книги / Открытая разработка месторождений

3. ПРОЦЕССЫ ОТРЫТОГО СПОСОБА РАЗРАБОТКИ

Основными процессами открытой разработки месторождений полезных ископае­ мых являются:

подготовка горных пород к выемке; выемка и погрузка горных пород; перемещение карьерных грузов; отвалообразование вскрышных пород.

Кроме перечисленных основных процессов на карьерах имеет место ряд вспомо­ гательных процессов: передвижка железнодорожных путей, переноска линий электроснаб­ жения и линий связи, ремонт оборудования и транспортных коммуникаций, зачистка вскрытого полезного ископаемого, оборка откосов уступов и берм и т,д.

Ниже рассматриваются основные процессы, имеющие место при открытой разра­ ботке месторождений полезных ископаемых.

3.1. Подготовка горных пород к выемке

Подготовка горных пород к выемке осуществляется с целью создания техниче­ ской возможности и наилучших условий для выполнения последующих процессов, в част­ ности выемки и погрузки горной массы. В зависимости от типа и состояния пород подго­ товка их к выемке и погрузке может заключаться:

восушении обводненных пород;

впредохранении пород от промерзания;

воттаивании мерзлых пород;

врыхлении;

вгидравлическом ослаблении.

3.1.1.Осушение обводненных пород,

Осушению обводненных пород придается большое значение, т.к. обводненные породы имеют малые углы естественного трения и требуют малых углов откосов уступов и бортов карьера, значительно осложняется отработка обводненных пород в условиях отри­ цательных температур из-за их промерзания, примерзания к исполнительным органам до­ бычных машин и к стенкам транспортных средств.

Осушение обводненных пород начинается еще на этапе подготовительных работ и на этом этапе заключается в осушении болот, отводе рек и ручьев и т.д. В период отработ­

ки карьерного поля осушение обводненных пород осуществляется проведением дренажных канав, в бурении дренажных водопонизительных скважин, в применении забивных фильт­ ров. При разработке сильно обводненных пород в условиях не напорных вод для осушения применяют подземные горные выработки (штольни, штреки и т.п.). В эти выработки вода стекает (фильтруется) под собственным весом. Для удаления собранной таким образом во­ ды оборудуются водоотливные горизонты с устройством водосборников, насосных станций и т.п.

Иногда, в тех случаях, когда осушение обводненных пород либо физически не­ возможно, либо чрезвычайно дорого от осушения пород отказываются и применяют техно­ логии добычи с использованием плавучих земснарядов.

3.1.2. Предохранение пород от промерзания.

Предохранение пород от промерзания осуществляется при подготовке карьера к работе в осенне-зимний период. Работы заключаются во вспашке и бороновании земной поверхности на площадях, планируемых к отработке в осенне-зимний период, в рыхлении вскрытых уступов, в утеплении вскрытых уступов теплоизоляционными материалами (торф, мох, опилки, шлак и т.п.), в установке щитов для снегозадержания и устройство сне­ говых буртов. Все перечисленные выше меры имеют одну физическую сущность, которая сводится к тому, что снижается теплопроводность пород или покрывающего слоя (в том числе и снега) за счет наличия большого объема пустот, заполненных воздухом.

3.1.3. Оттаивание мерзлых пород.

Оттаивание мерзлых пород имеет место при работе карьеров в осенне-зимний пе­ риод или при расположении карьера в условиях вечной мерзлоты. Оттаивание пород может осуществляться различными способами: с использованием горячей воды или пара, поверх­ ностным электроподогревом, глубинным электроподогревом, поверхностным пожогом.

Для оттаивания мерзлых пород с использованием горячей воды или пара приме­ няют две технологии. Одна из них предусматривает бурение в мерзлых породах шпуров глубиной 1.5 - 3.0 м на расстоянии 2.0 - 2.5 м друг от друга. В шпуры опускаются перфо­ рированные трубы, в которые подается горячая вода или пар. По этой технологии оттаива­ ние пород происходит практически одновременно по всей глубине шпура. Вторая техноло­ гия предусматривает оттаивание пород в направлении сверху вниз. В этом случае перфори­ рованные трубы забиваются в мерзлые породы на небольшую глубину. По мере оттаивания

породы за счет поступающей горячей воды или пара, трубы забиваются глубже и т.д. От­ таивание мерзлых пород с использованием горячей воды или пара достаточно дорог, т.к. требует нагрева большого объема теплоносителя.

Поверхностный электроподогрев предусматривает укладку на поверхности оттаи­ ваемого участка электродов из металлической сетки или металлических полос. При про­ пускании электрического тока электроды нагреваются, передавая тепло породам. Оттаива­ ние пород идет в направлении сверху вниз. Способ требует больших затрат электроэнер­ гии.

Глубинный электроподогрев предусматривает бурение шпуров или скважин по мерзлым породам, в которые опускаются два электрода. При подаче напряжения на элек­ троды цепь замыкается через оттаявшие породы и, таким образом, происходит оттаивание пород в направлении снизу вверх. Очевидно, что способ так же требует больших затрат электроэнергии.

Поверхностный пожог применяется при сравнительно небольших объемах оттаи­ ваемых пород. Способ заключается в разжигании костров на площадях оттаивания пород. В кострах сжигают либо древесину, либо каменный уголь.

3.1.4. Рыхление горных пород.

Рыхление горных пород с целью обеспечения их дальнейшей выемки, погрузки и транспортировки может осуществляться либо механизированным способом, либо с приме­ нением буровзрывных работ. Последний способ применяется наиболее широко.

Механизированное рыхление применяется при относительно слабых породах (полускальных). Рыхление осуществляется навесными рыхлителями, подвешиваемыми или прицепляемые к тяжелым тракторам, пневматическими рыхлителями на базе тракторов «Беларусь», конусообразными кран-бабами, подвешиваемыми на канате к экскаваторам.

При буровзрывном рыхлении для разрушения пород используется энергия взры­ ва. На открытых горных работах наиболее широкое распространение получил скважинный способ ведения взрывных работ. Более подробно этот способ ведения взрывных работ рас­ сматривается при изучении дисциплины «Взрывные работы». Суть способа заключается в том, что в горных породах бурятся скважины, в которые помещается заряд взрывчатого вещества. Энергия, выделяющаяся при взрыве этого заряда, и производит работу по отры­ ву, разрушению и рыхлению породы. Количество скважин, их параметры, величина заряда взрывчатого вещества и т.п. определяются проектом на проведение взрывных работ.

нами перебуривают подошву уступа на 30 - 40 см для лучшей проработки подошвы уступа при взрыве. Скважины бурят с верхней площадки уступа. Располагаются скважины рядами, параллельными верхней бровке уступа либо по прямоугольной сетке (рис. 3.1.а), либо в шахматном порядке (рис. 3.1.6). Расстояние от верхней бровки уступа до первого ряда скважин (с), расстояние между рядами скважин (а), расстояние между скважинами в ряду

(Ь)определяются проектом на ведение взрывных работ.

Внастоящее время бурение скважин осуществляется станками вращательного бу­ рения, станками канатно-ударного бурения, станками ударно-вращательного бурения или термического бурения. Станки вращательного бурения по типу бурового инструмента раз­ деляются на станки с режущими долотами и на станки с режущими шарошками. Режущие долота (резцы) имеют две или три рабочих (режущих) лопасти, в которые впаяны пластины из твердых сплавов. Подача резца на забой и вращение резца осуществляется посредством буровых труб, на которые наварена спираль из витой листовой стали. Эта спираль служит для выдачи из скважины разрушенной при бурении породы. Станки вращательного буре­ ния с режущими долотами выпускаются на гусеничном ходу. Предназначены они для буре­ ния в мягких или сильно трещиноватых породах.

Для бурения в крепких пород применяют станки вращательного бурения с режу­ щими шарошечными долотами. Шарошечное долото включает две - три конических ша­ рошки, на которых впаяны зубки из твердого сплава. Давление на забой скважины и вра­ щение долота передается через став буровых труб. Шарошки при бурении, вращающиеся вокруг своей оси и вокруг оси долота, разрушают породу в забое скважины, которая выно­ сится из скважины сжатым воздухом или водой.

Станки канатно-ударного бурения имеют буровой инструмент в виде долота удар­ ной штанги, подвешенный на канате. Применяемые долота либо зубилообразного типа, ли­ бо крестового типа, армированные твердым сплавом. Бурение осуществляется с постоян­ ной подачей воды в скважину. Буровой инструмент канатом поднимается на высоту 60 - 80 см от забоя и падает с этой высоты, разрушая породу в забое скважины. Разрушенная по­ рода в смеси с водой представляет пульпу, которая удаляется из скважины с помощью же­ лонки, представляющей собой трубу, в нижнем конце которой имеется клапан, пропус­ кающий пульпу в желонку и препятствующий выпадению пульпы из желонки. Для подъема пульпы буровой инструмент поднимается из скважины и в нее спускается желонка.

При ударно-вращательном бурении вращение бурового инструмента совмещается ударами пневматического ударника. Буровая коронка станка обычно однодолотчатая, арми­ рованная твердым сплавом. Удаление разрушенных пород из скважины осуществляется сжатым воздухом, который одновременно приводит в действие пневматический ударник.

Для термического бурения скважин используются станки на гусеничном ходу. В качестве породоразрушающего инструмента используется вращающий термобур. В камере сгорания огнеструйной горелки смешивается горючее (керосин, дизельное топливо) и окислитель (кислород), в результате чего образуется высокотемпературная газовая струя, которая, проходя через сопловый агрегат термобура, вырывается со сверхзвуковой скоро­ стью. Под действием этой струи и высокой температуры происходит разрушение пород в забое скважины. Разрушенные породы выносятся из скважины сжатым воздухом или во­ дой, которые одновременно служат и для охлаждения термобура.

Для буровзрывного рыхления пород при открытом способе разработки использу­ ют непредохранительные взрывчатые вещества 1 и 2 классов, допущенные к применению на земной поверхности. При заряжании вертикальных скважин и наклонных скважин с уг­ лом наклона более 55° применяют взрывчатые вещества в порошкообразном или в грану­ лированном виде. Указанные виды взрывчатых веществ позволяют механизировать заря­ жание скважин, что весьма важно при большом числе взрываемых скважин. Зарядные ма­ шины созданы на базе грузовых автомобилей, подача взрывчатого вещества производится сжатым воздухом. Величина заряда скважины определяется проектом буровзрывных работ. Конструкция скважинного заряда может быть сплошной или рассредоточенной. При сплошном скважинном заряде взрывчатое вещество располагается одной колонной. При рассредоточенном заряде взрывчатое вещество располагается в скважине несколькими уча­ стками, разделенными друг от друга участками раздробленной породы. Оставшаяся часть скважины, свободная от заряда взрывчатого вещества, заполняется забойкой, в качестве которой может использоваться песок, буровой штыб, мелко дробленные горные породы и т.п. По ЕПБ при взрывных работах величина забойки в скважинах должна быть не менее 1 м. Подача забойки в скважины может также осуществляться механизированным способом аналогично подаче взрывчатого вещества.

Наклонные скважины с углом наклона менее 55° заряжают только патронированными взрывчатыми материалами. Забойка таких скважин производится также, как это опи­ сано выше.

В длинных скважинах и в скважинах с рассредоточенным зарядом для повышения эффективности взрывания вдоль скважины прокладывают детонирующий шнур.

При скважинном способе ведении взрывных работ наибольшее распространение получило электрическое взрывание зарядов с использованием электродетонаторов мгно­ венного и короткозамедленного действия. При сплошном заряде скважины в скважину вводится один боевик, содержащий один или два электродетонатора. В скважину боевик вводится когда в скважину уже заряжено 80 -85 % от полного заряда взрывчатого вещества и остальная часть заряда подается в скважину после ввода боевика. В скважинах с рассре­ доточенным зарядом боевики вводятся в каждую часть заряда.

При монтаже взрывной цепи скважинные заряды соединяются последовательно. При большом количестве одновременно взрываемых скважин возможно комбинированное со­ единение (последовательно-параллельное или параллельно-последовательное) скважинных зарядов.

При скважинном способе ведения взрывных работ взрывание зарядов может осу­ ществляться детонирующим шнуром. Такое взрывание применяется когда необходимо взо­ рвать несколько скважинных зарядов одновременно. Выходящие из скважин отрезки дето­ нирующего шнура монтируются в цепь, при этом возможно их соединение последователь­ но, параллельно или в пучок. Инициирование детонирующего шнура осуществляется обычно электродетонаторами, подсоединяемые к смонтированной цепи детонирующего шнура.

Огневое взрывание при скважинных зарядах применяется редко и только в случа­ ях, когда взрывается заряд одной скважины или когда надо взорвать группу скважин, но

при этом заряды взрываются последовательно по одному.

кг) количества взрывчатого вещества. В последнем случае дальнейшее заряжание котла может производиться не ранее, чем через 30 мин. после создания котла. Бурение исходной скважины производится так, как это рассмотрено выше. Заряжание котловых скважин, за­ бойка их и взрывание зарядов производятся аналогично рассмотренному выше при сква­ жинном способе ведения взрывных работ. Достоинством рассматриваемого метода по сравнению со скважинным методом заключается в лучшей проработке подошвы уступа и уменьшении выхода негабарита, т.к. на уровне подошвы уступа располагается более мощ­ ный заряд.

Шпуровой метод ведения взрывных работ применяется на открытых разработках весьма редко, главным образом, при малой высоте уступа, а также в тех случаях, когда производится селективная (раздельная) выемка полезного ископаемого, залегающего в виде небольших включений. Возможно применение шпурового метода на карьерах и для вспо­ могательных целей. Также очень редко применяется на открытых разработках камерный метод ведения взрывных работ. Поэтому и шпуровой, и камерный методы в рамках на­ стоящего курса лекций подробно не рассматриваются.

На открытых разработках достаточно широко применяется метод накладных за­ рядов для дробления негабаритов или валунов. Суть этого метода заключается в том, что заряд взрывчатого вещества располагается прямо на поверхности негабарита или валуна и присыпается забойкой. Во взрывчатое вещество помещают электродетонатор при электри­ ческом взрывании или зажигательную трубку при огневом взрывании.

Заканчивая рассмотрение рыхления горных пород при открытом способе разра­ ботки, следует обратить внимание на особенности ведения взрывных работ на карьерах. Прежде всего следует иметь ввиду, что развал взорванной породы должен быть достаточно кучным, что определяется небольшой шириной площадок уступов. Форма и размеры разва­ ла породы должны соответствовать параметрам погрузочных машин (например, высота развала не должна превышать высоту черпания экскаватора). Площадки и откосы уступов должны принимать в результате взрыва проектные отметки, размеры и форму.

Объем разрыхленных горных пород при взрыве должен обеспечивать работу по­ грузочных машин в течение продолжительного времени, т.к. взрывные работы на карьерах требуют большого объема подготовительных работ: удаление оборудования в безопасное место, демонтаж транспортных средств, снятие линий электропередач и связи и т.п. Поэто­ му, как правило, взрывные работы ведутся довольно значительными участками по длине

уступа. Нередко производятся массовые взрывы, которые обеспечивают погрузочное обо­ рудование разрыхленной породой на несколько месяцев работы. При этом масс взрывчатых веществ может достигать нескольких сотен тонн.

3.1.5. Гидравлическое ослабление пород.

Гидравлическое ослабление горных пород применяется на карьерах, разрабаты­ вающих плотные глины. Суть этого способа подготовки пород к выемке заключается в том, что в породы бурятся шпуры, через которые в глину нагнетается под давлением вода. Под воздействием воды глина увлажняется, становится размягченной. Дополнительно к этому вода играет роль смазки при внедрении в нее исполнительных органов выемочно­ погрузочных машин.

3.2. Выемка и погрузка горных пород.

Выемочно-погрузочные работы на карьерах заключаются:

в непосредственном отделении от массива вскрышных пород, имеющих невысокую прочность, и погрузке их на транспортные средства или непосредственно в отвал;

внепосредственном отделении от массива полезного ископаемого, имеющего невысокую прочность, и погрузке его на транспортные средства;

впогрузке вскрышных пород, предварительно разрушенных буровзрывными работами, и погрузке их на транспортные средства или непосредственно в отвал;

впогрузке полезного ископаемого, предварительно разрушенного буровзрывными рабо­ тами, и погрузке его на транспортные средства.

Наиболее широко на карьерах для выполнения выемочно-погрузочных работ при­ меняются экскаваторы. Сегодня промышленностью выпускаются экскаваторы двух типов:

-одноковшовые экскаваторы циклического действия; многоковшовые экскаваторы непрерывного действия.

Одноковшовые экскаваторы циклического действия в свою очередь делятся на экскаваторы с жестким закреплением ковша (прямая механическая лопата и обратная меха­ ническая лопата) и на экскаваторы с гибкой подвеской ковша (драглайны, грейферы). Мно­ гоковшовые экскаваторы в свою очередь подразделяются на цепные и роторные.

Кроме экскаваторов для выполнения выемочно-погрузочных работ применяются скреперы и бульдозеры.

3.2.1. Выемочно-погрузочные работы с применением прямой механической лопа­

ты.

Прямая механическая лопата предназначена для выемки и погрузки вскрышных пород или полезного ископаемого, залегающих выше уровня установки экскаватора. В на­ стоящее время промышленностью выпускаются экскаваторы на гусеничном, рельсовом, колесном ходу. Прямая механическая лопата в карьерах применяется, главным образом на гусеничном ходу. Конструктивно прямая механическая лопата (рис. 3.3) состоит из кабины, установленной на поворотной платформе. На платформе шарнирно закреплена стрела, удерживаемая тросами под углом 40 - 60° к горизонту. На стреле через механизм подачи закреплена рукоять, на конце которой жестко закреплен ковш. За счет механизма подачи рукоять может перемещаться относительно стрелы. Кроме того, рукоять с ковшом может подниматься тросом. Применяемые на карьерах прямые механические лопаты имеют ков­ ши объемом до 20 м3 Кабина экскаватора вместе со стрелой и рукоятью с ковшом имеет возможность поворачиваться вокруг своей оси на 360°.

Рис. 3.3. Прямая механическая лопата с нижней погрузкой при работе без предварительного взрывного рыхления пород.

Прямая механическая лопата - экскаватор циклического действия. Цикл работы экскаватора включает набор породы в ковш, поворот ковша к месту разгрузки и подъем его на высоту разгрузки, разгрузку породы в транспортные средства или непосредственно в от­ вал, возвращение ковша в исходное положение. Экскаватор может работать как с нижней погрузкой, так и с верхней. Нижняя погрузка предполагает расположение транспортных средств на той же рабочей площадке, на которой установлен экскаватор (рис.3.3). Верхняя