Установление параметров рабочей зоны карьеров для подготовки выработанного пространства к внутреннему отвалообразованию Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© А.Ю. Ариженко, В.П. Воловик, 2003

УАК 622.271.4

А.Ю. Ариженко, В.П. Воловик

УСТАНОВЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ РАБОЧЕЙ ЗОНЫ КАРЬЕРОВ АЛЯ ПОАГОТОВКИ ВЫРАБОТАННОГО ПРОСТРАНСТВА К ВНУТРЕННЕМУ ОТВАЛООБРАЗОВАНИЮ

Подготовка карьерного поля к эксплуатации в общих случаях нуждается в проведении вскрывающих и разрезных траншей. Однако, в зависимости от мощности покрывающих пород и залежей полезных ископаемых, типа выемочного оборудования и вида транспорта возможно частичное или полное отсутствие тех или иных подготовительных выработок. Так, при автомобильных перевозках роль разрезных траншей выполняют разрезные котлованы длиной до 40 м. При использовании драглайнов для разработки основного вскрышного уступа или при общей мощности пород вскрыши до 10-20 м возможно полностью отказаться от вскрытия пластов полезных ископаемых весьма малой мощности. При таких технологических схемах вскрышным драглайном полезное ископаемое непосредственно разгружается в подвижный состав или в навал на кровле пласта, откуда самостоятельным видом транспорта доставляется к месту использования. При применении бульдозеров и скреперов для разработки залежей небольшой мощности с весьма небольшим покрытием породами вскрыши подготовленные выработки не нужны совсем. Использование же для выемочных работ мощных роторных экскаваторов в комплексе с отвалообразователями и перегружателями, а также ленточными конвейерами обязательно требуют проведения вскрывающих выработок на полную глубину и разрезных траншей на всем протяжении фронта работ каждого уступа.

Требования охраны природы и экономическая целесообразность при использовании сплошных систем разработки обусловливают применять организацию складирования пород вскрыши в выработанном пространстве карьера. Из рис. 1 следует, что при использовании мощного выемочно-транспортноотвального оборудования с тупиковым размещением вскрышного и добычного забоев один вслед за другим для подготовки карьерного поля к эксплуатации нужно сформировать разрезную траншею с шириной дна ^б.п (м), что обеспечивает минимально возможную первоначальную мощность карьера. При этом ширина траншеи по поверхности Нб(м) определяется из уравнения

Нб _ вб.п + С2 + Н^дРн + Ьдс;-дак + +С1 + ЬрС1дар, (1)

где Нк - глубина карьера, м; Ьд, Ьр - мощность пласта полезного ископаемого и пород вскрыши, м; С1,С2 - соответственно ширина площадок безопасности между вскрышными и добычными уступами, а также нижними бровками добычного уступа и нерабочего борта (отвала), м; ак , ар, рн -углы откоса добычного и вскрышного уступов, а также нерабочего борта карьера, град.

Подготовительные горные работы ведутся специальным или, чаше всего, основным горнотранспорт-ним оборудованием. Объем вскрыши при строительстве определяется в зависимости от значений вб.п и Нб. Размещается он за пределами карьерного поля во внешнем отвале. При дальнейшем перемещении фронта горных работ по породам вскрыши из панели 1р отсыпается первая внутренняя отвальная за-ходка 1в, часть которой размещается на нерабочем борту карьера. В этом случае ширина рабочей зоны по поверхности Нп(м) определяется по формуле

Нп = вб.п + Ьд^дар +С1+ Ид^дак +С2+ Нк^дав (2)

где ав - угол результирующего откоса отвальных уступов, град.

В основной период эксплуатации добывающие панели могут обеспечивать как тупиковый, так и сквозной фронт работ. При последовательной разработке панели по залежи полезного ископаемого 3к вслед за перемещением вскрышной панели 2р, отсыпается вторая отвальная заходка 2в. При этом ширина рабочей зоны карьера по поверхности Не2 (м) составляет

Не.2 = 1,5 вб.п +Ьр(С;дар ЖрС1дав)+ Ьд^дак+С1+С2, (3)

При параллельном размещении панели 3к к перемещению вскрышной панели 3р Не.з = 2,5 вб.п +Ьр(С;дар Жр с;дав)+ Ьд^дак+С1+С2, (4) где Кр - остаточный коэффициент разрыхления пород вскрыши в отвале, Кр= 1,05-1,2.

Практика разработки мягких пород вскрыши показывает, что углы откоса рабочей зоны изменяются в очень большом диапазоне. Под действием поверхностных и подземных вод коэффициент сцепления и внутреннего трения резко снижаются, что приводит к уменьшению значения устойчивого угла откоса. Так, если угол естественного откоса мягких пород в среднем составляет аг =300, то на карьерах Никопольского марганцеворудного, Александрийского буроугольного, Малышевского титанорудного

Рис. 1. Схема формирования рабочей зоны карьера при разработке пологих месторождений

и др. угол откоса рабочих бортов составляет 21-230,для нерабочих - не превышает 35-450,отвалов -12-230. Ширина выемочных панелей равняется 4080 м. В зависимости от размера производственной мощности карьера ежегодно отрабатывается 2-3 панели.

Из рис. 2 видно, что горнотехнические условия оказывают непосредственное влияние на выбор транспортно-отвального оборудования, которое применяется при перемещении пород вскрыши из забоев к внутренним отвалам. Ширина рабочей зоны, которая формируется в конкретных условиях, обусловливает требуемый радиус разгрузки пород вскрыши в отвал драглайнами или консольными от-валообразователями. За пределами их действия все остаточные объемы пород вскрыши доставляют в отвалы различными видами карьерного транспорта. При этом как расстояние транспортирования, так и

Рис. 2. Графики зависимости ширины рабочей зоны карьера по поверхности Н от мощности покрывающих пород Ьрп , высоты добычного уступа Ьд и ширины выемочной панели вбп 1 - начальное положение внутреннего отвала при Ьд = 15 м; вб.п =20 м; ар= ав = 38-400; вн = 400; 2- период эксплуатации с параллельным размещением вскрышной и добычной панелей при ар=38-400; ав = 22-230; 3 - период эксплуатации с последовательным размещением вскрышной и добычной панелей при вбп =40 м; ар=22-230; ав =17-180

Рис. 3. Гипсометрия значений коэффициентов вскрыши на Матроновском участке Малышевского месторождения титановых руд: 1,2,3,4,5 и 6 - соответственно значения коэффициента вскрыши в пределах до 2; 2,5-4; 4,5-6; 6,5-8;8,5-10 и 10,5-12 м3/м3

объемы разрабатываемых пород играют основную роль в экономическом обосновании применения конкретных горнотранспортных систем. Поэтому на карьерах весьма малой глубины (до 20 м) при разработке пород вскрыши малой мощности во всех случаях возможно отсыпать внутренние отвалы бульдозерами, скреперами и драглайнами с вместимостью ковша до 6 м3 без использования специального транспорта. На карьерах малой глубины (21-50 м) такая же технология обеспечивается путем применения мощных драглайнов, многоковшовых экскаваторов в комплексе с консольными отвалообразо-вателями. Более глубокие карьеры с мощными толщей пород вскрыши и пластами полезных ископаемых должны использоваться комбинированные схемы формирования внутренних отвалов с применением различных видов транспорта и способов отвало-образования.

На примере проектирования Матроновского карьера по добыче титановых руд установлено, что параметрами рабочей зоны возможно эффективно управлять путем соответствующего использования конструктивных размеров выемочно-отвального оборудования и укрепления откосов внутреннего отвала. Рудный пласт представлен тонкозернистыми песками средней мощности 10,6 м, в кровле которых залегают аналогичные безрудные пески и глинистые породы со средней мощностью соответственно 17,9 и 26,6 м. Следует отметить, что карьерное поле расположено в местности сильно нарушенной балками и оврагами со значительным отклонением отметок поверхности смежных пластов от среднего значения. Так, минимальная мощность рудных песков на 85% от обследованных значений составляет 6,5 м, при изменении их максимальной мощности от 17 (75%) до 22 м. Безрудные пески имеют минимальную мощность 7,2 м (83%), при изменении суммарной мощности вскрышных пород от 20,5 до 65,5 м (80%) с максимальной величиной 75 м. Для анализа горнотехнических условий участка составлена карта изомощностей пластов горной массы в пересчете на средние коэффициенты вскрыши по разведочным скважинам (рис. 3).

Для укрепления откосов внутреннего отвала предположено использовать безрудные пески, которые разрабатываются экскаваторами ЭШ-11/75 верхним черпанием и располагаются в упорную призму в основании и по склону отвала глинистых пород. Высота подуступа по безрудным пескам при-

нята на уровне 7 м. Этим же экскаватором производятся добычные работы нижним черпанием с размещением рудных песков на кровле рудного пласта в виде аккумулирующего склада. Основная толща вскрыши высотой до 40 м отрабатывается роторным экскаватором в комплексе с отвалообразователем. Ширина заходки составляет 70-80 м. Высота внутреннего отвала при ав = 230 достигает 35-40 м. С учетом Формирования зимних запасов ширина рабочей зоны ^ равна 280-300 м. Для таких условий эксплуатации целесообразно принять роторный экскаватор СРС-2400 в комплексе с перегружателем и отвалообразователем 0ШР-5000/190, которые обеспечивают раскрытие рабочей зоны карьера на ши-

рину 311 м. Участки массива с коэффициентами вскыши более 4,4 м3/м3 (до 20%) отрабатываются одноковшовыми экскаваторами в комплексе с автотранспортом. Поскольку здесь залегают чернозем и потенциально плодородные породы, используют их для заключительного процесса рекультивации внутреннего отвала.

Основные элементы описанной технологии апробированы на действующих карьерах Вольногорского горно-металлургического комбината. Размещение выемочно-отвального оборудования в рабочей зоне карьера позволит отказаться от эксплуатации системы конвейерных линий в карьере и на внутреннем отвале, что экономически довольно эффективно.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ --------------------------------------------

Дриженко А.Ю. — профессор, доктор технических наук, Национальная горная академия Украины. Воловик В.П. — инженер, ГАК "Укрполиметаллы".

© С.В. Анциферов, 2003

YAK 621.9

С.В. Анциферов

РАСЧЕТ ОБАЕЛОК ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ КР"ГОВЫХ ТОННЕЛЕЙ МЕЛКОГО ЗАЛОЖЕНИЯ, СООР"ЖАЕМЫХ С ПРИМЕНЕНИЕМ YКРЕПИТЕЛЬНОЙ ЦЕМЕНТАЦИИ*

азвитие коммунального хозяйства крупных совре-

Рых городов, совершенствование их транспорт-и иных систем связано с интенсивным освоени-подземного пространства, которое требует строительства тоннелей различного назначения. Необходимость сохранения существующей городской застройки, культурных и исторических памятников, уменьшения объемов строительных работ на поверхности, снижения стоимости работ во многих случаях делает целесообразным сооружение тоннелей мелкого заложения закрытым (горным) способом. Современные городские подземные сооружения часто включают параллельные тоннели, испытывающие как взаимное влияние, так и влияние земной поверхности, а также действие веса зданий и сооружений на поверхности, при этом в сложных геологических и инженерных условиях проводятся мероприятия по упрочнению массива грунта (пород) вокруг тоннелей, например, с помощью укрепительной цементации, что, естественно, приводит к изменению напряженного состояния системы “обделки тоннелей—массив грунта”.

В настоящее время имеются аналитические методы расчета обделок одиночных круговых тоннелей мелкого заложения, не испытывающих влияния близко расположенных подземных сооружений, на действие собственного веса грунта, внешнего давления грунтовых вод, веса зданий и сооружений на поверхности, как существовавших до проведения тоннеля, так и возводимых вблизи уже построенного тоннеля [1], на действие нагрузок от подвижного транспорта [2] и на сейсмические воздействия землетрясений [3]. Методы основаны на исследовании взаимодействия подземных конструкций и массива грунта (пород) как элементов единой деформируемой системы и на решениях соответствующих плоских контактных задач для кольца, моделирующего обделку, подкрепляющего отверстие в весомой полубесконечной линейно-деформируемой или вязкоупругой (в рамках теории линейной наследственной ползучести) среде, моделирующей массив грунта. Аналогичные методы разработаны для расчета обделок параллельных взаимовлияющих круговых тоннелей мелкого заложения на статические нагрузки [4] и на сейсмические воздействия [5]. Однако учет влияния укрепительной цементации может быть выполнен только при расчете обделок одиночных тоннелей [6, 7]. В связи с этим в настоящей работе предлагается аналитический метод расчета обделок комплекса параллельных круговых тоннелей мелкого заложения, сооружаемых с применением

*Работа поддержана грантом Совета программы поддержки ведущих научных школ № 00-15-98522.