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

Слоевой коэффициент вскрыши — это отношение объема вскрыши в границах слоя Ѵс карьера к запасам полезного ископаемого Qc в этом же слое:

К с = £ - , м3/м3.

Ѵс

Вобщем случае слой может иметь любую форму и может быть как

впоперечном, так и в продольном сечении горизонтальным, наклон-

Рпс. 11S. Схема к определению среднего коэффициента вскрышп для:

а — крутых; б — наклонных; о— горизонтальных залежей

ным или ломаным. Слоевой коэффициент вскрыши горизонтального слоя может быть назван погоризонтным.

Текущий коэффициент вскрыши — это отношение объемов пустых пород Ут, вынутых за определенный период времени, к фактической добыче ископаемого QT за тот же период (рис. 120):

Кг = ^ - , м3/м3. ѴТ

Рассмотренные коэффициенты являются геометрическими пока­ зателями, так как устанавливаются измерением количества вскрыш- ’ ных пород и полезного ископаемого.

Рис. 119. Схема к определению контурного коэффициента вскрыши для:

а — крутых; б— наклонных; в — горизонтальных пластов

При проектировании и при разработке месторождений полезных ископаемых пользуются также плановым и граничным, или предель­ ным, коэффициентами вскрыши, которые являются экономическими показателями.

244

По плановому коэффициенту вскрыши устанавливают размер погашения затрат на вскрышные работы в период эксплуатации. Плановый коэффициент вскрыши обычно равен или близок сред­ нему промышленному коэффициенту вскрыши.

По граничному коэффициенту вскрыши оценивают сравнительную экономическую эффективность открытой разработки и находят конечные и перспективные контуры карьера, в том числе конечную глубину карьера.

Рлс. 120. Схема к определению текущего коэффициента вскрыши для:

а— крутых; б — пологих пластов

■Полная себестоимость открытой добычи единицы полезного ископаемого (например, 1 т угля) слагается из себестоимости до­ бычи собственно полезного' ископаемого и себестоимости выемки пустых пород, которые нужно удалить для того, чтобы добыть еди­ ницу полезного ископаемого. Таким образом, полную себестоимость добычи единицы полезного ископаемого можно выразить суммой

С0 = СЛ+ СВКВ, руб/т,

где С0 — коммерческая себестоимость добычи полезного ископаемого, руб/т; Cg — себестоимость добычи единицы полезного ископаемого без учета вскрышных работ, руб/м3; Св — себестоимость выемки 1 м3 вскрыши, руб./м3; К в — коэффициент вскрыши,-м3/м3.

Очевидно, разработка месторождения открытым способом будет экономична лишь в том случае,, если полная коммерческая себе­ стоимость добычи единицы полезного ископаемого будет меньше или равна экономически допустимой или граничной. Коэффициент вскрыши, при котором коммерческая себестоимость добычи полезного ископаемого не превышает экономически допустимой, называется граничным, или предельным. Другими словами, этот коэффициент показывает наибольшее экономически допустимое число единиц вскрыши, которое может приходиться на единицу добычи полезного ископаемого открытым способом.

Граничный коэффициент К г может быть получен из равенства

или

245

В качестве граничной величины используется коммерческая себестоимость добычи 1 м3 полезного ископаемого равного качества подземным способом Сп.

Величины Сп, Сд, Св принимают путем статистической обработки практических данных, взятых по тем шахтам и карьерам, горно­ технические условия которых аналогичны условиям проектируемого карьера.

Так как достоверность исходных данных сравнительно невелика (±20—40%), граничный коэффициент вскрыши может быть опре­ делен лишь приближенно, с возможной ошибкой ±20% .

Для повышения точности расчета в практике проектирования и исследований обычно используется метод, при котором стоимостные показатели, принятые по аналогии, корректируются с учетом опре­ деленных факторов. Главными факторами, влияние которых на граничный коэффициент вскрыши является существенным и под­ лежит учету, являются: 1) разница в качестве полезного ископаемого, а также в величине его потерь при различных, способах разработки; 2) увеличение глубины и дальности транспортирования по мере развития горных работ; 3) влияние технического прогресса; 4) влия­ ние ценности педр и занимаемых земельных угодий.

§ 3. Принципы разграничения открытых и подземных работ

Конечные контуры карьера могут определяться сравнением граничного коэффициента вскрыши с контурным, средним или текущим.

При определении глубины карьера по контурному коэффициенту экономически предельным считают тот контур, при котором этот коэффициент равен граничному. Затраты на добычу полезного ископаемого открытым и подземным способом при этом равны лишь на конечном контуре. Исходя из этого полагают, что разграничение открытых и подземных работ по такому принципу обеспечивает минимальные расходы средств на разработку всего месторождения.

Принцип определения конечной глубины по контурному коэф­ фициенту вскрыши широко распространен в практике проектиро­ вания. На нем основаны известные аналитические формулы П. И. Го­ родецкого, В. В. Ржевского, а также графический метод В. В. Ржев­ ского.

Конечные контуры карьера, определенные по среднему коэффи­ циенту вскрыши, будут находиться на такой глубине, при которой средний коэффициент вскрыши равен граничному. Следовательно, условно можно считать, что себестоимость добычи полезного иско-

246

паемого в контуре карьера открытым и подземным способом одина­

кова.

Принцип определения конечной глубины по среднему коэффи­ циенту вскрыши применяют в том случае, когда вследствие небольших запасов или горизонтального залегания пласта применение двух способов разработки исключено и месторождение должно разраба­ тываться только одним способом — либо подземным, либо открытым. В таких условиях, если средний коэффициент вскрыши меньше граничного или равен ему, принимают открытый способ разработки месторождения. Несмотря на то что затраты на открытую и под­ земную разработку всего месторождения при этом могут быть оди­ наковы, целесообразнее применить открытый способ, так как он создает более безопасные и лучшие санитарно-гигиенические условия труда. К тому же при открытых работах быстрее повышается про­ изводительность труда.

При определении по текущему коэффициенту вскрыши экономи­ чески выгодной глубиной считается такая, при которой этот коэф­ фициент равен граничному. Для определения этой глубины расши­ ряют контуры карьера под углом рабочего борта до тех пор, пока текущий коэффициент вскрыши не достигнет граничного. Таким приемом устанавливают точки верхнего контура, от которых под углами погашения бортов проводят линии, определяющие конечный контур и глубину карьера.

Помимо перечисленных трех может применяться еще четвертый принцип — определение глубины карьера по суммарной приведенной

-прибыли за оцениваемый срок. В этом случае конечной глубиной является такая, при которой общая прибыль, получаемая в резуль­ тате разработки залежи открытым и подземным способом, является наибольшей. Для решения задачи принимают несколько вариантов глубины карьера. Для каждого варианта строят календарный план, на основании которого определяют затраты и доходы за каждый год

сначала строительства карьера. Ежегодные доходы и затраты приводят к одному моменту оценки с учетом эффективности исполь­ зования государственных средств и технического прогресса, что делает их сопоставимыми. Суммируя ежегодные затраты и доходы за весь срок отработки залежи, находят общую приведенную прибыль по каждому варианту. Этот принцип наиболее правилен, но требует

большого количества расчетов.

§4. Порядок п методы определения конечных контуров карьера Порядок определения конечных контуров карьера следующий:

1)принимают углы погашения бортов карьера;

2)определяют граничный коэффициент вскрыши;

3)принимают и обосновывают принцип определения конечной глубины;

4)принимают и обосновывают метод определения конечной глубины (метод вариантов, аналитический, графический);

247

5) определяют глубину карьера, устанавливают технические границы его на поверхности.

Способы определения конечных контуров карьера различны для месторождений большой и малой протяженности. В первом случае глубину карьера определяют на нескольких поперечных сечениях, достаточно характеризующих месторождение, и затем дно и контуры карьера выравнивают в соответствии с уклоном транспортных съездов и способов вскрытия. Во втором случае, т. е. при коротких округленных в плане карьерах и при значительной глубине открытых

водится на вертикальных поперечных сечениях но месторожде­

дольных сечений, достаточно полно характеризующих месторо­ ждение (рис. 121). На сечениях указывают рельеф поверхности, конфигурацию залежей, сортность полезного ископаемого, границы категорий запасов, вмещающие породы и условия их залегания, а также все тектонические нарушения, которые учитывают при про­ ектировании. Число сечений зависит от сложности элементов зале­ гания месторождения и от необходимой точности расчета. На каждом поперечном сечении определяют предельную глубину карьера, пользуясь одним из методов, рассмотренных ниже. Значения пре­ дельной глубины контура карьера, полученные на поперечных се­ чениях (контур абвг на поперечном сечении I I —II), переносят на план и на продольные сечения (штриховые линии). Конечная глубина

248

карьера для различных геологических профилей обычно различна, поэтому . расчетный продольный профиль карьера имеет сложную ■ступенчатую форму, которая неприемлема по условию вскрытия рабочих горизонтов. Профиль карьера должен быть несколько выровнен в соответствии с уклоном транспортных съездов (сплошные линии на рис. 121). Следует учитывать при этом, что один или два нижних горизонта могут быть отработаны без подведения путей с применением верхней погрузки.

При выравнивании необходимо соблюдать правило, которое гласит, что запасы, прирезаемые к расчетному контуру, должны быть равны запасам, которые' отсекаются от него.

Объем вскрыши и полезного ископаемого в контуре карьера в этом случае может быть подсчитан методом вертикальных парал­ лельных сечений.

Объем горной массы, заключеңный в торцовом борту карьера, находят по формуле

VT = jr ДНср ctg ут+ ~ Щр(ctg2 ув + ctg2 ул), м»,

где Д — ширина дна карьера; Нср — средняя глубина торцового

Конечные контуры карьера на вертикальных поперечных сече­ ниях могут определяться методами: аналитическим, сравнения ва­ риантов и графическим.

Аналитический метод позволяет быстро найти конечную глубину карьера путем решения несложных формул применительно к задан­ ным условиям, однако при сложных элементах залегания место­ рождения не обеспечивает достаточной точности расчетов. Поэтому в практике проектирования аналитическим методом пользуются обычно для предварительного определения глубины открытых работ, которую затем уточняют другими методами.

Формула В. В. Ржевского для определения конечной глубины карьера на поперечном сечении

ггК Г(М —пг) — т

тальная мощность залежи, м; т — горизонтальная мощность про­ пластков пустой породы в залежи полезного ископаемого, м.

При сложных элементах залегания месторождения, а также в тех случаях, когда требуется большая точность подсчетов для

'определения конечной глубины карьера, пользуются метбдом сра­ внения вариантов. Для этого на поперечном сечении по месторожде­ нию вычерчивают контуры карьера для ряда вариантов глубины,

т.е. для каждого горизонта или через несколько горизонтов. В том случае, когда ориентировочное значение конечной глубины было уже предварительно определено по какой-либо из рассмотренных выше

24э,

формул, контуры карьера строят лишь на участке возможной ко­ нечной глубины карьера.

Для каждого контура, т. е. для каждого принятого варианта глубины карьера, определяют запасы полезного ископаемого, объем и коэффициент вскрыши. Путем сравнения значений коэффициентов вскрыши каждого варианта с граничным коэффициентом вскрыши определяют рациональную конечную глубину карьера на данном поперечном сечении.

Запасы полезного ископаемого и объемы вскрыши на попереч­ ных сечениях определяют как площади с помощью планиметра. Коэффициенты вскрыши могут быть выражены как средние, коктурные илп текущие.

Конечную глубину открытых работ для месторождений небольшойдлины определяют в целом для всего месторождения аналитическим методом или методом сравнения вариантов.

При аналитическом методе пользуются формулами В. В. Ржев­ ского. Для наиболее распространенных условий, когда угол падения залежп больше 15—20° и углы откосов бортов карьера не резко

на глубине, определенной по формуле, отличаются от первоначально принятых, расчет повторяют, принимая новые значения Р и S„.

Прп определении конечных контуров карьера методом сравнения вариантов принимают несколько вариантов, для каждого из которых определяют текущий, средний или контурный коэффициент вскрышн.

Приращения объема вскрыши между двумя смежными вариантами глубины определяют как разницу между приращением объема горной массы и объема полезного ископаемого. Приращение объема полез­ ного ископаемого определяют методом горизонтальных параллельных сечений. Приращение объема горной массы выражается как разница между объемами двух карьеров, различающихся глубиной.

Объем карьера, имеющего форму усеченного конуса, дно которого' является выпуклым многоугольником, а глубина примерно одинакова на всем протяжении, может быть определен по формуле

y ^ t f + ltf^ctgYep-f-^Ctg^p, М3?

где S — площадь дна карьера, м2; II — глубина карьера, м; Р — периметр дна карьера, м; уСр — средний угол откоса бортов карьера.

Особенности определения конечных контуров на пологих место­ рождениях. Пологие пласты обычно разрабатывают не горизонталь­ ными слоями, а заходками по простиранию. Поэтому при определении

250

конечных контуров пологий пласт разделяют на заходки шириной 20—50 м и для каждой заходки строят контур карьера под углом погашения борта карьера.

Контурные коэффициенты вскрыши определяют по поперечным сечениям, если месторождение имеет относительно большую длину, или путем подсчета объемов в том случае, когда необходимо учесть объемы торцов' карьера.

Особенности определения границ карьера на горизонтальных месторождениях. Надобности в определении конечной глубины контура карьера на горизонтальных месторождениях обычно нет, так как при разработке таких месторождений конечная глубина соответствует отметке' почвы пласта. Но в этом случае необходимо установить экономичность применения открытых работ, которая для горизонтальных пластов выражается условием

Кср К Г,

где К ср — средний коэффициент вскрыши.

Если площадь карьера относительно велика и можно не учи­ тывать разнос бортов карьера, то средний коэффициент вскрыши можно определить по формуле

К ср = -^-> м3/м3,

где Н — мощность вскрыши, м; т — мощность полезного иско­ паемого, м.

При небольших по площади, но глубоких месторождениях коэф­ фициент вскрыши определяют как соотношение объемов вскрыши V и запасов полезного ископаемого Q в контуре карьера.

I

§ 5. Особенности обоснования контуров глубоких карьеров

При большой глубине и значительных запасах месторождения длительность его полной отработки превышает 15—20 лет. В этих условиях установить в проекте достаточно точные конечные контуры карьера не представляется возможным. Поэтому рекомендуется устанавливать перспективные и промежуточные контуры карьера, которые ограничивают развитие открытых работ по отдельным пе­ риодам.

С учетом действительного развития открытых работ в карьере первостепенное, определяющее значение имеет не проектная глубина карьера, а проектный контур его на поверхности, так как горные работы достигают проектного контура в 2—3 раза быстрее, чем проектной глубины.

Поэтому в задаче определения границ открытой разработки прежде всего должен устанавливаться контур карьера на поверх­ ности, т. е. расчет необходимо вести от установленного контура на поверхности к проектированию глубины.

251

Общая схема расчета состоит в следующем-. Устанавливают перспективные и ряд промежуточных контуров. Перспективные контуры на поверхности ограничивают возможное развитие открытых работ по экономическим и прочим условиям и определяют зону, внутри которой не должны строиться долгосрочные сооружения и здания, например крупные гидротехнические сооружения, большие общественные здания и т. и.

В приближенных расчетах в качестве перспективной может быть принята глубина, превышающая на 30—40% то значение, которое определяется по формулам конечной глубины. Перспективные кон­ туры по глубине ограничивают участки месторождения, способ

Рис. 122. Контуры глубокого карьера:

1,2 — первый п второй промежуточные; з — перспективный; і — рабочий борт

разработки которых не может, считаться окончательно решенным. Выше этих участков расположена зона открытых работ, ниже — зона подземных работ.

Промежуточные контуры проектируют с заданным интервалом времени, который в общем случае рекомендуется принимать в пре­ делах 10—12 лет. Точность расчета промежуточных контуров раз­ лична.

Первый контур должен быть рассчитан с точностью до 5—10 . Такая высокая точность вполне может быть достигнута, так как обеспечивается хорошей разведанностью верхних горизонтов и вы­ сокой степенью достоверности исходных экономических показателей. На чертежах могут быть показаны возможные пределы отклонений от среднего значения (рис. 122).

Второй промежуточный контур, находящийся за пределами 20— 25 лет, может иметь точность не более 20—25%. Точность после­ дующих, в том числе и перспективного конечного контура, еще

252

нише. В расчетах она может быть принята ±50% . Расчет экономич­ ности открытых горных работ в каждом ближайшем промежуточном контуре должен производиться, как правило, с учетом фактора времени. Однако с несколько меньшей точностью экономичность открытых работ в ближайшем промежуточном контуре может быть установлена по текущему коэффициенту вскрыши. Оценка эконо­ мичности открытой разработки в последующих контурах может быть осуществлена по среднему коэффициенту вскрыши.

По мере развития горных работ промежуточные контуры и эко­ номичность ведения в них открытых работ должны уточняться.

Когда верхний уступ достигнет первого промежуточного контура, необходимо проверить экономичность дальнейшего развития откры­ тых работ в пределах второго контура, т. е. на последующие 10— 12 лет. Если дальнейшее расширение открытых работ окажется экономичным, то расчетом должны быть уточнены второй и после­ дующий контуры.

Впоследствии, т. е. через 10—12 лет, аналогично должно быть произведено уточнение третьего промежуточного контура и т. д.

Если дальнейшее расширение окажется неэкономичным, тооткрытые работы будут погашаться по границе, установленной исходя из предыдущего промежуточного контура. К этому времени могут быть достаточно хорошо исследованы вопросы устойчивости пород, весьма точно определены значения углов погашения бортов-

ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ МОЩНОСТЬ КАРЬЕРА

§ 1. Обоснование производственной мощности карьера

Производственная мощность карьера — это количество горной массы, добываемой в карьере в единицу времени. Производственнуюмощность карьера обычно исчисляют- в смену, сутки, месяц и год. Различают производственную мощность карьера по полезному ископаемому Пю вскрыше І7В и горной массе Пг м, между которымисуществует следующая связь:

253