книги из ГПНТБ / Хохряков, В. С. Открытая разработка месторождений полезных ископаемых учебник

Между подземной п открытой разработкой имеются значиіелі-иые различия.

Отличительные признаки открытых горных работ:

1. Добыча полезных ископаемых может производиться лишь после удаления пустых пород, вмещающих полезное ископаемое. Объем удаляемых пустых пород (вскрыши) обычно в 3—5 раз превосходит объем добываемого полезного ископаемого. Поэтому основные затраты приоткрытом способе разработки связаны с вскрышными работами.

2.Размеры открытых горных выработок по всем направлениям значительны и позволяют применять мощное оборудование больших размеров и крупные заряды взрывчатых веществ.

3.Удаление пустых пород п добыча полезного ископаемого произ­ водятся в основном экскаваторпым способом, реже — гидромехани­ ческим или землеройно-транспортными и шнекобуровыми машинами.

При экскаваторном способе горная масса, разрыхленная в ре­ зультате проведения' буровзрывных работ, грузится экскаваторами в транспортные средства и вывозится из карьера на поверхность.

При гидромеханизации горная масса размывается струей воды, выбрасываемой из монитора под давлением до 12 кгс/см2, и при помощи землесосов транспортируется в смеси с водой по трубам на поверхность.

Экскаваторный способ можно применять для разработки любых пород, гидромеханический — только для мягких и рыхлых.

4. Горнотранспортное оборудование, применяемое при открытой разработке месторождений, характеризуется значительными раз­ мерами и высокой производительностью.

Буровые работы производятся станками канатно-ударного, вра­ щательного, пневмоударного, шарошечного п огневого бурения. Диаметр скважин 110—300 мм, глубина скважин 15—30 м, масса заряда в скважине колеблется от 30—50 до 500—600 кг и более.

Для выемки и погрузки горной массы применяются одноковшовые, и многочерпаковые экскаваторы. Наиболее распространены одно­ ковшовые экскаваторы на гусеничном ходу с емкостью ковша 4—8 м3. Реже используются драглайны на шагающем ходу и много­ черпаковые экскаваторы.

Перевозка горной массы осуществляется в основном железнодо­ рожным транспортом широкой колеи (1524 мм) с электрической и теп­ ловой тягой в думпкарах грузоподъемностью 80—180 т, автосамосва­ лами грузоподъемностью 10—75 т и более, ленточными конвейерами.

Кроме того, при открытой разработке применяются бульдозеры, колесные скреперы, отвальные плуги и другое мощное оборудование.

§ 2. Достоинства и недостатки открытой разработки

Преимущества открытых горных работ по сравнению с подзем­ ными состоят в следующем:

1.На карьерах обеспечиваются более высокая безопасность труда

илучшие производственные условия.

10

при подземной разработке. При этом на открытых работах выше темпы роста производительности труда и снижения себестоимости (табл. 1).543

Та бл ица 1

Сравнение экономических показателей открытого н подземного способов добычи угля в СССР

3. Сроки строительства карьеров меньше сроков строительства шахт равной производственной мощности. Удельные капитальные затраты на строительство карьеров в 2—2,5 раза меньше, чем на строительство шахт.

4.При разработке месторождения открытым способом меньше потери полезного ископаемого и легче производить раздельную добычу различных сортов руд.

5.При открытой разработке легче увеличить в случае надобности

производственную мощность предприятия. Недостатки открытой разработки:

1.Производство открытых горных работ приводит к нарушению больших площадей полезных для сельского хозяйства земель, к за­ грязнению воздуха, рек и озер, к снижению уровня грунтовых вод па больших площадях и т. д. Специальные мероприятия, снижающие вредное воздействие открытой разработки на природные факторы, требуют очень больших затрат.

2.Открытые работы зависят от климатических условий, что

проявляется наиболее сильно в условиях Заполярья и крайнего юга страны.

Недостатки открытой разработки в большинстве случаев пере­ крываются их преимуществами, и способ этот является весьма эффективным.

11

§ 3. Геологические, климатические и гидрогеологические условия работ

Типы месторождений, разрабатываемых открытым способом. От­ крытым способом разрабатываются месторождения полезных иско­ паемых любой формы, залегающие в разнообразных природных условиях. В каждом отдельном случае выбор открытого 'способа

разработки обосновывается возможностью получения более высоких технико-экономических показателей по сравнению с показателями при подземной разработке.

Основное влияние на выбор технологии и механизации гррных работ и на общие технико-экономические показатели оказывают условия залегания месторождений. Несмотря на большое разнообра­ зие этих условий все они могут быть разделены на характерные типы по наиболее отличительным геометрическим признакам.

12

1. Форма месторождений. По форме месторождения могут быть разделены на:

а) пластовые или близкие к ним (пластообразные залежи), вытя­ нутые преимущественно по двум направлениям при относительно

нии — столбообразные (рис. 3, е, и); г) имеющие промежуточные между вышеуказанными и переход­

ные формы: линзы (рис. 3, е), жилы, седловидные залежи, всевоз­ можные складки и перегибы, например перегибы складок мощных угольных пластов (рис.'3, з) и нр.;

д) весьма сложные по условиям залегания: рудные, состоящие из большого числа гнезд относительно небольших размеров; уголь­ ные, состоящие из сильно тектонически нарушенной свиты пластов различной мощности (рис. 3, м).

В соответствии с формой залежей устанавливаетйя и форма карь­ ерных полей, причем наибольшее влияние на последнюю оказывает размер залежи по простиранию.

При разработке горизонтальных или близких к ним по условиям залегания пластов и пластообразных залежей с ограниченной пло­ щадью, расположенных непосредственно на поверхности или при­ крытых наносами незначительной мощности (рис. 3, а), форма карьера в плане Почти всегда совпадает с контурами месторо­ ждения.

Пластовые или пластообразные месторождения, имеющие большое распространение по площади, предопределяют и соответствующую форму карьерного поля с большими размерами в плане (рис. 3, б, д), что создает возможность развития фронта работ но различным напра­ влениям.

При разработке горизонтальных месторождений большой длины (рис. 3, г, д) карьерные поля имеют вытянутую форму с размерами по простиранию в несколько раз большими, чем вкрест простирания.

а'также штокообразиых залежах, уходящих на глубину (рис. 3, и), карьер обычно имеет округлую или овальную форму и значительную глубину.

Фронт работ может при этом развиваться в разных направлениях. 2. Положение залежи относительно земной поверхности. По этому'

признаку различаются месторождения:

а) поверхностного типа, расположенные на поверхности пли покрытые наносами небольшой мощности (рис. 3, а);

б) глубинного типа, расположенные значительно ниже господ­ ствующего уровня поверхности (рис. 3, б, в, г, д, е, ж, з, к, м)\

13

в) нагорного типа, расположенные на возвышенности или склоне горы, т. е. выше господствующего уровня поверхности;

г) высотно-глубинного типа (смешанные), частично расположен­ ные в горе пли на горном склоне (рис. 3, и, л).

3. Угол падения залежи. По углу наклона к горизонту залежи полезного ископаемого разделяются па:

а) горизонтальные или слабонаклонные (пологие) — до 8—10° (рис. 3, а, б, в, г, д)\ при этих условиях не требуется разноса (вы­ емки) пород лежачего бока и возможно размещение вскрышных пород в выработапном пространстве (внутреннее отвалообразование);

б) наклонные — от 8—10° до 25—30°; такое положение залежи не позволяет размещать пустые породы в выработанном простран­ стве, однако разнос пород лежачего бока не требуется (рис. 3, ж); в) крутопадающне — более 25—30°, разрабатываемые с разносом

ковшовыми карьерными экскаваторами при горизонтальном залега­ нии неэффективна, а при крутом падении — малоэффективна, и по­ этому необходимо применение других выемочных средств, например колесных скреперов, бульдозеров;

б) малой мощности, при которой выемка полезного ископаемого производится одпим уступом (10—20 м — при горизонтальном зале­ гании, 25—50 м — при крутом падении);

в) средней мощности, при которой залежь отрабатывается двумя уступами (20—30 м при горизонтальном залегании и 50—100 м при крутом падении);

г) большой мощности, при которой залежь отрабатывается тремя и более уступами (более 20—30 м при горизонтальном залегании

иболее 50—100 м при крутом падении).

5.Строение залежи. По этому признаку различают следующие

залежи:

а) простые с однородным строением без существенных прослойков и включений; выемка полезного ископаемого может вестись валовым

способом; б) сложные, содержащие наряду с кондиционными полезными

ископаемыми некондиционные сорта, а также прослойки или вклю­ чения пустых пород с четко выраженными контактами; в этом случае необходима раздельная выемка кондиционного и некондиционного полезного ископаемого и пустых пород;

в) рассредоточенные, имеющие сложное строение, при котором кондиционные и некондиционные сорта полезного ископаемого и пу­ стые породы распределены в массиве без определенной закономер­ ности и четко выраженных контактов; раздельная выемка сортов полезного ископаемого и пустых пород весьма затруднена и осуще­ ствляется на основе данных тщательной эксплуатационной разведки.

14

Перечисленные факторы оказывают решающее влияние на орга­ низацию, технику, технологию и саму возможность и целесообраз­ ность применения открытых горных работ.

Климатические условия оказывают существенное влияние на тех­ нологию открытых горных работ. Почти две трети территории нашей страны занимают области с суровым климатом — продолжительной зимой со снежными заносами и метелями. Снежные заносы затруд­ няют работу транспорта, наличие снега в породе и руде приводит к примерзанию горной массы к кузовам транспортных средств

иявляется причиной оползней, обвалов, особенно в весеннее время.

ВЗаполярье (Кольский полуостров, Норильский район) про­ должительность снежного периода достигает 290—300 дней в году, одна метель может длиться до 7 суток. В течение зимы в некоторых

районах длительное время держится температура ниже —50° С. При такой температуре металл становится хрупким, что является причиной частых поломок экскаваторов и буровых станков на карь­ ерах.

Сильные ветры, помимо общего осложнения работ, затрудняют передачу электроэнергии и осуществление связи по проводам. При низкой температуре ветер создает наиболее жесткие условия работы. Увеличение скорости ветра на 0,5 м/сек по физиологическому вос­ приятию эквивалентно понижению температуры на 1°С. Это поз­ воляет характеризовать зимнюю погоду одним показателем — же­ сткостью:

Ж ~ t-\-2 v, баллов,

где t — абсолютное значение температуры воздуха, °С; ѵ — ско­ рость ветра, м/сек.

В некоторых районах, например в Норильске, время со средней жесткостью погоды более 40 баллов составляет за зиму около 13% календарного времени, от 20 до 40 баллов — более 74%; при этом время простоев на карьерах достигает 40% рабочего времени за зиму.

Для карьеров, находящихся в суровых климатических условиях, устанавливается уменьшенное число рабочих дней в году (на некото­ рых карьерах до 240 дней), сокращается рабочий день на открытом воздухе или предусматривается обогрев работающих через опре­ деленный промежуток времени.

К неблагоприятным климатическим условиям относится также туман, который наиболее часто бывает в приморских и высокогорных районах. Во время тумана работы в карьерах приходится прекра­ щать.

Технология открытых горных работ особенно осложняется при сочетании указанных выше факторов.

В сложных по климатическим условиям районах должны при­ меняться оборудование и аппаратура, конструкция которых обеспе­ чивает устойчивость их работы при низких температурах, сильных ветрах и обледенении, при пониженном давлении и большой

15

влажности. Кроме того, оборудование это должно быть хорошо видно в тумане, при метели и полярной ночью.

Гидрогеологические условия месторождений оказывают существен­ ное влияние на ведение открытых горных работ.

При пересечении карьерным полем водоносных горизонтов часто бывает необходимым сооружение специальных дренажных устройств, а при сильно обводненных и слабых породах и больших притоках воды (10 м3 и более на 1 т добычи), как правило, требуются спег цпальные меры по укреплению бортов горных выработок.

Обводненность карьеров и шахт характеризуется коэффициентом водообпльности, определяемым количеством откачанной воды, при­ ходящейся па 1 т добытого полезного ископаемого. Величина его в карьерах изменяется от 0,1 до 10—15 м3/т, а на ряде шахт достигает 20—30 м3/т.

§ 4. Технологические свойства горных пород

Горные породы в процессе пх добычи и переработки характери­ зуются определенными технологическими свойствами, главными из которых являются трудоемкость их разработки н полезность использования в народном хозяйстве. Технологические свойства горных пород определяют выбор оборудования для пх разработки п переработки, схему комплексной механизации, величину затрат, необходимых для производства горных работ, величину прибыли п, в конечном счете, экономическую эффективность разработки месторожденпя.

Все горные породы как вскрышные, так и полезные ископаемые, по трудности разработки делятся на четыре группы:

1.Рыхлые и мягкие, легко отделяемые от целика механическим или гидравлическим способом без предварительного дробления (растительная земля, торф, мягкие суглинки, пески, супеси, гравий

идр.).

2.Среднеплотные и плотные, довольно трудно отделяемые от целика при механическом способе выемкн; при гидравлической разработке необходимо предварительное их рыхление (тяжелые глины, супеси, лёсс и др.).

3.Полускальные, с большим, трудом отделяемые от целика меха­ ническим способом; для облегчения их выемки обычно применяют предварительное рыхление (глинистые сланцы, мел, мергель, гипс, каменная соль, мерзлые породы первых двух групп, каменный уголь

идр.).

4- Скальные породы. К ним относятся все твердые осадочные, изверженные и метаморфические породы, не поддающиеся отделепшо от массива без предварительного рыхления.

Трудность разработки определяется прежде всего такими физикомеханическими свойствами пород, как крепость, разрыхляемость, плотность, трещиноватость.

1G

Совокупная оценка физико-механических свойств пород по труд­ ности их разработки производится иа основании классификаций

проф. М. М. Протодьякоиова, в соответствии с которой породы пер­ вой группы (рыхлые и мягкие) имеют коэффициент крепости 0,6— 0,8; второй группы (среднеплотные и плотные) — от 0,8 до 1,5; третьей группы (полускальные) — от 1,5 до 5; четвертой (скаль­ ные) — от 5—6 до 15—20.

Разрыхляемость оценивается коэффициентом разрыхления, кото­ рый показывает, во сколько раз объем разрыхленной породы больше объема породы в массиве. Коэффициент разрыхления зависит от структуры и объемиой массы горных пород, способа н степени их разрушения и других факторов и находится в пределах: для нескальиых пород 1,05—1,1; для скальных пород 1,5—1,8; для угля 1,4—1,5.

Треи(.иноватостъ — наличие в горных породах трещин, которые значительно (часто в десятки раз) снижают прочность горных пород.

Различают породы монолитные, малотрещииоватые, среднетре­ щиноватые, силыютрещиноватые и слоистые.

У монолитных пород трещины практически отсутствуют. К малотрещиноватым относят породы с расстоянием между трещинами и раз­ мерами отдельностей 200—300 см. Среднетрещпноватые породы (крупноблочные) имеют размер отдельностей 50—100 см. Породы с расстояниями между трещинами 10—-50 см относят к сильнотрещпноватым (среднеблочным), а породы, имеющие размер отдельностей около 10 см, — к чрезвычайно трещиноватым. Слоистые породы характеризуются выраженным напластованием маломощных, срав­ нительно однородных слоев.

Степень пригодности полезного ископаемого для использования в народном хозяйстве, а также технология его добычи п переработки определяются его качеством.

Различные полезные ископаемые в зависимости от требований, предъявляемых к ним промышленностью, характеризуются разными показателями качества. Требования к качеству выражаются в форме кондиций, технических условий и государственных стандартов.

Основным показателе.м кондиций на-руды является обычно мини­ мально допустимое промышленное содержание полезных компо­ нентов.

Следует отметить, что некоторые породы вскрыши (глины, пески, мел и др.) часто также используются как полезное ископаемое.

В задачу горняка-технолога обычно входит поддержание равно­ мерности качества товарной продукции (путем снижения: разубожи-

эксплуатации путем опробования па всем пути от забоя до потреби­ теля. Работу эту выполняет система контроля(ОТК, химлабораторип, пробоотбориые и рудоиспытательные станции и др.). Текущий кон­ троль служит для регулирования качества в процессе производства, для правильной оплаты труда рабочих, расчетов с потребителями,

г

Г л а в а II

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ТЕХНОЛОГИИ, МЕХАНИЗАЦИИ

ИЭКОНОМИКЕ ОТКРЫТЫХ РАБОТ

§1. Элементы карьера п основные горнотехнические понятия

Карьером в хозяйственном значении называют горное пред­ приятие, осуществляющее открытую разработку месторождения, а в техническом значении — это совокупность открытых горных выработок, служащих для разработки месторождения. Угольные карьеры обычпо называют разрезами.

Месторождение или его часть, отводимая для разработки карь­ ером, называется карьерным полем или полем разреза (рис. 4). Пло­ щадь карьерного поля обычно

слоями нижних. Поэтому борта карьера, т. е. его боковые поверх­ ности, имеют ступенчатую или уступную форму.

Часть толщи горных пород в карьере, имеющая рабочую поверх­ ность в форме ступени и разрабатываемая самостоятельными сред­ ствами выемки, погрузки и транспорта, называется уступом. Часть уступа по его высоте, отрабатываемая самостоятельными средствами выемки, но обслуживаемая транспортом, (ібщим для всего уступа, называется подуступом.

Различают рабочие и нерабочие уступы. На рабочих уступах про­ изводится выемка пустых пород или добыча полезного ископаемого.

18

Уступ имеет нижнюю и верхнюю площадки, откос и бровки ■*(рис. 5). Откосом уступа (в на рис. 5) называется наклонная поверх­ ность, ограничивающая уступ со стороны выработанного простран­ ства. Угол наклона откоса уступа а к горизонтальной плоскости называется углом откоса уступа. Линии пересечения откоса уступа с его верхпей и иижней площадками называются соответственно

• верхней и нижней бровками (соответственно г, д на рис. 5).

Высота уступа устанавливается с учетом безопасности работы и зависит от размера экскаваторов и физико-механических свойств пород. На большинстве карьеров высота уступа составляет 10—15 м, иногда она достигает20—40 м. Угол откоса рабочих уступов обычно равен 65—80°, а нерабочих уступов — 45—60°.

Рис. 5. Элементы уступа (сплошной стрелой показано

■направление перемещения фронта работ; штриховой —

направление подвпгания забоя):

’1, 2, 3 — заходки

Горизонтальные поверхности рабочего уступа, ограничивающие его по высоте, называют нижней и верхней площадками (соответ­ ственно б, а на рис. 5). Площадка, на которой расположено обору­ дование, предназначенное для разработки (буровые станки, экска­ ваторы, транспортные средства и т. д.), называется рабочей пло­ щадкой. Ширина рабочих площадок обычно составляет 40—70 м. Е сли площадка остается свободной, то ее называют нерабочей.

Уступ обычно разрабатывают последовательными параллельными полосами — заходками шириной 10—20 м и иногда более. Торец заходки (е на рис. 5) называется забоем. Непосредственно в забое осуществляется выемка породы или полезного ископаемого., в резуль­ тате чего забой перемещается и отрабатывается заходка.

Заходку по длине делят на отдельные блоки, имеющие самосто­ ятельный забой и разрабатываемые самостоятельными средствами отбойки и выемки. Это делает возможной отработку уступа несколь­ кими забоями и установку на одном уступе нескольких экскаваторов (обычно не более двух-трех).

Часть заходки по ее длине, подготовленная для разработки, называется фронтом работ уступа. Подготовка фронта работ заключается в основном в подводе транспортных путей и линий