4.6. Формирование рабочей зоны карьеров при сплошных горнотранснортных системах

К изучаемой группе месторождений относятся пологие пласты и пласто- образные залежи полезных ископаемых, которые залегают под углом 0-10° Трудность добычи полезных ископаемых на них изменяется в широких преде­лах и определяется типом пород: от сыпучих до полускальных и скальных. К таким месторождениям относятся россыпи, несчано-гравийные смеси, огнеупо­ры, залежи железа, марганцевой и фосфоритовой руды, сланца и угля, карбо­натных пород, гранитов, кварцитов, мрамора и т.п. Подавляющее большинство покрывающих пород на них представлено сыпучими и мягкими разновидно­стями, а иногда и плотными, полускальными и скальными, что характерно для месторождений сланца, бурого угля и природного камня. Глинистые породы вскрыши часто вмещают крупнообломочный материал и, нередко, маломощные прослойки полускальных и скальных пород.

Мощность пластов полезных ископаемых изменяется от 2 - 4 м на место­рождениях марганцевой руды, карбонатных пород, россыпей цветных и драго­ценных металлов и камня, до 50 - 90 м - на залежах бурого угля. Мощность сыпучих, глинистых и мягких пород вскрыши на россыпях небольшая и изме­няется от 0,2 - 0,5 до 5 - 10 м; в отдельных случаях на скрытых россыпях мо­жет достигать 25 и более метров. Такие же приблизительно значения характер­ны для залежей природного камня. Мощность пород вскрыши на месторожде­ниях осадочных карбонатных пород в большинстве случаев не превышает 3-6 м, а на угольных и марганцеворудных - изменяется от 10 - 15 до 80 — 100 и бо­лее метров.

Мощность полускальных и скальных пород вскрыши на сланцевых, угольных и фосфоритовых месторождениях обычно изменяется в границах 10 - 40 м. При разработке пластообразных сланцевых и флюсовых залежей она со­ответственно составляет 2 — 4ми2-6м, а мощность пластов обычно не пре­вышает 10-15 м.

Для пластов угля, сланца, железных, марганцевых и фосфоритовых руд, а также очень широких россыпей (ширина свыше 500 м) характерны большие ка­рьерные поля. Размеры их в плане изменяются от 1 - 2 до 6 и более километ­ров. Месторождения могут разрабатываться одним карьерным полем или рас­пределяться на несколько отдельных полей. Вытянутые и округлые в плане ка­рьерные поля характерны при разработке песчано-гравийных и карбонатных месторождений, залежей природного камня, очень узких (по ширине до 20 м), узких (20 - 50 м), средних (50 - 150 м) и широких (150 - 500 м) россыпей. Наибольший размер таких карьерных полей редко превышает 1000 м.

Производительность карьеров изменяется в очень широком диапазоне и зависит не только от мощности залежей полезных ископаемых, но и от длины фронта горных работ, которая зависит от размеров карьера в плане, направле­ния перемещения добычных работ и количества одновременно отрабатываемых уступов. Так, годовая производительность карьеров по добыче россыпей, пес- чано-гравийной смеси и природного камня составляет несколько десятков или сотен м³ в год. На рудных предприятиях и горнохимического сырья она не пре­вышает 12-20 млн.т, а на угольных - колеблется от 0,1 - 0,5 до 30 - 60 млн.т. При этом производительность карьера обеспечивается принятым типом вые- мочно-погрузочного оборудования, соответствующими транспортными сред­ствами и организацией их совместной работы. В общем случае при обоснова­нии годовой производительности карьера по добыче полезных ископаемых А_к„ (м³) длина фронта горных работ на уступе Ьф определяется по соотношению

где /_Й1 - длина экскаваторного блока, м; n_vn - количество одновременно отра­батываемых уступов по полезным ископаемым; Q „ - годовая производитель­ность выемочно-погрузочной машины, м\

Производительность карьера по выемке пород вскрыши А_км (м'/год) за­висит от значения текущего коэффициента вскрыши ^к_т (м /м'¹) и обеспечивает­ся соответствующим количеством выемочно-погрузочного и транспортного оборудования. При этом длина фронта вскрышных работ па каждом из выше­лежащих уступов равна

В зависимости от мощности пластов полезных ископаемых и пород вскрыши в одновременной эксплуатации может находиться различное количе­ство уступов, высота которых определяется не только физико-механическими показателями и обводненностью горных пород, но и типом применяемого вые- мочно-погрузочного оборудования для их разработки. Характерным признаком сплошных горнотранспортных систем является размещение пород вскрыши в выработанном пространстве карьера, которое должно обеспечиваться соответ­ствующими способами вскрытия и подготовки уступов к эксплуатации с наименьшим из возможных расстояний до внутреннего отвала. Благодаря этому достигается низкая себестоимость добычных работ.

Подготовка карьерного поля к эксплуатации в общих случаях требует про­ведения вскрывающих и разрезных выработок. Однако в зависимости от мощ­ности покрывающих пород и залежей полезных ископаемых, типа выемочного оборудования и вида транспорта возможно частичное или полное отсутствие проведения тех или других подготовительных выработок. Так, при автомо­бильных перевозках роль разрезных траншей выполняют разрезные котлованы длиной до 40 м. При условии использования драглайнов для разработки основ­ного вскрышного уступа или при общей мощности пород вскрыши до 10 - 20 м можно полностью отказаться от вскрытия и подготовки нижележащих пластов полезных ископаемых весьма малой мощности. При таких технологических схемах полезные ископаемые перемещаются драглайном в склад или бункер, размещенный на поверхности разрабатываемых пластов, откуда самостоятель­ным видом транспорта доставляются к месту назначения. При применении бульдозеров и скреперов для разработки залежей весьма малой мощности с весьма малой высотой вскрышного уступа выработки вскрытия и подготовки не требуются. Использование же для выемочных работ мощных экскаваторов в комплексе с отвалообразоватслями, железнодорожными поездами и ленточны­ми конвейерами обязательно требуют проведения вскрывающих выработок на полную глубину своего применения и разрезных траншей - по всей длине фронта работ каждого уступа.

Рис. 1.71. Схема к расчету параметров рабочей зоны карьера при разработке пологих место­рождений: 1к, Зк; 1 р, 2р, Зр; 1в, 2в - соответственно положение панелей по полезному ископае­мому, вскрыше и во внутреннем отвале; 4 - внешний отвал при строительстве карьера.

Требования охраны окружающей среды и экономическая целесообраз­ность при использовании сплошных горнотранспортных систем разработки обусловливают применение организации складирования пород вскрыши в вы­работанном пространстве карьера. Из рис. 1.71 следует, что при использовании мощного выемочного транспортно-отвального оборудования с тупиковым раз­мещением вскрышного и добычного забоев один за друг им для подготовки ка­рьерного поля к эксплуатации нужно сформировать разрезную траншею с ши­риной дна в_г,„ (м), что обеспечивает минимально возможную первоначальную мощность карьера. При этом ширина траншеи по поверхности К,-, (м) определя­ется из уравнения

R„ = в_г,.„ + С₂ + HyCtgfi, + h,)Ctga_K+ С, +h_pctga,„

где С/, С₂ - соответственно ширина площадок безопасности между вскрышны­ми и добычными уступами и нижними бровками добычного уступа п нерабоче­го борта (отвала), м.

Горные работы ведутся специальным или, чаще всего, основным горно- гранспортным оборудованием. Размещается он за пределами карьерного поля во внешнем отвале. При дальнейшем перемещении фронта горных работ из по­род вскрыши панели 1в отсыпается первая внутренняя отвальная заходка I в, часть которой размещается на нерабочем боргу карьера. В этом случае ширина рабочей зоны по поверхности /?„(м) равна по формуле

где a,„«„,«„ - соответственно углы результирующего откоса добычных, вскрышных и отвальных уступов, град.

В основной период эксплуатации добычные панели могут обеспечивать как тупиковый, так и сквозной фронт работ, когда образуются подготовленные к выемке запасы полезных ископаемых нормированного размера. При последо­вательной разработке панели по залежи полезного ископаемого Зк вслед за пе­ремещением вскрышной панели 2р отсыпается вторая отвальная заходка 2в. При этом ширина рабочей зоны карьера по поверхности равна

При параллельном размещении панели Зк к перемещению вскрышной панели Зр

где К_ро - остаточный коэффициент разрыхления пород вскрыши в отвале, К_р,„= 1,05- 1,2.

Практика разработки мягких пород вскрыши показывает, что углы откоса рабочей зоны изменяются в очень большом диапазоне. Под действием поверх­ностных и подземных вод коэффициент сцепления и внутреннего трения резко снижаются, что приводит к уменьшению значения устойчивого угла откоса. Так, если угол естественного откоса мягких пород в среднем составляет а_р = 30°, то на карьерах Никопольского марганцеворудного, Александрийского бу- роугольного, Малышевского рассыпного титанового и других угол откоса ра­бочих бортов составляет 21.. .23°, для нерабочих - не превышает 35 - 45°, отва­лов - 12 - 23". Ширина выемочных панелей равна 40 - 80 м. В зависимости от величины производственной мощности карьера ежегодно отрабатывается по 2- 3 панели по полезному ископаемому и вскрышным породам на каждом уступе.

Рис. 1.72. Графики зависимости ширины рабочей зоны карьера по поверхности R от мощности по­крывающих пород h_r, высоты добычного уступа И,, и ширины выемочной панели «6.,,: 1 - начальное положение внутреннего отвала при h_p = 15 м; «,-, „ = 20 м; а_р = а,, = 38 - 40°; а„ =40°; 2 - период эксплу­атации с параллельным размещением вскрышной и добычной панелей при ; 3 - период эксплуатации з последовательным размещением вскрышной и до­бычной панелей при вб.,1 = 40 м; а„ = 17 - 18°; а„ = 22 - 23°

Из рис. 1.72 видно, что горнотехнические условия оказывают непосред­ственное влияние на выбор транспортно-отвального оборудования, которое

применяется при перемещении пород вскрыши из забоев к внутренним отва­лам. Ширина рабочей зоны, формируемой в конкретных условиях, обусловли­вает необходимый радиус разгрузки пород вскрыши в отвал драглайнами, кон­сольными отвалообразователями или транспортно-отвальными мостами. За пределами их действия все остаточные объемы пород вскрыши доставляют в отвалы различными видами карьерного транспорта. При этом как расстояние перемещения, так и объемы пород играют основную роль в экономическом обосновании применения конкретных горнотранспортных систем. Поэтому на весьма мелких карьерах (до 20 м) при разработке пород вскрыши весьма малой и малой мощности во всех случаях возможно отсыпать внутренние отвалы бульдозерами, скреперами и драглайнами небольших моделей без использова­ния специального транспорта. На мелких карьерах (21 - 50 м) такая же техно­логия обеспечивается путем применения мощных драглайнов, многоковшовых экскаваторов в комплексе с консольными отвалообразователями или транс­портно-отвальными мостами. Более глубокие карьеры с мощным покровом по­род вскрыши и залежей полезных ископаемых должны использовать комбини­рованные схемы формирования внутренних отвалов с применением разных ви­дов транспорта и способов отвалообразования.