Внутренний отвал на наклонном основании и его приемная способность Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

Показатели Пласты

У 5 Ув4 У4 У‘4 Н15

% отсортировки породы

52.1 | 12.7 | 21.8 | 34.2 | 20.4

Участок «Северный»

Объем породы, тыс.т 2498.0 99.0 1266.0 325.0 4015.0

Снижение зольности к геологическим запасам, % 7.05 1.32 2.36 2.57 1.62

Зольность угольной массы, % 24.95 34.0 27.7 24.51 34.38

Участок «Западный»

Объем породы, тыс.т 4740.0 *) 35.02 -*) 28.25

Снижение зольности к геологическим запасам, % 4.38 - 1.59 - 1.55

Зольность угольной массы, % 23.13 - 28.85 - 34.45

Участок «Центральный»

Объем породы, тыс.т 9150.0 104.0 8710.0 531.0 5922.0

Снижение зольности к геологическим запасам,% 3.22 0.64 2.12 2.50 1.68

Зольность угольной массы, % 21.73 27.63 31.38 27.43 35.44

Участок «Восточный»

Объем породы, тыс.т 6282.0 *) 2106.0 759.0 5187.0

Снижение зольности к геологическим запасам,% 3.55 - 2.19 2.92 1.48

Зольность угольной массы, % 22.26 - 31.96 28.77 33.44

Итого по разрезу

Объем породы, тыс.т 70137.0

Зольность угольной массы, % 28.29

*) по этому участку отсортировка породы на данном пласте не производится

сти при формировании качества добываемо- обоснования и принятия важных технологи-

го угля, что послужит надежной основой для ческих решений.

--------------------------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Технико-экономическое обоснование промышленного освоения Эльгинского месторождения. (I этап. Ос-

новные положения. Книга 2. Горно-транспортная часть (ТЭО - 5890/ 1.4 -2-П3)). - Новосибирск: Фонды института «Сибгипрошахт», 1992.

— Коротко об авторак -------------------------------------------------------------------

Дворникова А.Н. - кандидат технических наук, ст. научный сотрудник,

Дубинина Н.В. - мл. научный сотрудник,

лаборатория открытой геотехнологии, Институт горного дела СО РАН, Новосибирск.

--------------------------------------------------------------- © А.А. Зайцева, 2004

УДК 622.271.:519.6 А.А. Зайцева

ВНУТРЕННИЙ ОТВАЛ НА НАКЛОННОМ

ОСНОВАНИИ И ЕГО ПРИЕМНАЯ СПОСОБНОСТЬ

Семинар № 12

¥ ¥ еобходимость использования выра-

Л.Л. ботанного пространства карьера для размещения вскрышных пород с экологической точки зрения не вызывает сомнения. Однако и на сегодняшний день применение систем с внутренним отвалообразованием на месторождениях с наклонным залеганием пластов весьма ограничено. Объясняется это как сложностью применения таких систем (достаточно затратный механизм выемки именно в первые 10-12 лет, когда отрабатывается первоочередной блок) так и недостаточно исследованными процессами вскрытия и отвалообразования в период перехода на внутренний отвал.

Геометрическая форма отвала, возводимого в выработанном пространстве карьера, отрабатывающего месторождение с наклонным залеганием пластов, представляет собой перевернутую пирамиду. Вследствие этого длины бровок ярусов возрастают снизу вверх (в отличие от отвалов возводимых на пологом основании), рис. 1. Учитывая стесненные условия отсыпки нижележащих ярусов, следует ожидать, что их приемная способность будет тормозом для развития ярусов, расположенных выше.

В настоящей работе предпринята попытка оценки приемной способности яруса на основе его геометрических параметров, производительности отвального оборудования и рекомендаций по устойчивости отвала. Для того чтобы перечисленные факторы увязать между собой, необходима модель отвала, позволяющая в заданный момент, характеризуемый подвиганием бровки яруса, получать допустимый объем отсыпаемой породы.

Модель динамики развития внутреннего отвала на наклонном основании строится с учетом заданных параметров его ярусов (ширина рабочей площадки, высота или отметка яруса, естественный угол откоса), горно-геологических условий залегания месторождения и данных об устойчивых углах откоса отвала.

Для решения этой достаточно сложной в трехмерном пространстве задачи применяется известный в теории моделирования [1] прием, позволяющий свести решение к ряду плоских задач. А именно, сечение пространственной фигуры плоскостями (профилями,

рис. 1 (р[-рк)), построение на каждой из них вышеперечисленных элементов отвала, и затем, на этапе расчета объемов вскрыши, объединение плоских моделей в единое целое.

Основным элементом, отражающим развитие отвала, является его рабочий борт, рис.2, который со временем изменяет не только свое пространственное положение, но и конфигурацию. Объем вскрышных пород, который можно разместить при перемещении нижней бровки отвала на расстояние Ьр от ее предыдущего положения, рассчитывается как объем фигуры, образованной пересечением поверхностей рабочего борта отвала, построенных в предыдущем и текущем положениях, с множеством плоскостей. Это множество включает кровлю и почву отвальных уступов (ярусов), почву нижележащего пласта, на которой отсыпается внутренний отвал, торцы карьера на его левом и правом флангах и рабочий борт карьера в погашенном состоянии.

Для описания модели в пространстве карьера вводится система координат положительное направление оси ОХ, которой совпадает с направлением развития горных работ по простиранию нижнего пласта, ось ОУ направлена по его восстанию, а ось 02 перпендикулярна плоскости ХОУ, рис. 1. Количество профилей и их положение выбираются таким образом, чтобы, помимо отображения изменения во времени и пространстве моделируемого объекта, обеспечить необходимую точность расчетов. Поскольку наша задача состоит в построении модели отвала, развитие которого предполагается в направлении простирания пласта, вводится система Р={р,\ г=1,--,г'к}, элементы которой (профили р,) обладают следующими свойствами: параллельны оси 07, что обеспечивает единство координаты г для всех плоских координатных систем, построенных на профилях р,; параллельны оси ОХ, что позволяет исключить координату у в плоскости профиля (двумерность задачи); содержат внутри себя карьер и обеспечивают необходимую точность расчетов.

Очевидно, что первыми двумя свойствами обладают р,, уравнения которых имеют

вид: у - Я, , где - расстояние по оси

ОУ профиля р1 от начала координат. Последнее свойство относится к системе Р в целом. Его выполнение обеспечивается соответствующим выбором значений Я, . Основные

положения алгоритма расчета Я, для конкретного карьера изложены в [2]. Для расчета используются данные о геологии месторождения (уравнения нижнего пласта и рельефа), линейных размерах карьера (Ьх, Ьу -длина и ширина по низу) и его технологических параметрах (аги а1гр- углы левого и правого торцевых бортов карьера соответственно, ар - угол борта погашения горных работ).

Задача моделирования развития отвала формулируется следующим образом: для каждого этапа п=1,..,пк, характеризуемого под-виганием фронта отвальных работ Ьрп, построить рабочий борт отвала

Рис. 1. К построению математической модели внутреннего отвала карьера, отрабатывающего наклонное месторождение: Jl - Jз - отвальные ярусы;

^ - направление развития отвала

виде множества следов Г^ его пересечения с плоскостями профилей Р = {р.|у = Я,, = I ,к}

и рассчитать приемную способность отвала УОя(п) и его ярусов у (п), а так

у%у

же координаты бровок (х(п) у (п) _(п) ), ха-

'•у,т’Уу,т у,т '

растеризующие пространственное положение на левом и правом флангах (т = 1,2) при условии, что заданы:

• геология месторождения - уравнениями почвы нижнего пласта и рельефа;

• физико-механические свойства подстилающих и складируемых пород - зависимостью у - р(Д И) устойчивого угла откоса

рабочего борта отвала у от его высоты И и угла наклона подотвальной поверхности Д

• технология отсыпки - параметрами С={п1, Иу, сгру, щ I У=1,.., п1}, где Иу, сгру, -соответственно высота и ширина рабочей

площадки, а сру, п1 - угол естественного откоса и количество ярусов У;

• линейные размеры карьера (Ьх, Ьу) и углы откоса его нерабочих бортов (а,г1, а,гр, ар).

Конструирование рабочего борта, обеспечивающего максимальную приемную способность ярусов, и расчет координат его узловых точек (х(,) (,) ) на

^ п,у,к п,у,к'

профилях р, произведены согласно [3] с использованием дополнительного ограничения, гарантирующего устойчивость отвалу возводимому на наклонном основании х(,) ^ х(,-1) для всех

хп,1,1 хп,1,1

ге[2,..,4].________________________

Рис. 2. К моделированию развития отвала в плоскости профиля

а)

юос

50С

1х=4000м, 1у=669м, Н=250м

Л Л

' Л /■’

./ / / .

Рис. 3. Характеристики развития отвала в динамике: Lf - длина верхней бровки яруса; V - вместимость яруса за этап; 11 - 1 - ярусы с отметками 420, 480, 540, 600 м, соответственно

100

300

500

ЮОС

500

100 300 500

удаление нижней бровки отвала от торца карьера, м

Алгоритм модели реализован в программный модуль, позволяющий для каждого варианта карьера (Ьх, Ьу) рассчитать вместимость и пространственное положение отвала в зависимости от его удаления от начала отсыпки (левого торцевого борта карьера). В результате моделирования получаем зависимость вместимости отвала от величины его удаления от торцевого борта карьера. Результат моделирования приведен на рис. 3.

Расчет производился для карьера длиной Ьх = 4км, глубиной 250м (Ьу = 669 м) с углами наклона нижнего пласта ап = 20°, р = 0°,

углы бортов погашения горных работ и торцевого приняты 30° и 45°, соответственно. Подвигание отвальных работ за этап - 25 м, ширина рабочей площадки и угол естественного откоса яруса соответственно 80м (с учетом бермы безопасности) и 37°. Резкое уве-

личение вместимости ярусов 2-4 в этапе 1, рис.3, объясняется их конфигурацией в зоне торцевой поверхности карьера, к которой они примыкают, и, как следствие, возрастанием расстояния между их верхней бровкой и началом отсыпки. Полученные на модели данные используются для оценки приемной способности отвала.

Приемная способность яруса зависит от количества отвальных тупиков и производительности оборудования, [4], а также периода осадки пород, т. е. устойчивости отвала и безопасности ведения работ, которые могут быть выражены через допустимую скорость подвигания отвального фронта работ - V!. Определим приемную способность яруса, в период его строительства В предположении, ЧТО V! известно. Поверхность яруса характеризуется длиной верхней бровки (Ь/ и шириной площадки (Ь) строительного периода. В период строительства работы ведутся вдоль фронта работ и, следовательно, необходимо отсыпать насыпь длиной Ь/. При скорости отсыпки насыпи V! время ее строительства Г = Ь// За время Г на ярусе будет возведена рабочая площадка шириной Ь (величина равная расстоянию от торца разреза до выхода на фронт работ постоянной длины). Тогда V? = Ь / Г, т.е. у2 = Ц 1'! / Ь/р у=1,..,ку, где у, ку - соответственно, номер и количество ярусов.

Согласно [5], для отвала высотой 144 м на сухом основании скорость движения фронта работ не может превышать 2.3-5.2 м/сутки. Для отвала с высотой ярусов Иу = 60 м, длина верхних

Рис. 4. Суточная приемная способность отвала с высотой ярусов 30 м (1, 3) и 60 м (2, 4) при допустимой скорости отсыпки яруса 2.3 м/сутки (1, 2) и 5.3 м/сутки (3, 4)

Сутки

бровок при полном развитии Ь/у = 298, 558, 819, 1004 м, а ширина площадки Ьу = 100, 125, 175, 250 м, рис. 3. Следовательно, если V! = 2.3 - 5.2, то v21 = 0.77 - 1.74, v2 2 = 0.52 -1.16, v2,3 = 0.49 - 1.11, v2,4 = 0.57 - 1.29

м/сутки, где v2у■ - скорость подвигания фронта работ яруса у в строительный период. Расчеты показали, что при таких скоростях отвальное оборудование (автомобили и бульдозеры) вполне обеспечивают допустимую по безопасности приемную способность яруса. Поэтому в расчетах суточной приемной способности отвала учитывались только время ввода яруса в эксплуатацию, скорость подвигания фронта его работ и приемная способность, соответствующая этой скорости.

Приемная способность отвала, а также время его выхода на полную мощность рас-

Х.Танайно А.С. Автоматизация проектирования карьеров. Горно-геометрические расчеты - Новосибирск: Наука, 1986.

2.ВасильевЕ. И., Зайцева А. А., Ческидов В. И. Стабилизация режима горных работ при отработке наклонных месторождений блоками // ФТПРПИ. — 1999. — № 6.

3.Зайцева А. А. Об оптимизации режима внутреннего отвалообразования при отработке ме-

считывались с использованием зависимостей рис. 3 б На рис. 4 приведены результаты расчета приемной способности отвала для двух допустимых скоростей подвигания отвальных ярусов и двух вариантов их высоты.

Установлено, что приемная способность отвала и сроки его выхода на полную мощность значительно различаются. Так выход на максимальную приемную способность при Vl = 2.3 м/сутки происходит на 925 сутки, рис. 4 (2) в то время как Vl = 5.2 м/сутки обеспечивает максимальную приемную способность на 437 сутки, рис. 4 (4). Снижение высоты отвальных ярусов приводит к увеличению сроков выхода отвала на полную мощность и снижению приемной способности отвала (при одинаковой скорости подвигания отвального фронта).

---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

сторождения с разделением на блоки // ФТПРПИ. — 1996. — № 5.

4.Ржевский В.В. Открытые горные работы. Часть 1.- М.: Недра, 1985.

5.3отеев В.Г., Фролов А.В., Ворошилова НА. и др. Опыт отсыпки высоких бульдозерных отвалов в затопленное карьерное пространство // ГЖ. - 1977.- № 10.

— Коротко об авторах -------------------------------------------------

Зайцева А.А. - кандидат технических наук, Институт горного дела СО РАН, г. Новосибирск.