Элементы открытых горных разработок Исполнитель

Тема: Элементы открытых горных разработок.

План:

1. Элементы и параметры карьера.
2. Добываемые полезные ископаемые и их качество.
3. Технологическая характеристика горных пород.

Цель работы – формирование в сознании студентов понятия об элементах горных разработок, о качестве полезного ископаемого и технологических характеристиках горных пород.  

{spoiler=Продолжать Читать}

Элементы и параметры карьера

Месторождение или часть его, разрабатываемую одним карьером, называют карьерным полем. Карьерное поле является объемной геометрической фигурой, характеризуемой размерами в плане и глубиной; оно входит в состав земельного отвода карьера, в пределах которого размещаются также удаленные из карьера вскрышные породы, промышленная площадка и другие производственные сооружения.

Как уже отмечалось, разработку горных пород в карьере ведут слоями с опережением в плане верхними слоями нижних. Обычно слои горизонтальны (рис. 1.2, а). Иногда пологопадающую залежь разрабатывают наклонными слоями (рис. 1.2, б, в), а крутопадающую – крутыми слоями (рис. 1.2, г).

В общем случае слой является более широким понятием, чем уступ. Уступ – это отдельно разрабатываемая часть слоя горных пород, имеющая форму ступени. В наиболее распространенных условиях разработки горизонтальными и наклонными слоями соответственно горизонтальные и наклонные уступы совпадают с ними и имеют ту же высоту (мощность слоя) и размеры в плане. При большой высоте горизонтального слоя (до 50-100 м) можно его разрабатывать и наклонными уступами (рис. 1.2, д). Крутые слои могут разрабатываться горизонтальными уступами (см. рис. 1.2, г).

Каждый уступ характеризуется высотной отметкой, соответствующей горизонту расположения на нем транспортных коммуникаций. Отметки уступов могут быть абсолютные (относительно уровню моря) или, реже,условные (относительно постоянного пункта на поверхности). У горизон –

тальных уступов отметки постоянные, а у наклонных – переменные.

Горизонтальные или наклонные поверхности уступа, ограничивающие его по высоте называютнижней и верхнейплощадками (рис. 1.3), а наклонную поверхность, ограничивающий уступ со стороны выработанного пространства, - откосом уступа. Угол наклона уступа к горизонтальной плоскости называется углом откоса уступа, а линии пересечения откоса с верхней и нижней площадками – соответственно верхней и нижней бровками.

Рис. 1.2. Типы слоев и уступов

Различают рабочие и нерабочие уступы. На рабочих уступах производится выемка вскрышных пород или полезного ископаемого. Если на площадке располагается оборудование, необходимое для разработки уступа, она называется рабочей площадкой.

Рис. 1.3. Элементы уступа:

1, 2 - нижняя и верхняя площадки; 3 - фронтальный откос уступа; 4, 5-верхняя и нижняя бровки; 6 - транспортные коммуникации

Часто уступы разделяются на подуступы (рис. 1.4), которые разрабатываются разным выемочным оборудованием или одним и тем же оборудованием последовательно или одновременно, но имеют единые для уступа транспортные пути.

Рис. 1.4. Схемы разработки подуступов:

а - одновременно разными экскаваторами; б - последовательно одним экскаватором; в - одновременно одним экскаватором

Часть уступа по его длине, подготовленная для разработки, называется фронтом работ уступа, который измеряется его протяженностью L_ф.у. Фронт работ уступа может быть прямолинейным или криволинейным в плане, а протяженность его остается постоянной или изменяется, что зависит в первую очередь от формы и размеров разрабатываемой залежи. Подготовка фронта заключается главным образом в подводе транспортных и энергосиловых коммуникаций для обеспечения работы оборудования на уступе.

В результате выемки пород происходит отработка уступа. В подавляющем большинстве случаев в карьере одновременно разрабатываются несколько уступов, происходит их подвигание, а часто и создание новых уступов по глубине карьера. Ступенчатые боковые поверхности, образованные откосами и площадками уступов и ограничивающие выработанное пространство, называются бортами карьера (рис. 1.1).

Борт, представленный рабочими уступами, называют рабочим бортом карьера. Линия, ограничивающая карьер на уровне земной поверхности, является верхним контуром карьера, а линия, ограничивающая дно (подошву) карьера, его нижнем контуром.

При производстве горных работ положение рабочего борта, верхнего и нижнего контуров карьера меняется в пространстве. Постепенно отдельные уступы, начиная сверху, достигают конечных контуров (границ) карьера. К моменту погашения (окончания открытых работ) им соответствуют конечная глубина и конечные размеры карьера в плане (см. рис. 1.1). Откосы уступов нерабочих бортов карьера, на которых горные работы не проводятся, разделяются бермами (площадками): транспортными, предохранительными и очистки (см. рис. 1.1).

Угол между линией, нормальной к простиранию борта и соединяющей верхней и нижний контуры, и горизонталью называется углом откоса борта карьера (рабочего или нерабочего). Величина его зависит от высоты и ширины площадок уступов и находится обычно в пределах: рабочего борта 7-17⁰ (иногда до 23-27⁰), нерабочего борта 25-45⁰.

Совокупность уступов, находящихся в одновременной разработке, называется рабочей зоной карьера. Положение рабочей зоны определяют отметками нижних площадок верхнего и нижнего (на данный момент времени) рабочих уступов карьера (см. рис. 1.1). Длина фронта горных работ карьера представляют суммарную протяженность фронтов горных работ всех рабочих уступов.

Для введения в разработку нового уступа необходимо создать транспортный доступ к нему и первоначальный фронт работ с соответствующей рабочей площадкой (верхней и нижней).

Для расположения транспортных коммуникаций, по которым будет осуществляться транспортирование горной массы нового уступа на поверхность или вышележащие уступы, необходимо вскрыть уступ, т. е. провести с поверхности или вышележащего уступа специальные (вскрывающие) горные выработки. Эти выработки в большинстве случаев соединяют пункты, расположенные на разных высотных отметках (если вскрывают один уступ, то разница высотных отметок равна высоте уступа) и поэтому имеют определенный уклон . При сооружении вскрывающие выработки обычно имеют близкое к трапецеидальному или треугольному сечение и называются соответственно капитальными траншеями и полутраншеями (см. рис. 1.5, а, б).

Рис. 1.5. Горноподготовительные выработки:

1, 2 -. капитальные траншея и полутраншея; 3, 4, 5 - разрезные траншея, полутраншеяи котлован; 6 - направление развития горных работ

Для создания начального фронта работ на вскрытом уступе (нарезке уступа) необходимо провести от вскрывающей выработки горизонтальную (реже с небольшим уклоном для стока воды) горную выработку значительной протяженности по сравнению с размерами поперечного трапецеидального (треугольного) сечения – разрезную траншею (полутраншею) или разрезной котлован, длина и ширина которого имеют один порядок измерения (рис. 1.5, в, г).

Главные параметры карьера следующие:

1. Конечная глубина, которая при разработке наклонных и крутопадающих залежей определяет возможную производственную мощность карьера, размеры его по поверхности, общий объем извлекаемой горной массы. Для горизонтальных и пологопадающих залежей конечная глубина определяется природными условиями и изменяется незначительно за весь период разработки. Конечная глубина устанавливается при проектировании карьера. Современные карьеры имеют глубину от нескольких метров до 600 м. Проектами предусматривается возможность открытых горных разработок до глубины 900 м.
2. Размеры карьера по простиранию и вкрест простирания залежи по поверхности определяются размерами залежи, дна карьера, глубины и углов откоса его бортов. Они устанавливаются графически или аналитически. Форма карьера в плане обычно близка к овальной. Длина карьера изменяется от сотен метров до 5 км, а ширина, в зависимости от типа месторождения, - до 4 км.
3. Размеры дна карьера устанавливаются оконтуриванием разрабатываемой части залежи на отметке конечной глубины карьера. Минимальные размеры дна карьера определяются условиями безопасной выемки и погрузки пород на нижнем уступе (по ширине – не менее 20 м, по длине – не менее 50-100 м).
4. Углы откосов бортов карьера определяются условиями устойчивости пород прибортового массива и размещения транспортных коммуникаций. Их стремятся принимать более крутыми, чтобы уменьшить общий объем вскрышных работ.
5. Общий объем горной массы в контурах карьера является важнейшим показателем, определяющим производственную мощность предприятия, срок его существования и др.

При равнинном рельефе поверхности достаточно точно общий объем горной массы в карьере можно определить по выражению:

 м³                                                      (1.1)

где  – площадь дна карьера, м²;  – глубина карьера, м;  – периметр дна, м; – усредненный угол откоса бортов, градус.

Площадь, форма контура и периметр дна карьера в первую очередь зависят от размеров и конфигурации залежи. Дну карьера придается по возможности округленная форма с целью повышения устойчивости бортов и уменьшения объема извлекаемых вскрышных пород.

6. Запасы полезного ископаемого в карьерном поле – важнейший показатель, определяющий возможный масштаб добычи, срок существования карьера и экономические результаты разработки. Запасы в пределах каждого уступа (горизонта) и карьерного поля в целом устанавливаются при разведке месторождения, а затем уточняются и пересчитываются при проектировании и эксплуатации карьера в соответствии с установленными кондициями (Кондиция – условие договора или норма, которой должна соответствовать поставляемая продукция) на полезное ископаемое.

Качество добываемых полезных ископаемых

Различают полезные ископаемые: металлические (руды черных, цветных и благородных металлов, радиоактивных и редких элементов), неметаллические (сырье для металлургической, химической и других отраслей промышленности), горючие (уголь, горючие сланцы, торф и др.) и строительные горные породы.

Совокупность свойств, определяющих степень пригодности и экономической эффективности использования, называется качеством полезного ископаемого. Для углей, например, качественными показателями являются зольность, содержание влаги, кусковатость, содержание минеральных примесей, выход летучих, содержание серы, теплота сгорания и др., а для руд – процентный состав регламентируемых химических элементов, минералогический состав, структурные и текстурные особенности и другие свойства.

Каждое производство по – своему регламентирует качество одного и того же полезного ископаемого. Например, при химической переработке каменных углей в синтетические материалы не регламентируется теплота сгорания; доломит, применяемый в системах очистки воды, оценивается по иным качественным показателям, чем тот же доломит, используемый для производства огнеупорных изделий.

Одни качественные свойства полезного ископаемого относятся к числу главных – полезных, а другие, усложняющие или удорожающие его переработку или эксплуатацию, являются вредными.Например, для руд цветных металлов полезные свойства – содержание извлекаемых металлов, а вредные – содержание мышьяка, вторичных сульфидов, высокая влажность и т. д.

Качество полезных ископаемых в недрах оценивается кондициями, которые устанавливают на стадиях разведки, проектирования разработки и эксплуатации месторождений.

Кондиции должны обеспечить эффективное использование недр с учетом затрат на добычу и переработку полезных ископаемых и последующее использование продукции. Например, при установлении кондиции на энергетический уголь должны учитываться затраты на 1кВт•ч выработанной электроэнергии. С увеличением расстояния перевозок требования к качеству возрастают.

Отклонение от кондиций при горных работах оценивается потерями и разубоживанием.

Потери характеризуют уменьшение объема кондиционного полезного ископаемого вследствие оставления в недра, отнесения к вскрышным породам, просыпания при погрузке и транспортировании и по другим причинам.

Разубоживание характеризует степень примешивания к кондиционному полезному ископаемому при ведении горных работ пустой породы или некондиционных сортов полезного ископаемого.

Технологическая характеристика горных пород

Объектами открытых горных разработок являются разнообразные горные породы: коренные (магматические, метаморфические и осадочные), залегающие в толще земной коры на месте своего образования, и покрывающие их наносы – измельченные породы, переотложенные или перенесенные.

Свойства пород изменяется в большом диапазоне. Трудно найти хотя бы две одинаковые по минералогическому составу породы на разных месторождениях с одинаковыми свойствами и характеристиками. Поэтому принято объединять породы в группы, категории и классы с определенным диапазоном свойств и характеристик.

Для открытой разработки все горные породы целесообразно делить на группы:

• скальные и полускальные (в естественном их состоянии);
• разрушенные (искусственно или естественно измененные породы первой группы);
• плотные, мягкие (связные) и сыпучие.

Группы пород предопределяют способы их разработки и применяемые для этого технические средства.

Учитывая особо важное значениетрещиноватости пород для расчета технологических процессов и оценки трудности разработки пород, желательно до начало горных работ установить по специальным методикам:

тип трещиноватости; углы падения и азимуты главных систем трещин; протяженность, раскрытие и расстояние между трещинами в системах; характер и степень выполнения трещин; общий объем трещиннойпустотности (в %); размер отдельностей (блоков) в массиве.

Снижение прочности породы в массиве характеризуется коэффициентом структурного ослабления , равным отношению сцепления отдельного куска породы при отрыве от массива  к сцеплению ее в образце (куске) . Сцепление по трещинам и тектоническим нарушениям изверженных и метаморфических пород, а также по контактам слоев осадочных пород часто не превышает 5-10 тс/м².

Ключевые термины:

карьер                                                                  разрез

уступ                                                           отвал

карьерное поле                                          земельный отвод         

площадка                                                   угол откоса уступа     

бровка                                                                  фронт работ

борт карьера                                                       контур карьера

рабочая зона                                                       траншея

кондиция                                                    потери                                                              

Контрольные вопросы

1. Основные элементы и параметры уступа.
2. Условия применения внутреннего отвалообразования.
3. Какие объекты входят в земельный отвод карьера?
4. От чего зависит протяженность фронта работ?
5. От чего зависит угол откоса борта?
6. Вскрывающие горные выработки.
7. Месторождение залегает горизонтально. Мощность покрывающих пород составляет 30 м, мощность полезного ископаемого 40 м. Какова конечная глубина карьера?
8. Методика определения объема горной массы находящиеся в контурах карьера.
9. В чем заключается значение трещиноватостипри определение параметров производственных процессов?
10. Существо понятий «кондиции», «потери» и «разубоживание».

Рекомендуемая литература по разделу:

1. Анистратов Ю. И. Технология открытой добычи руд редких и радиоактивных металлов. – М., Недра, 1988.
2. Горная энциклопедия в 5-ти томах. М., Советская энциклопедия, 1986.
3. Мельников Н. В. Краткий справочник по открытым горным работам. М., «Недра», 1974. 424 с.
4. Ржевский В. В. Открытые горные работы. Часть 1. – М., Недра, 1985.
5. Ржевский В. В. Процессы открытых горных работ. М., «Недра», 1978. 542 с.
6. Симкин Б. А. Технология и процессы открытых горных работ. М., «Недра», 1970. 215 с.
7. Томаков П. И., Манкевич В. В. Открытая разработка угольных и рудных месторождений. М., Изд. МГГУ, 1995. 611 с.
8. Технология открытой разработки месторождений полезных ископаемых, ч. I. Под общей ред. М. Г. Новожилова. М., «Недра», 1971. 635 с.

{/spoilers}