Основные технологические процессы на разрезе "Томусинский"

Вскрытие горизонтальных месторождений в основном осуществляется при фланговом или центральном расположении капитальных траншей. Центральное расположение капитальных траншей в сочетании с фланговым применяется при большой длине карьерного поля, что позволяет разделить карьер на два участка и вести работы в них независимо друг от друга.

Особенностями карьеров, разрабатывающих наклонные и крутые месторождения глубинного типа, являются значительная конечная глубина (100-150 м и более), постепенное (по мере развития горных работ) увеличение глубины карьера и числа вскрываемых уступов, непостоянство объемов грузопотоков, перемещение горной массы за контуры карьера (вскрыша перемещается на внешние отвалы, а полезное ископаемое - на склады или на фабрики), наличие скальных и полускальных пород, обеспечивающих высокую устойчивость бортов. Такие месторождения, как правило, вскрываются системой общих или групповых капитальных траншей внутреннего или смешанного заложения, а в отдельных случаях - подземными выработками. В зависимости от угла падения залежи трасса капитальных траншей (ее внутренняя часть) является стационарной или нестационарной (скользящей). При разработке наклонных залежей с углом падения, близким к значениям угла откоса нерабочего борта карьера, трасса капитальной траншеи обычно закладывается со стороны лежачего бока залежи на нерабочем борту карьера в его конечном положении и является стационарной. В случае разработки крутых залежей (угол падения >35°) трасса капитальных траншей (ее внутренняя часть) является скользящей, так как она располагается на одном или двух рабочих бортах карьера. После достижения уступами своего конечного положения участки трассы капитальной траншеи в пределах этих уступов становятся стационарными. Использование скользящих трасс (скользящих съездов) обеспечивает минимальные объемы горнокапитальных работ, однако при этом возникают дополнительные эксплуатационные трудности. На скользящих трассах величина подъема уменьшается на 35 % по сравнению с руководящим подъемом. Ширина скользящего съезда устанавливается из условия расположения на нем экскаватора, развала взорванной породы и путей.

При разработке крутых залежей обычно применяются тупиковая (при железнодорожном транспорте) и петлевая (при автотранспорте) формы трассы. Спиральную форму трассы целесообразно применять при разработке штокообразных глубоких залежей с малыми размерами и округлой формой в плане. Спиральная форма трассы наиболее целесообразна при автотранспорте. Крутые капитальные траншеи применяются при использовании в карьере конвейерного транспорта, клетевых и скиповых подъемников (особенно для глубоких горизонтов). Они располагаются в наиболее устойчивых породах нерабочих бортов карьера. Форма трассы крутой капитальной траншеи может быть простой (для скиповых подъемников и ленточных конвейеров) и сложной (для ленточных конвейеров). Если угол откоса борта карьера не превышает угла подъема крутой траншеи, то последняя обычно располагается перпендикулярно к борту карьера. В противном случае капитальную траншею необходимо располагать под некоторым углом к борту карьера, который определяется по формуле

I_к.т.=arcsin (tgб_кр.т./tgв)

где: б_кр.т. - допустимый угол подъема крутой траншеи, градусы;

в - угол откоса борта карьера, градусы.

Крутые капитальные траншеи проводятся с поверхности до отметки первого концентрационного горизонта (до глубины 100-150 м), оборудованного перегрузочным устройством. По мере углубления карьера крутые капитальные траншеи удлиняются (через 45-60 м по глубине). Доставка горной массы от забоев до перегрузочного устройства осуществляется автосамосвалами.

Способ вскрытия подземными горными выработками применяется при разработке нагорных и глубинных месторождений, когда проведение подземных выработок и их эксплуатация экономически выгоднее по сравнению с капитальными траншеями (в малоустойчивых породах при большой глубине, на высоком крутом косогоре, при разработке нагорных месторождений). В качестве вскрывающих выработок могут применяться вертикальные и наклонные стволы, рудоспуски, штольни, квершлаги и др. Вскрытие нагорного месторождения, имеющего небольшой угол косогора и ровную поверхность, осуществляется полутраншеями внешнего заложения. Рабочие горизонты вскрываются, как правило, системой отдельных или групповых полутраншей, что позволяет иметь отдельные отвалы вскрышных пород для каждого уступа в непосредственной близости от карьера (за границами карьерного поля). В зависимости от вида карьерного транспорта полутраншеи имеют тупиковую или петлевую форму трассы.

ГЛАВА 3 СИСТЕМЫ ОТКРЫТОЙ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ И СТРУКТУРЫ КОМПЛЕКСНОЙ МЕХАНИЗАЦИИ

3.1 Общие сведения

Под системой открытой разработки месторождения понимается определенный порядок выполнения горно-подготовительных, вскрышных и добычных работ. В условиях данного карьера принятая система разработки должна обеспечивать безопасную, экономичную и наиболее полную выемку кондиционных запасов полезного ископаемого при соблюдении мер по охране окружающей среды.

При разработке горизонтальных и пологих залежей горно-подготовителыные работы заканчиваются в период строительства карьера. В этом случае в процессе эксплуатации месторождения отпадает необходимость вскрытия новых горизонтов, и система разработки характеризует порядок выполнения вскрышных и добычных работ. В случае добычи полезных ископаемых, выходящих непосредственно на поверхность, вскрышные работы отсутствуют или не имеют существенного значения. Тогда система разработки характеризует порядок выполнения добычных и горно-подготовительных работ по вскрытию новых горизонтов.

Для выполнения вскрышных, добычных и горно-подготовительных работ в определенном объеме и порядке применяется различное горное и транспортное оборудование. На карьерах необходимо стремиться обеспечить такую технологию, при которой все основные и вспомогательные процессы и операции полностью механизированы, а применяемые машины и механизмы по своей мощности и производительности взаимоувязаны и обеспечивают заданный темп горных работ, что соответствует принципам комплексной механизации. Комплексная механизация открытых горных разработок имеет своей целью не только замену тяжелого ручного труда механизированным, но и получение наилучших технико-экономических показателей. Поэтому для выполнения основных и сопутствующих им вспомогательных процессов и операций изыскиваются по возможности наилучшие технические решения, которые позволяют получить высокие экономические результаты. Комплекс горного, транспортного, дробильно-сортировочного и вспомогательного оборудования на карьере, обеспечивающий планомерную выемку горной массы в забоях и перемещение вскрыши на отвалы, а полезного ископаемого к складам и потребителям, составляет структуру комплексной механизации карьера. Система разработки месторождения и структура комплексной механизации данного карьера взаимосвязаны.

Параметры элементов системы разработки (высота уступов, ширина рабочих и нерабочих площадок, длина фронта работ, скорость подвигания фронта работ, размеры панелей и заходок и др.) взаимосвязаны с рабочими параметрами и мощностью комплекса оборудования. Поэтому они должны рассматриваться в единстве на основе единой методики расчета технологии производства вскрышных и добычных работ и технологических характеристик комплекса оборудования. Для осуществления такого единства технологии и комплексной механизации открытых разработок акад. В.В. Ржевским введено понятие технологических комплексов вскрышных и добычных работ как совокупности комплексов оборудования и технологических решений (в первую очередь по системам разработки и вскрытию, их параметрам), совместно обеспечивающих безопасное, высокопроизводительное и экономичное выполнение горных работ в заданных объемах. Технологические комплексы горных работ различаются типами применяемых комплексов оборудования, а их варианты - моделями и параметрами горного и транспортного оборудования, а также вариантами технологической расстановки оборудования. При одинаковом оборудовании технологический комплекс может быть организован с различным взаимным положением оборудования в плане и по высоте рабочей зоны карьера. При этом изменяются только технологические параметры вскрышных и добычных работ. Такие варианты технологических комплексов называются схемами экскавации.

3.2 Элементы системы разработки и их параметры

К элементам системы разработки относятся уступы, фронт работ уступа, фронт работ карьера, рабочая зона карьера, рабочие площадки, транспортные и предохранительные бермы.

Уступы. Главным параметром уступа является его высота h , которая оказывает непосредственное влияние на производительность оборудования, качество добытого полезного ископаемого, угол откоса бортов карьера, длину фронта работ, протяженность транспортных коммуникаций, объем горно-капитальных работ и др. Высота уступа устанавливается с учетом комплексного влияния указанных выше факторов. Основным требованием при установлении высоты уступа является безопасное ведение горных работ при использовании горного оборудования определенного типоразмера. При разработке горизонтальных и пологих месторождений высота уступа часто предопределяется мощностью залежи и покрывающих пород. Для наклонных и крутых месторождений высота уступа устанавливается исходя из параметров горного оборудования и требований к качеству полезного ископаемого. В случае разработки однородных вскрышных пород и мощных залежей простого строения высота уступа принимается максимальной исходя из параметров горного оборудования, так как при этом уменьшаются затраты на подготовку скальных пород к выемке и на их транспортирование. При этом, в соответствии с Правилами технической эксплуатации, при разработке скальных и полускальных пород высота уступа не должна превышать максимальную высоту черпания экскаватора более чем в 1,5 раза при условии, что высота развала не будет превышать максимальную высоту черпания экскаватора при однорядном и двухрядном взрывании. В случае многорядного взрывания высота развала может быть в 1,5 раза больше максимальной высоты черпания экскаватора, однако при экскавации пород в этом случае необходимо принимать меры, исключающие образование и произвольное обрушение козырьков и нависей. При верхней погрузке экскаваторами с удлиненным рабочим оборудованием высота уступа определяется параметрами экскаваторов. При разработке сложно-структурных залежей потери и разубоживание увеличиваются с увеличением высоты уступов. В этом случае высота уступа не должна превышать высоты черпания экскаватора. Иногда с целью уменьшения потерь при разработке уступ разделяется на два подступа.

Опыт разработки месторождений простого строения показывает, что рациональная высота уступа находится в пределах 11-14 и 16-19 м соответственно для экскаваторов с ковшом вместимостью 3-5 и 8-12,5 м . В конкретных условиях высота уступа определяется с учетом пере- численных выше факторов и может отклоняться от указанных выше значений.

Угол СС откоса уступа зависит от физико-технических свойств горных пород, применяемого оборудования и продолжительности стояния уступов.

Рабочая площадка уступов. Минимально допустимая ширина рабочих площадок уступов зависит в основном от размеров выемочно-погрузочных машин, вида карьерного транспорта, схемы движения транспортных средств, высоты уступов, крепости пород. Минимальная ширина В_п рабочей площадки при разработке скальных пород с использованием мехлопат и колесного транспорта складывается из ширины х развала взорванной породы, безопасного расстояния С от нижней бровки развала до транспортной полосы, ширины Т транспортной полосы, ширины П_в площадки для вспомогательного оборудования и ширины z берм безопасности (рис. 3.1). При разработке мягких пород вместо ширины развала принимается ширина Л заходки по целику. Ширина х развала зависит от свойств пород, методов взрывания, величины и типа зарядов ВВ, расположения зарядов на уступе, высоты уступа, порядка взрывания скважин. Для ориентировочных расчетов можно принимать следующую ширину развала: в легковзрываемых породах х = 1,2h , в средневзрываемая =2,ЗЛ, и в трудновзрываемых = 3h_y. Ширина транспортной полосы зависит от типа транспортных средств и схемы их движения. Величина П_в принимается равной 2,5-3,5 м. Ширина бермы безопасности определяется шириной призмы возможного обрушения.

Рисунок 3.1 - Схема к определению ширины рабочей площадки уступов.

При использовании мехлопат ЭКГ-5 и ЭКГ-8 и железнодорожного транспорта минимальная ширина рабочей площадки составляет соответственно 26-31 и 29-33 м в мягких породах, 39-52 и 45-60 м в асальных. В случае использования автотранспорта ширина рабочей площадки составляет 23-30 и 37-52 м соответственно в мягких и скальных породах.

Фронт работ уступа - часть уступов по длине, подготовленная к производству горных работ. Подготовка фронта работ уступа заключается в создании на уступе рабочей площадки необходимой ширины и в подводе транспортных и энергетических коммуникаций для обеспечения работы горного и транспортного оборудования. Суммарная протяженность фронтов работ отдельных уступов составляет фронт работ карьера, который подразделяется на вскрышной, измеряемый длиной фронтов работ вскрышных уступов, и добычный, измеряемый длиной фронтов работ добычных уступов. Создание первоначального фронта работ уступа и его перемещение в процессе работ не могут осуществляться произвольно. Нарезку уступов (путем проведения разрезных траншей) и перемещение фронта работ производят таким образом, чтобы в процессе разработки обеспечить заданное число вскрышных и добычных забоев.

Первоначальный фронт горных работ может быть расположен вдоль длинной и короткой осей карьерного поля, а также концентрически (рис. 3.2), Расположение фронта работ вдоль длинной оси карьерного поля создает благоприятные условия для интенсивной разработки месторождения и создания больших объемов вскрытых запасов. Однако такое расположение фронта требует выполнения большого объема горнокапитальных работ при строительстве карьера и большой длины транспортных коммуникаций. Его целесообразно применять при малой мощности вскрышных пород. При расположении фронта работ вдоль короткой оси объемы горно-капитальных работ и длина транспортных коммуникаций относительно небольшие. Но при этом резервы увеличения производительности карьера и создания вскрытых запасов полезного ископаемого ограничены. Усложняются вскрытие уступов и эксплуатация транспортных коммуникаций из-за частого их переустройства. Так располагать фронт целесообразно при большой мощности вскрыши. В этом случае, как правило, используются мобильные виды транспорта.

При использовании мехлопат ЭКГ-5 и ЭКГ-8 и железнодорожного транспорта минимальная ширина рабочей площадки составляет соответственно 26-31 и 29-33 м в мягких породах, 39-52 и 45-60 м в асальных. В случае использования автотранспорта ширина рабочей площадки составляет 23-30 и 37-52 м соответственно в мягких и скальных породах.

Фронт работ уступа - часть уступов по длине, подготовленная к производству горных работ. Подготовка фронта работ уступа заключается в создании на уступе рабочей площадки необходимой ширины и в подводе транспортных и энергетических коммуникаций для обеспечения работы горного и транспортного оборудования. Суммарная протяженность фронтов работ отдельных уступов составляет фронт работ карьера, который подразделяется на вскрышной, измеряемый длиной фронтов работ вскрышных уступов, и добычный, измеряемый длиной фронтов работ добычных уступов. Создание первоначального фронта работ уступа и его перемещение в процессе работ не могут осуществляться произвольно. Нарезку уступов (путем проведения разрезных траншей) и перемещение фронта работ производят таким образом, чтобы в процессе разработки обеспечить заданное число вскрышных и добычных забоев.

Первоначальный фронт горных работ может быть расположен вдоль длинной и короткой осей карьерного поля, а также концентрически (рис. 3.2). Расположение фронта работ вдоль длинной оси карьерного поля создает благоприятные условия для интенсивной разработки месторождения и создания больших объемов вскрытых запасов. Однако такое расположение фронта требует выполнения большого объема горнокапитальных работ при строительстве карьера и большой длины транспортных коммуникаций. Его целесообразно применять при малой мощности вскрышных пород. При расположении фронта работ вдоль короткой оси объемы горно-капитальных работ и длина транспортных коммуникаций относительно небольшие. Но при этом резервы увеличения производительности карьера и создания вскрытых запасов полезного ископаемого ограничены. Усложняются вскрытие уступов и эксплуатация транспортных коммуникаций из-за частого их переустройства. Так располагать фронт целесообразно при большой мощности вскрыши. В этом случае, как правило, используются мобильные виды транспорта.

Концентричное расположение фронта вызывает необходимость изменения его протяженности в процессе работы карьера. Такое расположение фронта обеспечивает минимальные объемы горно-калитальных работ и высокий темп углубки.

Фронт работ уступа может перемещаться параллельно длинной или короткой оси карьерного поля от одной его границы к другой (однобортовая выемка), параллельно длинной или короткой оси карьерного поля от промежуточного положения к границам (двухбортовая выемка), радиально от центра выемочного слоя к его границам или от периферийных участков к центру, по вееру с поворотным пунктом, расположенным на границе карьерного поля или вблизи нее (см. рис.3.2).

Длина L_фу фронта работ уступа и скорость v_ф его подвигания должны обеспечить работу экскаваторов с заданной годовой эксплуатации оной производительностью, определяемой по формуле (3.1)

П_э.г.=h_уL_ф.у.V_ф./N_э.у.,

где N_э.у - число экскаваторов, работающих на данном уступе.

Число экскаваторов на уступе может быть различным, однако при использовании мощного оборудования желательно иметь на уступе один экскаватор, производительность которого равняется запланированному объему работ. Это позволяет улучшить организацию работ на уступе и способствует повышению производительности оборудования. При малой длине фронта работ и небольшой скорости его подвигания возникает необходимость отработки группы уступов одним экскаватором, что связано с периодической перестройкой транспортных коммуникаций. Перегон экскаваторов (особенно мощных) с уступа на уступ связан со снижением их производительности и нежелателен по техническим причинам. При работе на уступе двух экскаваторов и более фронт работ уступа делится на отдельные экскаваторные блоки, длина которых для экскаваторов ЭКГ-5 и ЭКГ-8 составляет 500-600 и 1000-1400 м соответственно при использовании автомобильного и железнодорожного транспорта. Скорость подвигания фронта работ зависит от мощности оборудования, мощности залежи, производительности карьера и других факторов и изменяется в пределах 30-250 м в год. Обычно годовая скорость подвигания фронта работ изменяется в пределах 40-140 м. Рабочая зона карьера - это зона, в которой осуществляются вскрышные и добычные работы. Она характеризуется совокупностью вскрышных и добычных уступов, одновременно находящихся в работе. Положение рабочей зоны определяется высотными отметками рабочих уступов и длиной их фронта работ. Рабочая зона представляет собой перемещающуюся и изменяющуюся во времени поверхность, в пределах которой осуществляются работы по подготовке и выемке горной массы. Она может охватывать один, два или все борта карьера. При строительстве карьера рабочая зона, как правило, включает только вскрышные уступы, а к окончанию горно-капитальных работ - и добычные. Число вскрышных, добычных и горно-подготовительных забоев в рабочей зоне не может устанавливаться произвольно, так как от этого зависит выполнение планов по отдельным видам работ. В рабочей зоне карьера каждый экскаватор в процессе работы занимает определенную горизонтальную площадь S_б, которая характеризуется шириной В _рп рабочей площадки и длиной L_б экскаваторного блока. Обычно S₆ = 20/40 тыс. м² при железнодорожном транспорте и S₆=5/20 тыс.м² при автомобильном транспорте. Число экскаваторных блоков, которое может разместиться в рабочей зоне карьера, определяется по формуле (3.2)

N_б=k₀k_р._б.S_р.з./S_б

где: k₀ =0,85 /0,93 - коэффициент, учитывающий наличие откосов уступов в рабочей зоне;

k_р.б.=0,7/0,8 - коэффициент учитывающий наличие резервных (нерабочих) блоков.

3.3 Классификация систем разработки

Наибольшее применение в горнотехнической литературе и практике получили классификации систем разработки, предложенные проф. Е.Ф. Шешко, акад. Н.В. Мельниковым и акад. В.В. Ржевским.

В основу классификации, предложенной акад. В.В. Ржевским (табл.3.1.), положены горно-геологические и геометрические предпосылки, характеризующие порядок разработки месторождения. Согласно этой классификации имеет место существенное различие систем разработки горизонтальных и пологих, а также наклонных и крутых месторождений. Системы разработки горизонтальных месторождений характеризуются только порядком выполнения вскрышных и добычных работ, так как горно-подготовительные работы в этих условиях заканчиваются в период строительства карьера. Возобновиться горно-подготовительные работы могут только в период реконструкции карьера. Такие системы разработки называются сплошными (с постоянной рабочей зоной).

Таблица 3.1 - классификация систем разработки

Примечание. К наименованию системы добавляется: "с внешними (или внутренними) отвалами". Системы разработки наклонных и крутых месторождений характеризуются порядком выполнения вскрышных, добычных и горноподготовительных работ, так как горно-подготовительные работы на таких месторождениях ведутся как в период строительства карьера, так и в процессе его работы (для воссоздания фронта вскрышных и добычных работ нарезаются очередные по глубине уступы). Такие системы разработки называются углубочными (с переменной рабочей зоной).

Месторождения со сложными топографическими и горно-геологическими условиями могут разрабатываться смешанными (углубочно-сплошными) системами.

Порядок разработки месторождения связан с развитием горных работ по отношению к контурам карьерного поля. В связи с этим различают следующие системы разработки по направлению выемки в плане:

продольные однобортовые и двухбортовые, когда фронт вскрышных и добычных работ перемещается параллельно длинной оси карьерного поля;

поперечные однобортовые и двухбортовые, когда фронт вскрышных и добычных работ перемещается параллельно короткой оси карьерного поля.

веерные, когда фронт вскрышных и добычных работ перемещается по вееру с центральным (общим) или рассредоточенным (два и более) поворотными пунктами.

кольцевые, когда фронт вскрышных и добычных работ имеет форму кольца и разработка ведется от центра к границам карьерного поля или от границ к центру.

Классификации систем разработки, предложенной акад. В.В. Ржевским, предшествовали классификации, разработанные проф. Е.Ф. Шешко, (1949 г.) и акад. Н.В. Мельниковым (1951 г.).

В основу классификации, предложенной проф. Е.Ф. Шешко (табл. 3.2 и рис. 3.3), положено направление перемещения вскрышных пород в отвалы. Эта классификация включает следующие группы систем.

Группа А включает системы с поперечным перемещением вскрыши в отвалы без применения транспортных средств (бестранспортные системы) .

Группа Б включает системы с продольным (вдоль фронта) перемещением вскрыши в отвалы с применением транспортных средств (транспортные системы).

Группа В включает комбинированные системы с поперечным и продольным перемещением вскрыши в отвалы. Эти системы являются комбинацией транспортных и бестранспортных систем.

Системы с поперечной перевалкой вскрыши во внутренние отвалы являются технологически наиболее простыми и экономичными.

Таблица 3.2. - классификация групп систем разработки

Однако перевалка породы в рабочих органах экскаваторов ограничивает параметры этих систем и область их применения. Здесь жестко взаимоувязаны вскрышные и добычные работы, а объем вскрытых запасов строго ограничен.

Системы с продольной перевозкой вскрыши на отвалы более сложны и менее экономичны. Однако у них нет такой жесткой взаимоувязки вскрышных и добычных работ, а вскрытые запасы могут быть созданы в большом объеме. Область применения этих систем более широкая.

В основу классификации, предложенной акад. Н.В. Мельниковым, положен способ производства вскрышных работ. Классификация включает следующие системы разработки: бестранспортную, экскаватор-карьер, транспортно-отвальную, специальную, транспортную и комбинированную (табл. 3.3).

Классификации систем разработки, в основу которых положены направление перемещения вскрыши в отвалы, и способ производства вскрышных работ, в неполной мере отражают порядок разработки месторождения. Эти классификации не характеризуют порядок развития фронта и рабочей зоны карьера. Наиболее универсальной является классификация систем разработки, в основу которой положены горно-геологические и геометрические предпосылки, характеризующие порядок производства вскрышных, добычных и горно-подготовительных работ.

Рисунок 3.3 - Схемы систем открытой разработки месторождений по классификации Е.Ф. Шешко.

Таблица 3.3 -классификация систем разработки

3.4 Факторы, влияющие на выбор системы разработки

Комплекс оборудования, составляющий структуру комплексной механизации, формируется в карьере по отдельным грузопотокам. Число грузопотоков в карьере не менее двух (для транспортирования вскрышных пород и полезного ископаемого). Во многих случаях (особенно на крупных карьерах и при нескольких видах раздельно транспортируемых пород) технически и экономически целесообразна организация нескольких грузопотоков вскрышных пород и полезного ископаемого. Отдельные вскрышные грузопотоки выделяются в следующих случаях: при больших масштабах вскрышных пород, значительных размерах карьерных полей, перевозке вскрыши на внешние и внутренние отвалы или на рассредоточенные отвалы, использовании различных видов транспорта при перемещении вскрыши с различных горизонтов и др. Отдельные грузопотоки полезного ископаемого выделяются в основном тогда, когда необходимы его раздельная выемка по типам и сортам и перемещение на различные дробильно-сортировочные и обогатительные фабрики.

На крупных карьерах отдельные грузопотоки делят карьер на технологические зоны, которые включают в себя обслуживаемую часть рабочей зоны и ту нерабочую часть карьера, где расположены транспортные коммуникации данного грузопотока. В каждой технологической зоне действуют свои независимые или частично зависимые от других зон комплексы бурового, погрузочного и транспортного оборудования. Структуры комплексной механизации при использовании оборудования цикличного действия показаны на рис. 3.6. Комплекс оборудования формируется из соответствующего основного и вспомогательного оборудования отдельных технологических процессов: подготовка пород к выемке, выемочно-погрузочные работы, перемещение горной массы, отвалообразование (при разработке пустых пород), складские работы и первичная переработка (при разработке полезных ископаемых). В зависимости от свойств породы и горно-геологических условий месторождения при производстве горных работ могут отсутствовать отдельные процессы (подготовка пород к выемке и их транспортирование). В этом случае в комплексе отсутствуют соответствующие средства механизации.

Структуры комплексной механизации строятся на принципах поточности и максимального совмещения выполнения процессов. Поточность легче достигается при использовании машин непрерывного действия. Совмещение производственных процессов в благоприятных условиях осуществляется посредством применения машин, способных осуществлять выемку, перемещение горной массы и ее укладку в отвал (мощные вскрышные мехлопаты и драглайны, колесные скреперы, бульдозеры и др.). Основаниями к выбору оборудования при формировании структур комплексной механизации карьеров служат природные, технологические, технические, организационные и экономические факторы.

Из природных факторов наибольшее влияние на выбор основного оборудования структур комплексной механизации оказывают крепость пород, условия залегания полезного ископаемого, вид и назначение полезного ископаемого, топография поверхности карьерного поля и климатические условия района.

Крепость пустых пород и полезного ископаемого предопределяет способ бурения скважин. Она оказывает влияние на выбор буровых станков, погрузочного оборудования и определяет конструктивные требования к транспортным сосудам. Мощность экскаваторов и емкость их ковша также зависят от крепости пород. Влияние крепости пород на выбор транспортных сосудов проявляется через их плотность и абразивность. Так, для перевозки более крепких пород, обладающих большими плотностью и абразивностью, используются более прочные транспортные сосуды, как правило, с большим коэффициентом тары. Условия залегания полезного ископаемого оказывают влияние на выбор вместимости ковша экскаватора и вида карьерного транспорта. Как правило, для разработки рассредоточенных и маломощных залежей наиболее приемлемы экскаваторы с ковшом небольшой вместимости и более маневренный вид транспорта, что позволяет снизить потери и разубоживание.

Наибольшее влияние на выбор вида карьерного транспорта оказывают размеры карьерного поля, расстояние транспортирования, топография поверхности и климатические условия района.

Из технологических и технических факторов на выбор оборудования основных процессов наибольшее влияние оказывают производительность карьера по полезному ископаемому и вскрыше. В определенных условиях существенное влияние на выбор оборудования могут оказать требования к восстановлению поверхности.

Производительность карьера в наибольшей степени влияет на выбор параметров горных и транспортных машин (вместимости ковша экскаватора, грузоподъемности и вместимости транспортных средств, диаметра скважин и др.).

На более мощных карьерах, как правило, рационально использовать более мощное горное и транспортное оборудование, обеспечивающее наибольший экономический эффект.

Из экономических факторов на выбор оборудования оказывают влияние капитальные и эксплуатационные затраты.

Рациональное использование комплексов оборудования технологических грузопотоков базируется на необходимых технологических качественных и количественных взаимосвязях в работе оборудования смежных процессов.

Пример таких взаимосвязей при использовании наиболее распространенных комплексов оборудования с экскаваторами цикличного действия, железнодорожным и автомобильным транспортом приведен в таблице 3.4.

Таблица 3.4 - необходимые технологические качества

Выбор оборудования отдельных технологических процессов и формирование структур комплексной механизации карьеров с учетом изложенных выше принципов и влияния приведенных групп факторов базируются на следующих основных положениях:

1. Формирование структур комплексной механизации на карьерах основывается на рациональном формировании основного и вспомогательного оборудования грузопотоков.

2. В состав комплексов могут входить только те машины, технические характеристики которых соответствуют физико-техническим характеристикам пород и условиям их залегания.

3. Для обеспечения успешного функционирования комплексов оборудования необходимо предусмотреть обоснованный численный ее резерв или резерв по производительности.

4. Мощность, параметры, производительность и число машин и механизмов смежных основных и вспомогательных производственных процессов должны быть взаимоувязаны.

5. Ведущими машинами в общем технологическом процессе, с которыми увязываются параметры, производительность и число машин других звеньев грузопотоков, являются, как правило, погрузочные и транспортные машины.

6. Выбор машин для механизации вспомогательных работ определяется типоразмером оборудования и организацией работ основных процессов, производительностью карьера и условиями залегания полезного ископаемого.

Выбор структуры комплексной механизации для конкретного месторождения осуществляется в следующем порядке:

На первом этапе исключаются структуры, которые не могут быть применены в данных условиях по техническим и природным факторам.

Из оставшихся выбирают наиболее вероятные структуры, которые в наибольшей степени удовлетворяют природным, технологическим, техническим и организационным факторам.

Наиболее вероятные структуры рассматриваются по их технико-экономическим показателям. Технико-экономическая оценка структуры должны производится по всему производственному циклу при рациональном качественном сочетании и численным соотношении машин для выполнения основных и вспомогательных работ в реальных условиях разрабатываемого месторождения.

Глава 4 ПОДГОТОВКА ГОРНЫХ РАБОТ К ВЫЕМКЕ

4.1 Общие сведения

Горные породы, слагающие месторождения полезных ископаемых, разделяются на коренные (магматические, метаморфические и осадочные), залегающие в толще земной коры по месту своего образования, и наносы (переотложенные или перенесенные измельченные породы), покрывающие коренные породы. Горные породы могут находиться в естественном (нетронутый массив) или искусственно измененном (посредством взрыва, механическим или химическим способом и др.) состоянии. 11ри разработке горные породы подвергаются различного рода воздействиям (удару, сдвигу, уплотнению, перемещению и др.), в результате чего изменяется их состояние.

К физико-техническим характеристикам горных пород, характеризующих их как объект открытой разработки, относятся плотность, пористость, влажность, сопротивление различным усилиям, абразивность, вязкость, хрупкость, устойчивость, увеличение объема при разрушении и др. При воздействии на нетронутый массив пород горному инженеру необходимо знать свойства пород в их естественном состоянии. Для выполнения других процессов (погрузка, перемещение, складирование, дробление и др.) необходимо знать свойства искусственно измененных пород в их естественном состоянии, от способа воздействия на них и от стадии разработки.

Свойства горных пород изменяются в большом диапазоне, поэтому породы принято объединять в группы, категории и классы с определенным диапазоном свойств, обусловливающих условия их разработки. При открытой разработке все горные породы разделяются на следующие группы: неразрешенные, скальные и полускальные (в естественном состоянии), разрушенные (искусственно или естественно измененные), скальные и полускальные, плотные, мягкие (связные) и сыпучие. В зависимости от группы пород используются различные способы их разработки и технические средства.

К скальным относятся породы, характеризующиеся пределом прочности при одноосном сжатии в куске в насыщенном водой состоянии (до 3-5 %) более 50 МПа. Сюда относятся большинство пород изверженных и метаморфических (кварциты, граниты, базальты, габбро и др.), а также некоторые осадочные (прочные известняки, песчаники, песчанистые сланцы, кремнистые конгломераты и др.).

К полускальным относятся породы, характеризующиеся пределом прочности при одноосном сжатии в куске в насыщенном водой состоянии в интервале 20-50 МПа. Сюда относятся породы изверженные выветренные, метаморфические и коренные осадочные (глинистые и песчано-глинистые сланцы, глинистые и известковистые песчаники, руды гематитовые, мергели, известняк-ракушечник, аргиллиты, алевролиты, гипс, каменная соль, каменные и прочные бурые угли и др.).

Для погрузки и перемещения скальных и полускальных пород обычными техническими средствами необходимо их предварительное разрушение взрывным или механическим способом.

Разрушенные породы характеризуются степенью связности и кусковатостью.

Связность отражает характер связей между кусками породы. Она зависит от степени разрыхления породы, ее кусковатости и характеризуется сцеплением k_з (связи природного характера), зацеплением к₃ (связи механического характера разрушения) и углом внутреннего трения пород р. Степень разрыхления пород характеризуется коэффициентом разрыхления k_р, равным отношению объема разрыхленной породы к объему, занимаемому в массиве.

По степени связности разрушенные породы делятся на три категории.

Сыпучие разрушенные породы (k_р = 1,4/1,65), характеризующиеся наличием многочисленных воздушных промежутков между кусками (возможно зажатие отдельных кусков и зацепление между ними). Они склонны к осыпанию и образованию четко выраженных откосов.

Связно-сыпучие разрушения породы (k_р =1,2/1,3) характеризующиеся наличием небольших воздушных промежутков (пустот) между отдельными блоками и кусками (куски зажаты между собой и между ними сохраняется зацепление и сцепление по нарушенным природным трещинам в кусках). Насыпь таких пород не имеет четко выраженных откосов.

Связно-разрушенные породы (k_р = 1,03/1,05), представленные не полностью разделенными между собой отдельностями. Естественная трещеноватость массива при этом увеличивается, но сохраняется и значительной степени сцепление между блоками. Насыпь имеет круткой откос.

Кусковатость разрушенных пород с достаточной степенью точности может быть оценена по среднему размеру кусков d_ср. По кусковатости разрушенные породы подразделяются на пять категорий.

Очень мелко разрушенные породы с d_ср <= 10 см (размер наиболее крупных кусков 40-60 см).

Мелко разрушенные породы с d_ср =15/25 см (размер наиболее крупных кусков 60-100 см).

Среднеразрушенные породы с d_ср = 25/35 см (размер наиболее крупных кусков 100-140 см).

Крупноразрушенные породы с d_ср = 40/60 см (размер наиболее крупных кусков до 150-200 см).

Весьма крупноразрушенные породы с d_ср = 70/90 см (размер наиболее крупных кусков 250-300 см).

Взорванные породы могут быть связными, связно-сыпучими и сыпучими в зависимости от условий взрывания и местонахождения после нарыва. Куски, имеющие размер больше допустимого по технологическим условия м разработки, называются негабаритными. Негабаритные куски принадлежат дополнительному дроблению.

Плотные породы характеризуются пределом прочности на одноосное сжатие в интервале 5-20 МПа. Сюда относятся твердые глины, мел, бурые и каменные угли средней плотности и др. Они способны сохранять! в массиве откосы под углом 60 - 70° при высоте уступов 10-20м. Их можно! разрабатывать горными машинами без предварительного рыхления при! усилиях копания > 0,3--0,4 МПа.

Мягкие породы имеют предел прочности на одноосное сжатие в интервале 1-5 МПа и представлены песчаными глинами, суглинками, супесями, мягкими углями и др. Они разрабатываются без предварительного рыхления выемочными машинами при усилиях копания 0,2-1 0,3 МПа и способны сохранять откосы под углом 50--60° при высоте ] уступов 7-15м.

Сыпучие породы представлены однородными песками, угол откоса | которых в насыпях не превышает угла внутреннего трения = 19-^37°. I Они разрабатываются при усилиях копания 0,03-0,05 МПа.

Сопротивление горных пород разрушению акад. В.В. Ржевский предлагает оценивать показателем трудности разрушения породы, определяемым по формуле

П_р =5*10 ^-8 (Q_сж +Q_сдв+Q_рас) k_тр + 5*10^-1*y ,

где: k_{тр -} коэффициент_, учитывающий трещеноватость пород ;

y - плотность пород в естественном состоянии, г/см³;

Q_сж, Q_сдв, Q_рас - предел прочности пород соответсвенно сжатию, сдвигу, растяжению, Па.

По трудности разрушения породы разделяются на пять классов.

Каждый класс включает пять категорий.

I класс - полускальные, плотные и связные мягкие породы с 1-й по 5-ю категорию (П_р = 1/5).

II класс - легкоразрушаемые скальные породы с 6-й по 10-ю категорию (П_р = 5,1/10).

III класс - скальные породы средней трудности разрушения с 11-й по 15-ю категорию (П_р = 10,1/15).

IV класс - трудноразрушаемые скальные породы с 16-й по 20-ю категорию (П_р = 15,1/20).

V класс - весьма трудноразрушаемые скальные породы с 21-й по 25-ю категорию (П_р = 20,1/25).

Редко встречающиеся породы с показателем П_р> 25 относятся к внекатегорным.

4.2 Способы подготовки горных пород к выемке

Подготовка горных пород к выемке осуществляется с целью создания технической возможности и наилучших условий для выполнения последующих процессов выемки и погрузки горной массы, транспортирования, отвалообразования и переработки. В зависимости от типа и состояния пород подготовка их к выемке может в основном осуществляться следующими способами: предохранением от промерзания, оттаиванием мерзлых пород, гидравлическим ослаблением или разупрочнением, механическим или взрывным рыхлением.

Предохранение пород от промерзания вызвано тем, что при отрицательных температурах их возможно или нерационально разрабатывать без предварительного рыхления. Расчеты показывают, что удельные усилия копания при промерзании пород на глубину до 2 м увеличиваются для мягких пород в 5-5,5 раза, для бурых углей в 3-3,5 раза. Крепость промерзших пород соответствует крепости полускальных! пород. По данным практики, карьерные мехлопаты с ковшом вместимостью 4м³ могут разрабатывать без предварительного рыхления слой мерзлой породы мощностью 0,5-0,6м. Бульдозерами, скреперами и цепными многоковшовыми экскаваторами в большинстве случаев невозможно или нерационально разрабатывать мерзлые породы без предварительного рыхления. Для предохранения пород от промерзания применяются вспышка, рыхление, боронование и утепление (теплоизоляционными материалами поверхностного слоя, создается снеговой или искусственный воздушный покров, устраиваются специальные навесы и тепляки). Вспашка, рыхление и боронование значительно уменьшают теплопроводность поверхностного слоя пород благодаря образованию в нем пустот, заполненных воздухом. Вспашка и рыхление, производятся специальными плугами и разрыхлителями на глубину 40-50 см, а боронование - на глубину до 20 см. Снегозадержание осуществляется путем образование снежных валов или установки снегозадерживающих щитов. В качестве теплоизоляционных материалов для предохранения поверхностного слоя от промерзания используются мох, опилки, минеральная вата. Устройство навесов и тепляков практикуют на карьерах по добыче глин и керамических заводов.

Оттаивание пород осуществляется паром, водой, глубинным или поверхностным электрообогревом, поверхностным пожогом и др. При глубинном электрообогреве электроды размещаются в шампурах, пробуренных на глубину промерзания на расстоянии 0,5-0,7 м друг от друга. Электрическая цепь замыкается по талой породе и ее оттаивание осуществляется снизу вверх. Расход электроэнергии на оттаивание 1 м ³ породы составляет 8-10 кВтч. При поверхностном электрообогреве электроды в виде полс или металлических сеток располагаются на поверхности оттаиваемого участка. Питание осуществляется от высококачественного генератора.

При оттаивании паром применяются стальные трубы внутренним диаметром 19-22 мм и длиной 1,5-3 м, которые помещаются в шпуры (расстояние между шпурами 2-2,5м) или забиваются в породу по мере ее оттаивания. Продолжительность оттаивания 4-6 ч при расходе пара 24-27 кг на оттаивание 1м³ породы. Аналогично осуществляется оттаивание холодной и горячей водой. Оттаивание водой и паром (гидрооттаивантие и пароотаивание) широко применяется при разработке многолетнемерзлых пород.

Сущность оттаивания поверхностным пожогом заключается в сжигании слоя угля, торфа или дров на поверхности мерзлых пород. Примерный расход топлива на оттаивание 1м породы составляет 30-60 кг угля, 120-140 кг торфа и 0,14-0,17 м дров. Поверхностный пожог используется при оттаивании небольших объемов глины.

Гидравлические способы подготовки пород к выемке основаны на свойствах пород пропускать воду и растворы. При этом ослабление прочности пород при просачивании воды проявляется в снижении сил сцепления отдельных частиц и вымывании скрепляющего их цемента. Гидравлическое разупрочнение используется при разработке плотных глин способом гидромеханизации.

Механическое рыхление пород, осуществляется специальными рыхлителями (см. раздел 2.13).