технологии горного производства.
Оно позволяет также установить четкую грань между системой разработки и технологией горных работ. Это становится возможным вследствие исключения из определения системы разработки выражения «порядок и последовательность выполнения горных работ», которое, обычно, ассоциируется технологией горных работ и приводит к смешиванию понятий «система разработки» и «технология горных работ».
В приведенном определении системы разработки мысленно проводимые в карьерном поле подготовительные, вскрышные и добычные выработки совершенно не связаны с технологией горных работ. Общий характер их развития в карьерном пространстве предопределяется горногеологическими условиями залегания полезных ископаемых. Выполнение подготовительных, вскрышных и добычных работ в этих выработках осуществляется посредством технологии горного производства. Таким образом, система разработки является объектом карьера, а технология - способом производства горных работ в ее элементах. Она обслуживает систему разработки.
Для предлагаемого понятия системы разработки, как и для любой системы в общепринятом смысле, при-
Рис. 1. Блок-схема системы «разработка полезных ископаемых»
сущи организация, структура, связи и функции.
Организация выражает комплекс свойств, характеризующих определенную упорядоточенность элементов в системе и их взаимодействие. Например, подготовительные и очистные выработки не могут располагаться в карьерном поле произвольно. Они размещаются по определенным нормативам, на основе которых обеспечивается нормальное функционирование системы. Любой организации присуща иерархия уровней. В рассматриваемом случае система - эта «система разработки полезных ископаемых», а ее элементы: разрезные траншеи (котлованы) и рабочие уступы с их рабочими площадками.
Под структурой понимается совокупность механических связей между элементами, отражающая их упорядоточенность и взаимодействие в системе. В системе разработки полезных ископаемых в таком качестве выступают рабочие площадки. На всех рабочих уступах их размеры должны быть не меньше некоторого их минимального значения, установленного для нормальной работы системы.
Под термином связь в широком смысле понимается то, что объединяет отдельные элементы в систему. Связи многообразны по своим формам, значению, содержанию. Обычно выделяют энергетические, информационные и вещественные связи. В нашем случае отдельные элементы (рабочие уступы) в систему разработки полезных ископаемых объединяет вещественная связь, т.е. объем горной массы заданного качества, извлекаемой из каждого рабочего горизонта (уступа). Эта связь является гибкой и изменяющейся в процессе функционирования системы.
Всякая система выполняет некоторые функции
- просто существует, служит областью обитания другой системы, обслуживает систему более высокого уровня и т.д. Система разработки полезных ископаемых призвана обеспечить устойчивое извлечение горных пород заданного объема и требуемого качества из недр Земли. Она обслуживает систему более высокого уровня «эксплуатация месторождения полезных ископаемых» и одновременно служит областью обитания другой системы «технологические комплексы добычных и вскрышных работ».
Система разработки полезных ископаемых, как любая система может быть представлена структурной моделью, которая отображает только строение и устройство системы. Эта модель может иметь форму блок-
Рис. 2. Схема к определению интенсивности развития рабочей зоны
схемы, графов, матриц, векторов, списков и выражать взаимное расположение элементов в пространстве.
Структурная модель системы разработки в виде блок-схемы представлена на рис. 1. Здесь элементы (рабочие уступы) 1, 2,.., N образуют систему разработки ^ входящую как составная часть в окружающую среду (карьерное поле) К. В системе R обитает другая система Т «технологические комплексы горных работ», которая сильно влияет на параметры элементов системы разработки полезных ископаемых.
Таким образом, в предлагаемой формулировке системы открытой разработки полезных ископаемых соблюдаются все основные системные принципы: целостности, иерархичности, структурности, взаимозависимости системы и среды и др., следовательно, она полностью соответствует понятию «система» в общепринятом плане.
В соответствии с приведенным выше обоснованием система разработки характеризуется следующими элементами: разрезной траншеей (котлованом), рабочими уступами с их рабочими площадками. В процессе развития горных работ разрезная траншея (котлован) вырождается в рабочий уступ. Остальные элементы в совокупности образуют рабочую зону карьера. Последняя в дальнейшем в единственном лице представляет систему разработки. Очевидно, по этой причине в определении системы разработки А.И. Арсентьева фигурирует понятие рабочей зоны карьера.
Основными параметрами элементов системы разработки являются: высота уступа, ширина разрезной траншей (размеры котлована), углы откосов рабочих уступов, ширина заходки, ширина рабочей площадки, длина экскаваторного блока, длина фронта добычных и вскрышных работ на уступе, число рабочих уступов, угол откоса рабочего борта карьера, длина фронта работ по видам в рабочей зоне, ширина рабочей зоны, объем пород в рабочей зоне, количество вскрытых и готовых к выемке запасов.
Основные показатели системы разработки: скорость подвигания забоев, скорость подвигания фронта работ на уступах, скорость углубки горных работ, продолжительность подготовки нового нижележащего горизонта; дополнительные показатели: производительность карьера с единицы длины рудного, породного фронта работ, единицы площади рабочей зоны, эксплуатационные потери и разубоживание руды. Указанные показатели системы разработки могут быть найдены на основе единого подхода, взаимоувязывающего объем извлеченной горной массы из карьерного поля со временем его отработки [7]. Для этого рассматриваемый объем пород в массиве запишем в виде (см. рис. 2):
V = АВС, (1)
где А, В, С - соответственно длина, ширина и высота (толщина) извлекаемого из массива объема пород. В общем случае все величины являются переменными.
Поделив обе части уравнения (1) на время ^ можно получить зависимости для искомых характе-
ристик. При этом V/t представляет собой производительность выемочно-погрузочного оборудования за время ^ а число в правой части (1), деленное на t - скорость подвигания горных выработок (работ) в данном направлении.
Например, для скорости подвигания забоя панели уступа (экскаваторного блока) (рис. 2б), пологая величины В и С постоянными, имеем
аз=о^пу, (2)
где 9 3= АД - скорость подвигания забоя за время t (обычно сутки, месяц) Qt = V/t - производительность выемочно-погрузочного оборудования при выемке пород из панели уступа за то же время; Бпу = ВС - площадь поперечного сечения панели уступа (заходки); В = W - ширина панели (заходки); С = Ь - высота уступа.
Для скорости подвигания фронта работ (панели уступа вкрест простирания) (рис. 2в), пологая величины А и С постоянными, получим
9фр-= ^^у, (3)
где 9фр.= ВД - скорость подвигания фронта работ за время ^ (обычно месяц, год); Qt ^Д - производительность выемочно-погрузочного оборудования на выемке части уступа, шириной В = nW (п- число отработанных панелей) за то же время; БВу = А^С -площадь продольного вертикального сечения панели уступа; А = Ь - длина фронта горных работ; С = Ь -высота уступа.
Для скорости (темпа) углубления горных работ (рис. 2г), принимая А и В за постоянные, имеем
(4)
где 9у = СД - скорость углубления горных работ за время t (обычно год); Qt ^Д - производительность выемочно-погрузочного оборудования на отработке текущего нижнего горизонта карьера за то же время; Бгу = АВ - площадь срединного горизонтального сечения нижнего горизонта карьера; А = Ь - длина фронта работ (протяженность вскрываемого нижнего горизонта); В = В - средняя линия трапециевидного поперечного сечения нижнего горизонта.
Для планомерного развития горных работ в карьере темп углубления должен быть не ниже некоторого значения, при котором будут созданы условия для вскрытия очередного нижнего горизонта. Это требование диктуется минимально необходимым значением Б'гу. При однофланговом вскрытии очередного нижнего горизонта (рис. 3а)
Б'гу. = [вт + врТ + Врп + 1,5Ь(С:да' + С:да)Ь, (5)
при двухфланговом вскрытии переднего нижнего горизонта(рис. Зб)
Рис. 3. Схема к определению минимальных значений 5
Б''гу = (врт + 2Врп + 3ЬС:да)Ь. (6)
где вт- ширина транспортной (предохранительной) бермы; Врт - ширина разрезной траншеи на вскрываемом горизонте; Врп - ширина рабочей площадки; а', а - угол откоса соответственно нерабочего и рабочего уступов.
Помножив зависимости (5), (6) на высоту уступа, можно вычислить объем горной массы, подлежащий отработке на нижнем горизонте карьера для обеспечения проходки вскрывающих траншей на очередном нижнем горизонте. Уравнения (2), (3) для определения характеристик интенсивности развития горных работ по форме полностью согласуются с выражениями, предложенными авторами работ [1-5] исходя из здравого смысла без достаточной аргументации. Что касается формулы (4), полученной на той же основе, что и выражения (2), (3), то она принципиально отличается от известных математических описаний скорости углубления своей обоснованностью и логичностью. Так, в источниках [3-6] темп углубления горных работ предлагается определить как частное от деления высоты уступа на время его подготовки, а время подготовки горизонта - как отношение вынимаемого объема к производительности экскаватора на этом процессе. На самом деле это соотношение будет представлять конкретное значение 9у, при котором, как отмечено выше, возникнут возможности для вскрытия очередного нижнего горизонта карьера. Таким образом, рекомендации авторов [3-6] по определению 9у пригодны только для отмеченного частного случая, в то время как зависимость (4) имеет более широкий диапазон применения.
В цитируемых работах взаимосвязь между скоростями подвигания фронта и углубления горных работ выражена неравенством
9у<-9фр/(йдф ±^дР), (7)
где ф - угол откоса рабочего борта карьера; р - угол, определяющий направление углубления горных работ.
Знак плюс принимается в случае разработки наклонной залежи со стороны висячего бока, знак минус
- в случае разработки залежи со стороны лежащего бока. В соответствии с этим величина 9фр в первом случае выражает эту скорость со стороны висячего, во втором случае - со стороны лежащего бока.
Однако по формуле (7) невозможно установить искомую связь, т.к. в ней фигурируют две неизвестные величины 9у и ф. Угол ф, входящий в (7), на самом деле не является углом откоса рабочего борта карьера, а представляет угол наклона прямой, соединяющей концы векторов 9фр и 9у, к горизонту.
Поэтому численное значение такого угла заранее не может быть вычислено. В связи с изложенным
неравенство (7) справедливо только в том случае, когда темп углубления горных работ по модулю совпадает с высотой отрабатываемого горизонта.
С общей научной позиции стремление аналитически взаимоувязвать рассматриваемые показатели системы разработки в принятой в горнотехнической литературе постановке некорректно, т.к. они характеризуют изменение положения в пространстве с течением времени различных элементов системы разработки, а не одного материального объекта. Так, скорость подвигания забоя представляет собой интенсивность движения выемочной заходки панели уступа с площадью Бпу, скорость подвигания фронта работ - интенсивность перемещения самой панели вкрест простирания с площадью БВу, а скорость углубления горных работ - темп погружения текущего нижнего горизонта С площадью Бгу в карьерное пространство. Поэтому векторное сложение скоростей 9фр и 9у, представляющих кинематические характеристики различных объектов (точек), не допустимо.
Технологическая взаимосвязь между скоростями подвигания фронта и углубления горных работ естественно существует, но она должна выражаться через ряд технологических ограничений или как-то по другому. Так, при сплошной системе разработки с момента сдачи карьера в эксплуатацию 9у = О, решающее значение для обеспечения нормальной работы предприятия имеет скорость подвигания фронта работ 9фр. В зависимости от конкретных горнотехнологических условий она должна быть на каждом горизонте такой, чтобы на смежных по высоте уступах обеспечивалось условие
В1+1>В>Во1,- (8)
где В1 - ширина рабочей площадки на 1-ом горизонте; В1+1 - то же на 1 +1-ом горизонте; Во1 - расчетноминимальная ширина рабочей площадки на 1-ом горизонте.
Как видно из (3), при заданной высоте уступа 9фр регулируется изменением производительности выемочно-погрузочного оборудования на уступе (Q,) и длины фронта работ (1). Если общая длина фронта работ на уступе фиксирована, что обычно имеет место на практике, то поставленная цель достигается путем выбора целесообразного типа, числа выемочно-погрузочного оборудования и четкой организации его работы.
При углубочной системе разработки для обеспечения заданной производительности карьера по полезному ископаемому и вскрыше необходимо управлять величиной как 9фр, так и 9у, т.е. поддерживать их на целесообразном уровне. Значения 9фр на каждом рабочем горизонте должны обеспечивать-выполнение условия (8), а значения 9у - развитие горных работ по глубине.
Для увеличения темпа углубки горных работ 9у, как видно из (4), следует повышать производительность выемочно-погрузочного оборудования на нижнем горизонте отмеченными выше приемами и свести к минимуму значение площади Бгу (см. (5) и
(6)). При этом чем меньше высота уступа и длина отрабатываемого блока, тем больше темп углубления 9у. В то же время они негативны сказываются на технико-экономических показателях. Поэтому для обеспечения эффективной работы карьера требуется соответствующая жесткая организация основных и вспомогательных технологических процессов при изначально принятых параметрах системы разработки.
Таким образом, регулирование значений 9фр и 9у диктуется необходимостью планомерного выполнения заданного объема вскрышных и добычных работ. В какой-то период работы карьера, например, в пе-
риод достижения плановой производственной мощности по полезному ископаемому 9у может быть высокой, так как необходимо быстрее добираться до рудных залежей. После установившегося режима горных работ скорость углубки поддерживается на нужным, примерно одинаковом уровне. При эксплуатации маломощных крутых залежей этот показатель имеет большее значение, чем при разработке крупных залежей и т.д. Все эти моменты должны найти отражение в проекте разработки каждого конкретного месторождения и более подробно - в годовых планах горных работ.
----------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Шевяков Л.Д. Разработка месторождений полезных ископаемых. - М: Углетехиздат, 1953, 756 с.
2. Шешко Е.Ф. Открытая разработка месторождений полезных ископаемых. - М-Харьков: Углетехиздат, 1951, 222 с.
3. Ржевский В.В. Открытые горные работы. ч.2. - М.: Недра, 1985, 550 с.
4. Мельников Н.В. Избран-
ные труды: Состояние и проблемы развития горной науки и техники в СССР. - М.: Наука, 1992, 230 с.
5. Трубецкой К.Н, Крас-
нянский Г.Л, Хронин В.В. Проекти-
рование карьеров. - М.: Из-во АГН, 2001. - т. 1. - 519с.
6. Арсентьев А.И, Холодня-
ков Г.А. Проектирование горных ра-
бот при открытой разработке месторождений. - М.: Недра, 1994. - 336 с.
7. Обоснование показателей интенсивности развития горных работ. Вестник МОИ HAH PK, Ш6, Алматы, 2001, с. 63-67
8. Системы открытой разработки полезных ископаемых. Доклады HAH PK, №2, Алматы, 2002, с. 67-71.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Ракишев Баян Ракишевич - доктор технических наук, профессор, член-корреспондент HAH PK, зав. кафедрой открытых горных работ Казахского национального технического университета им. К.И. Сатпаева.
Файл:
Каталог:
Шаблон:
Заголовок:
Содержание:
Автор:
Ключевые слова: Заметки:
Дата создания:
Число сохранений: Дата сохранения: Сохранил:
Полное время правки: Дата печати:
При последней печати страниц: слов: знаков:
РАКИШЕВ
G:\По работе в универе\2003г\Папки 2003\GIAB9_03 C:\Users\Таня\AppData\Roaming\Microsoft\Шаблоны\Normal.dotm УДК 622
Филатов ВВ
21.07.2003 13:52:00 6
21.07.2003 13:57:00 Гитис Л.Х.
6 мин.
09.11.2008 1:21:00 4
2 572 (прибл.)
14 665 (прибл.)
