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

электропередач. Обычно одновременно в работе находится несколько уступов.

Боковые поверхности, ограничивающие карьер и его вырабо­ танное пространство, называют бортом карьера (рис. 6). Если на нем ведутся горные работы, то он называется рабочим бортом. Рабочий борт карьера постепенно перемещается, приближаясь к промежу­ точным или к конечным контурам (границам) карьера.

Борт карьера или его отдельные участки (см. рис. 6), контуры которых совпадают с конечными контурами карьера, называются нерабочими. На нерабочем борту горные работы не ведутся, но могут располагаться транспортные съезды.

Уступы, составляющие нерабочий борт карьера, называются нерабочими. Они разделяются площадками: транспортными, пре­ дохранительными, а также площадками очистки.

Транспортные площадки служат для расположения транспортных путей, связывающих рабочие площадки в карьере с поверхностью. Ширина транспортных площадок 10—15 м.

Предохранительные площадки предназначены для повышения устойчивости борта и для задержания кусков породы, обрушающнхся при выветривании уступов. Ширина этих площадок 3—5 м.

Площадки очистки — это расширенные (до 7—10 м) предохра­ нительные площадки, которые оставляют через три-четыре уступа и на которых бульдозерами, небольшими экскаваторами, погруз­ чиками и автосамосвалами производится периодическая очистка борта от осыпающейся породы.

По мере отработки уступов рабочий борт становится нерабочим, а рабочие площадки становятся предохранительными или площад­ ками очистки.

Угол между линией, соединяющей верхнюю бровку верхнего уступа с нижней бровкой нижнего уступа, и горизонталью назы­ вается углом откоса рабочего или нерабочего борта карьера. Угол откоса рабочего борта обычно составляет 7—15°, нерабочего — 35-45°.

Форма карьера (в плане) обычно близка к овальной, длина карь­ еров составляет от 0,5 до 5 км и иногда больше, ширина — до 2—4 км. Глубина современных карьеров — от нескольких десятков метров до 300—400 м. В проектах и перспективных технико-экономических расчетах конечная глубина карьеров достигает 700—900 м.

Общий объем пустых пород и полезного ископаемого в карьере (объем горной массы) в зависимости от размеров карьера колеблется от нескольких десятков тысяч до сотен миллионов кубометров.

При равнинном рельефе поверхности объем карьера приближенно определяется по формуле

V = SpHK+ { PHI ctg уср + ~ m ctg 2уср, м3,

где S д — площадь дна карьера, м2; Пк — глубина карьера, м; Р — периметр дна, м; уср — усредненный угол откоса бортов, градус.

20

Пространство, образующееся после извлечения полезного иско­ паемого в результате очистных работ, называется выработанным пространством.

Насыпь пустых пород, удаляемых при разработке месторождения, называется породным отвалом.

Отвалы могут располагаться в выработанном пространстве плн на поверхности вне контура карьера. В первом случае их называют

внутренними (см. рис. 6, б), во втором — внешними.

§ 2. Схемы п средства механизации открытых горных работ

Развитие открытого способа разработки основано на широкой механизации работ. Степень и вид механизации определяют ие только экономические результаты работ, но и глубину и другие параметры карьера, его производственную мощность, способ вскрытия и систему разработки. По мере совершенствования механизации облегчается труд рабочих, повышается его производительность, снижаются затраты на добычу 1 т полезного ископаемого и вследствие этого повышается экономичность открытого способа добычи.

Совершенствование механизации происходит по принципу от простого к сложному, от механизации отдельных операций к меха­ низации всего технологического процесса. В настоящее время на открытых горных работах осуществляется комплексная механизация, т. е. полная механизация не только основных операций, но и вспомо­ гательных работ. Основная черта комплексной механизации — ра­ циональное сочетание числа, мощности и рабочих размеров машин в смежных операциях технологического процесса. Такое сочетание их устанавливают с учетом размеров машин, их мощности, а также стоимостных п экономических характеристик. Схемы комплексной механизации, т. е. сочетание механизмов и машин, определяются способом ведения горных работ, крепостью пород, масштабом горных работ, условиями залегания месторождения.

Крепость пород определяет способ ведения горных работ, а сле­ довательно, и вид механизации. Так, в крепких породах необходимо применять буровзрывное рыхление, в рыхлых можно использовать мощные и экономичные машины поточного действия — роторные экскаваторы и конвейерный транспорт и т. д.

Масштаб работ определяет прежде всего мощность и размеры используемого оборудования. Так, на карьерах значительных раз­ меров с рыхлыми породами для вскрышных работ целесообразно использовать мощные драглайны или отвалообразователи, а на не­ больших карьерах более экономично применять землеройно-транс­

портные машины и колесные скреперы.

Условия залегания и прежде всего угол падения, мощность

иглубина залегания пласта определяют место расположения отвалов

итем самым выбор схемы механизации.

Исходя из этих условий, а также учитывая другие факторы, выбирают схемы комплексной механизации. При этом руковод­

.22

ствуются основными принципами механизации открытых горных, работ, сформулированными акад. Н. В. Мельниковым.

1. Принцип поточного производства. Основанные на этом прин­ ципе схемы механизации обеспечивают непрерывность перемещения горной массы от забоя до приемного пункта на поверхности. В этом случае достигаются наиболее полная механизация всех операций, наибольшее использование всех механизмов во времени, лучшие экономические показатели и возможность полной автоматизации. Данный принцип используется при экскаваторном и гидравлическом способах выемки рыхлых пород. При экскаваторном способе осно­ вными механизмами являются миогочерпаковые экскаваторы, тран­ спортно-отвальные мосты, консольные отвалообразователи и лен­ точные конвейеры.

2. Принцип совмещения операций. В этом случае операции по выемке, транспортированию и укладке породы в отвал осущест­ вляются одной машиной — экскаватором, погрузчиком, скрепером или бульдозером. Благодаря этому достигаются высокие экономи­ ческие показатели. Данный принцип используется при бесстранспортных системах разработки.

3. Принцип независимости операций. В схемах механизации, основанных на этом принципе, каждая операция выполняется само­ стоятельной машиной, например погрузка — экскаватором, транс­ портирование — в думпкарах, отвалообразование — отвальным экс­ каватором. Технологическая схема состоит из отдельных звеньев, каждое из которых связано со смежными звеньями. Производительпая и экономичиая работа обеспечивается при условии отсутствии простоев, вызываемых неувязкой в работе смежных звеньев. Принцип независимости операций наиболее универсален и распространен. Особенно широко он применяется при механизации горных работ- в крепких скальных породах.

Наиболее распространены схемы механизации открытой разра­ ботки, основанные на экскаваторном и гидравлическом способах, ведения горных работ.

Схемы механизации экскаваторного способа разработки склады­ ваются из механизации отдельных операций: отбойки и рыхления, погрузки, транспортирования и отвалообразовалия.

О т б о й к а заключается в отделении породы (или полезного иско­ паемого) от массива с одновременным ее рыхлением. Мягкие породы отбивают непосредственно органами рабочих машин (ковшом экска­ ватора и т. п.). Для отбойки и рыхления скальных пород применяютбуровзрывные работы.

При этом в массиве пробуривают скважины диаметром от 110 до 300 мм и глубиной 12—30 м, в которых размещают ВВ.

Скважины бурят станками вращательного, шарошечного, пневмоударного, ударно-канатного или огневого бурения. Скорость буре­ ния — от 3—4 до 50—60 м/смену. ■

Вкачестве ВВ используют аммониты, игдани'ты, зериогранулиты

идр. Масса заряда ВВ в скважине составляет от 30—50 до 500—

2&

600 кг и более. Удельный расход ВВ изменяется от 0,1 до 0,7 кг на 1 м3 горной породы.

Буровзрывные работы на карьерах должны обеспечить: получение необходимого количества взорванной породы или угля (руды) в ку­ сках, не превышающих определенного размера, запас взорванной горной массы, необходимый для бесперебойной работы экскаваторов, н установленный по высоте и ширине навал взорванной массы.

Удельный вес буровзрывных работ в общей себестоимости добычи открытым способом при разработке скальных руд и пород составляет в среднем около 20%, а по отдельным карьерам достигает 30%.

П о г р у з к а (и л и э к с к а в а ц и я) заключается в пере­ мещении разрыхленных пород или полезного ископаемого из забоя в транспортные средства. Обычно операцию эту выполняют экскава­ торами. При выемке мягких и сыпучих пород, не требующих пред­ варительного рыхления, отбойка и погрузка совмещаются в одном процессе.

На карьерах применяют одноковшовые экскаваторы — механи­ ческие лопаты и драглайны с емкостью ковша от 1—2 до 35—100 м3, а также многочерпаковые экскаваторы — роторные и цепные. Наи­ более распространены механические лопаты на гусеничном ходу с емкостью ковша 5—8 м3. Этп экскаваторы используют для погрузки горной массы в железнодорожные вагоны и автосамосвалы. Произ­ водительность их составляет 1—2 млн. м3 в год.

Шагающие драглайны, имеющие стрелу длиной от 40 до 150 м, обычно используют для перевалки пустых пород во внутренние отвалы II для проведения траншей.

Роторные экскаваторы применяют для экскавации рыхлых пород.

лями п конвейерами. Реже применяются скиповые подъемники, гидравлический транспорт, подвесные канатные дороги.

При железнодорожном транспорте используются саморазгружающиеся вагоны-думпкары грузоподъемностью 80—180 т, а в качестве локомотивов — электровозы и тепловозы, реже паровозы. Ширина колеи нормальная, т. е. 1524 мм, максимальный допустимый уклон путей 40°/ 00, радиус поворота путей 180—200 м, минимальный — 100 м.

Укладка новых железнодорожных путей и переукладка уступных и отвальных путей производятся звеньями при помощи железно­ дорожных кранов или путепередвигателей.

Автомобильный транспорт в условиях карьеров имеет определен­ ные преимущества по сравнению с железнодорожным: большую маневренность, способность преодолевать значительные подъемы (до 150°/00) и возможность вести работу на меньших радиусах (12— -50 м). Основными средствами автомобильного транспорта являются автосамосвалы и тягачи с полуприцепами и прицепами. Отечествен­

24

ными заводами выпускаются карьерные автосамосвалы грузоподъем­ ностью 7, 12, 27, 40, 75 т и полуприцепы до 120 т.

Для успешного применения автомобильного транспорта необхо­ димы хорошие дороги. На уступах в карьере проводят простейшие- и улучшенные грунтовые или щебеночные дороги и только при сла­ бых грунтах делают'дороги из сборного железобетона. Главные постоянные автодороги при большом грузообороте — бетонные.'Ско­ рость движения автосамосвалов на уступных проездах в среднем около 10 км/ч, на главных дорогах — 18—25 км/ч.

На карьерах применяются леиточные конвейеры производитель­ ностью от 300 до 1000 м3/ч, а в отдельных случаях до 12 000 м3/ч. Ширина конвейерной ленты от 900 до 2200 мм, скорость ее движения от 2 до 5 м/сек.

Конвейерные ленты загружают через воронки-бункера с питате­ лями, предохраняющие ленту от ударов.

Применение конвейеров обеспечивает непрерывность транспорти­ рования и возможность перемещения материала под углом до 18°.

Размещение пустых пород в отвалах называется о т в а л о - о б р а з о в а н и е м . Опо осуществляется при помощи отвальных эк­ скаваторов, отвальных плугов, бульдозеров и другого оборудования.

При горизонтальных и пологих пластах перемещать породу вовнутренние отвалы могут непосредственно вскрышные экскаваторы с удлиненным рабочим оборудованием. В этом случае транспортиро­ вание и отвалообразование как самостоятельные процессы отсутствуют.

Кроме основных производственных процессов на карьере выпол­ няются в с п о м о г а т е л ь н ы е р а б о т ы : зачистка вскрытого полезного ископаемого, разделка тупиков н т. д.

Полезное ископаемое, отгружаемое потребителям, должно по своим качественным показателям соответствовать установленным требованиям. Уголь или руда, добываемые в забоях, не всегда отве­ чают этим требованиям, поэтому необходимо нх обогащение, а в не­ которых случаях — сортировка или усреднение.

Все перечисленные процессы взаимосвязаны и в совокупности составляют единую технологическую схему производства открытьиг горных работ. Значение отдельных производственных процессовъ изменяется в зависимости от горнотехнических условий месторо­ ждения.

В практике наибольшее распространение получили следующий технологические схемы экскаваторного способа разработки:

1) отбойка и погрузка одноковшовым экскаватором — транспор­ тирование в думпкарах — отвалообразование отвальным плугом или экскаватором;

. 2) отбойка и погрузка одноковшовым экскаватором — транс­ портирование автомобилями — отвалообразование бульдозерами;

3) выемка одноковшовым экскаватором с погрузкой горной массы через бункер-питатель на конвейер и конвейерное отвалообразо­ вание;

25

4)выемка одноковшовым экскаватором — гидравлическое тралс- V дортирование и отвалообразоваппе;

5)выемка и погрузка мыогочерпаковым экскаватором — транс­ портирование в думпкарах — отвалообразование абзетцером;

6)выемка роторным экскаватором — транспортирование кон­ сольным отвалообразователем;

7)выемка и погрузка одноковшовым экскаватором — транспор­ тирование автомобилями или по железной дороге — отвалообразова­ ние отвальным плугом или экскаватором;

8)выемка и погрузка одноковшовым экскаватором — транспор­ тирование автомобилями к дробилке — конвейерный подъем.

Основные технологические схемы гидравлического способа:

1) выемка гидромонитором — поступление горной массы в земле­ сос — гидротраиспортирование — осветление воды — поступление осветленной воды в водопровод;

2) выемка земснарядом — гидротранспортирование — гидравли­ ческое отвалообразование — осветление воды — поступление освет­ ленной воды в водопровод.

§3. Общие сведения о вскрытии, системах

итехнологических схемах открытой разработки

Вскрытие месторождения — проведение выработок, открыва ющих доступ от поверхности земли к месторождению и обеспечива­ ющих грузотранспортиую связь между рабочими горизонтами в карь­ ере и приемными пунктами на поверхности. Месторождения обычно вскрывают к а п и т а л ь н ы м и т р а н ш е я м и , открыва­ ющими доступ к пласту полезного ископаемого, и р а з р е з н ы м и т р а н ш е я м и , подготавливающими поле карьера к вскрышным и добычным работам. Благодаря капитальным траншеям создается возможность организации транспортирования вскрышных пород и угля с горизонтов разработки карьерного поля на поверхность в отвалы или на склады и на обогатительные фабрики. Разрезные траншеи создают фронт работ на добычных и вскрышных уступах-.

Капитальная траншея представляет собой наклонную открытую игорную выработку трапециевидного сечения (рис. 7).

Капитальная траншея, расположенная внутри карьера на его ‘борту, называется с ъ е з д о м и имеет только один борт.

Продолжением капитальных траншей на каждом уступе являются разрезные траншеи. Разрезные траншеи проводятся горизонтально шли с небольшим уклоном, обеспечивающим сток воды.

Траншеи могут проводиться различными средствами, нц чаще всего для этого применяют экскаваторы.

На рис. 7 показано развитие горных работ на горизонте, имеющем ютмѳтку —15 м. Вначале с поверхности на глубину 15 м проводится наклонная капитальная траншея 1, которая продолжается в виде горизонтальной разрезной траншеи 2 (рис. 7, а). Затем разрезную ■траншею проводят в обратном направлении (рис. 7, б) и таким обра-

126

зом формируют борт карьера иа данном горизонте (рис. 7, б, в, г). При отработке уступа капитальная траншея превращается в съезд 3 (рис. 7, г) длиной I.

Уклоны капитальных траншей и съездов зависят от вида транс­ порта и составляют при железнодорожном транспорте с паровой тягой 25°/оо> а с электровозной 40°/о<ъ при автомобильном транспорте

схемы разработки: бестранспортные, транспортно-отвальные, транс­ портные и комбинированные.

П р и б е с т р а н с п о р т н ы х и т р а н с п о р т н о - о т ­ в а л ь н ы х с х е м а х разработки пустая порода непосредственно* экскаваторами перемещается во внутренние отвалы, располага­ ющиеся в выработанном пространстве. Основные горноподготови­ тельные работы в этом случае заканчиваются к началу добычных: работ, так как месторождение отрабатывается сразу на всю мощность. Эти схемы разработки наиболее просты и экономичны, но применяются: только при неглубоком горизонтальном и пологом залегании пластов..

27

П р п т р а н с п о р т н ы х с х е м а х разработки порода вывозится иа внешние или (реже) внутренние отвалы. Горноподгото­ вительные работы при этом ведутся в течение всего времени раз­ работки. Эти схемы сложны и неэкономичны, но они получили широ­ кое распространение, так как могут применяться при любых усло­ виях залегания пластов.

К о м б и н и р о в а н II ы е с х е м ы разработки объединяют в себе признаки бестранспортных и транспортных схем: часть породы вывозится транспортом, а другая перемещается во внутренние отвалы экскаваторами пли отвалообразователями.

§ 4. Основные этапы строительства и эксплуатации карьера

Различают следующие этапы открытой разработки месторожд е- нпя: подготовка поверхности, осушепие месторождения и ограждение •его от воды, горно-капитальные работы в период строительства карьера, проведение подготовительных выработок, вскрышные п до- •бычные работы, рекультивация (восстановление) нарушенных земель­ ных площадей и поверхностей отвалов.

Подготовка поверхности месторождения заключается в вырубке леса и корчевке пней, отводе рек и ручьев за пределы карьерного поля, осушении озер и болот, сносе зданий и сооружений, переноске дорог п в удалении других естественных и искусственных препят­ ствий, затрудняющих или не допускающих ведение открытых горных работ.

Осушение месторождения создает условия для производительной л безаварийной работы оборудования при вскрытии и разработке месторождения. Насыщенные водой породы, будучи обнажены, теряют устойчивость в откосах. Это снижает производительность труда рабочих, препятствует применению мощного оборудования и способствует образованию оползней и обвалов.

Вода в карьер поступает из водоносных горизонтов месторожде­ ния, а также при дожде (ливневая) и при таянии снега (паводковая). Количество воды, поступающей в карьер, составляет от иесколышх кубометров до нескольких сотен, а иногда и тысяч кубометров в час.

Обводненность месторождения зависит от многих факторов. Основные из них — глубина карьера и гидрогеологичеркие условия залегания месторождения.

Различают следующие виды осушения: осушение поверхности карьерного поля, ограждение карьера от поверхностных вод, пред­ варительное и текущее осушение месторождения.

О с у ш е н и е н а н о с о в и о т в о д в о д ы с поверхности месторождения обычно осуществляются при помощи сети осушитель­ ных и дренажных капав.

О г р а ж д е н и е к а р ь е р а от п о в е р х н о с т н ы х в о д (ливневых, паводковых и проникающих из соседних водоемов) производится путем проведения нагорных канав по всему периметру карьера или со стороны возвышенной части карьерного поля.

28

П р е д в а р и т е л ь н о е о с у ш е н и е месторождения, пред­ назначенное для понижения уровня подземных вод и осушения уча­ стков, которые подлежат первоочередной разработке, производится путем бурения водопонижающих и водопоглощагощих скважин пли же проведением системы подземных дренажных выработок.

Т е к у щ е е и л и э к с п л у а т а ц и о н н о е осушение, осуществляемое одновременно с разработкой месторождения, со­ стоит в систематическом удалении воды, поступающей в карьер, при помощи открытого пли подземного водоотлива. В первом случае вода собирается в водосборник и откачивается насосами иа поверх­ ность, во втором — вода через специальные скважины поступает в систему подземных дреиажпых выработок и по стволу дренажной шахты подпимается иа поверхность. Первый способ обычно приме­ няется при небольшом притоке воды в карьер (до 100 м3/ч).

Горно-капитальные работы в период строительства карьера

включают проведение капитальных и разрезных траншей, а также удаление некоторого объема вскрышных пород для создания вскры­ тых запасов полезного ископаемого перед сдачей карьера в экс­ плуатацию.

Проведение подготовительных выработок в период эксплуатации, карьера необходимо при его углублении, т. е. при переходе горных работ на новые горизонты в случаях разработки крутых и наклон­ ных пластов. Подготовка нижележащего горизонта обычно состоит в проведении капитальной траншеи (съезда) на этот горизонт и в про­ ведении разрезной траншеи. При горизонтальпых или пологих пластах надобности в проведении подготовительных выработок обычно пет, так как месторождение отрабатывается сразу на всю мощность.

Вскрышные работы заключаются в удалении пустых пород, вмещающих полезное ископаемое, в результате чего обеспечивается доступ к нему.

Добычные работы представляют собой собственно извлечение полезного ископаемого и являются последним этапом открытой разработки месторождений.

Подготовка поверхности, работы по осушению, горно-капиталь­ ные и вскрышные работы начинают в последовательном порядке, а затем ведут параллельно, но с взаимным опережением в простран­ стве: подготовка поверхности и осушение месторождения опережают вскрышные работы, которые предшествуют добычным работам.

Последовательность развития горных работ в карьере для гори­ зонтальных и крутых пластов показана на рис. 8.

При горизонтальном залегании пластов (рис. 8, а) вначале с по­ верхности до кровли пласта проводят иаклоиную капитальную траншею 1. Затем проводят разрезиую траншею 2, один борт кото­ рой 3 разносят, освобождая площадку, ширина которой должна обеспечить размещение оборудования, возможность проведения раз­ резной траншеи по залежи и подготовку к выемке достаточного объема запасов полезного ископаемого. После проведения второй

29