4.7. Развитие рабочей зоны карьеров при углубочиых горнотраиспортных системах

При разработке наклонных и крутых месторождений горные работы ве­дутся в пределах рабочей зоны, высота которой имеет переменное значение, ко­торое систематически изменяется в течение всего срока эксплуатации карьера (рис. 1.73). Отработка пластовых месторождений может осуществляться с углубкой горных работ по контурам предельных границ карьерного поля, по лежачему или висячему бокам рудной залежи или же по ее середине. Как видно из приведенных схем заложения разрезной траншеи (положение С\, Сі и С₃), освоение проектной производственной мощности по добыче полезного ископа­емого достигается при выходе рабочих бортов карьера на границы лежачего и висячего боков месторождения с горизонтальной мощностью т, (м) (положение

А,,СиД\).

Работа карьера с постоянной установленной производительностью по полез­ному ископаемому и максимальной выемкой пород вскрыши ведется при выходе рабочих бортов на граничные контуры карьерного поля но поверхности шириной В_к (м) (положение А і, Сі, Ді). Доработка месторождения с затуханием производи­тельности по полезному ископаемому и вскрыше производится при достижении предельной глубины карьера (положение А₃, С₃,Д₃). Значения высоты рабочей зоны по периодам разработки в целом Н_р: - Н_р1 (м) и для полезного ископаемого h_pi - И,,з (м) существенно зависят от углов наклона рабочих бортов по лежачему и висячему бокам месторождения а_рл и а_р„ (град) и определяются по приведенным зависимо­стям соответственно для каждой из схем (табл. 1.15).

Рис. 1.73. Схемы к определению параметров рабочей зоны глубоких карьеров в разрезе: а, б - при вскрытии месторождения по контуру карьерного поля со стороны лежачего и ви­сячего боков залежи; в, г - по почве и кровле залежи; д - по ее середине с пологими углами откосов; е - по ее середине с крутонаклонными углами откосов

Направление углубки но середине залежи (см. рис. 1.73, д, е) позволяет производить добычные работы с минимальными текущими объемом выемки пород вскрыши и шириной рабочей зоны в поперечном разрезе (положение В\ - В_ъ). Вследствие этого при понижении горных работ возможен возрастающий график режима вскрышных работ. С увеличением значения а_р существенно увеличивается высота рабочей зоны при определенном снижении текущих объ­емов выемки пород вскрыши. При значениях ос,,, близких к проектным углам откосов бортов карьерного поля Д, (град), высота рабочей зоны Н_р2 достигает максимальной величины, близкой к предельной глубине карьера Н_к (м). Однако небольшие значения В, - S_t по сравнению с В_к отрицательно сказываются на возможности размещения транспортных коммуникаций, особенно железных дорог. В этих условиях наиболее благоприятным является вскрытие рабочих горизонтов автомобильными скользящими съездами.

Годовая производительность карьера А_рг (м³) по полезному ископаемому в первом периоде определяется по формуле

где Кф - коэффициент формы залежи в плане, Кф = 0,7 - 0,9; т,, L„ - горизон­тальная мощность и длина пласта по простиранию, м; - высота рабочей зоны по полезному ископаемому, м; Q_3i - годовая производительность добычного экскаватора, м³/год; h_y - высота добычного уступа, м; в_э - ширина рабочей пло­щадки, м; а_г - угол откоса добычного уступа, град; /_э - длина экскаваторного блока, м.

Расстояние транспортирования горной массы 1_тр (м) по борту карьера со­ставляет

где Н_р\ - высота рабочей зоны в течение первого периода разработки месторож­дения, м; К_щ, - коэффициент развития трассы, м; i_p - руководящий подъем пути,

о/ /00.

В течение второго периода разработки месторождения производитель­ность карьера по добыче полезного ископаемого остается постоянной. Произво­дительность по горной массе изменяется в соответствии с темпом понижения горных работ и определяется из выражения

где К,„ - текущий коэффициент вскрыши, м³/м³.

Длина транспортирования горной массы по борту карьера в течение вто­рого периода разработки составляет

где hp₂ - высота рабочей зоны по полезному ископаемому в течение второго пе­риода разработки, м.

В процессе развития рабочей зоны карьера производится последователь­ное вскрытие и разработка нижележащих горизонтов для освоения проектной производственной мощности по добыче полезного ископаемого и поддержания ее в заданных пределах. Регулирование объемов разработки горных пород воз­можно путем соответствующей ориентации фронта горных работ в горизон­тальном и вертикальном направлениях.

В общем случае направление отработки глубоких карьеров возможно по одной из приведенных на рис. 1.74, а схем или их комбинаций. В присвоенном шифре первой цифрой обозначен порядковый номер схемы, второй - угол паде­ния залежи (1 - а = 35 - 70°; 2 - а = 70 - 90°; 3 - а = 35 - 90°), третьей - приме­няемый вид транспорта (1 - автомобильный, 2 - железнодорожный, 3 - конвей­ерный; 4, 6, 8, 10, 12 - комбинированный, автомобильно-жслезнодорож-ный; 5, 7, 9, 11 комбинированный, автомобильно-конвейерный); в скобках указан воз­можный вид транспорта.

Схема 1-1-3 предусматривает продольную подготовку и поперечную от­работку карьерного поля с выемкой горной массы горизонтальными слоями. Разрезные траншеи должны быть пройдены по борту карьера со стороны лежа­чего бока залежи. Направление горных работ развивается к противоположному борту карьера.

Схема 2-3-3 характеризуется поперечной подготовкой и продольной отра­боткой карьерного поля с выемкой горной массы горизонтальными слоями. Раз­резные траншеи предусматриваются в одном из горцов карьера и направлением движения фронта горных работ к противоположному торцу карьера.

Рис. 1.74. Схемы отработки глубоких карьеров в плане (а) и графики изменения объемов выемки пород вскрыши IV в период отработки Г залежи полезного ископаемого (б)

Схема 3-1-2 предусматривает продольно-поперечную подготовку карьерного поля с размещением разрезной траншеи в одном из его углов н направлением пе­ремещения фронта горных работ к противоположному горцу и борту карьера. Эта схема наиболее характерна для применения железнодорожного транспорта на дей­ствующих карьерах. Участок фронтального борта и торец отстраиваются в пре­дельном положении с размещением постоянных транспортных коммуникаций.

Схема 4-3-1 характеризуется поперечной подготовкой без разрезных траншей и продольной отработкой карьерного поля. Вскрытие горизонтов осу­ществляется временными автомобильными съездами и созданием первоначаль- ного разрезного котлована. Направление движения фронта горных работ - от середины залежи к торцам карьера по ее простиранию. Подвигание горных ра­бот вкрест простирания производится в пределах, обеспечивающих требуемую интенсивность углубки карьера.

Схема 5-3-1 аналогична схеме 4 и отличается вскрытием горизонтов в торцах карьера с перемещением фронтов горных работ по простиранию залежи от флангов навстречу друг другу.

Схема 6-3-4 (5) предусматривает поперечную подготовку без разрезных траншей и продольную отработку карьерного поля. Углубка карьера интенсивно производится до конечной глубины с последующим перемещением фронта гор­ных работ от одного из флангов к противоположному с внутренним отвалообра- зованием пород вскрыши.

Схемы 7-2-2 (3) и 5-2-2 (3) характеризуются продольной подготовкой и поперечной отработкой карьерного поля. Место заложения разрезных траншей - по цен тру залежи полезного ископаемого (схема 7) и по ее лежачему боку (схе­ма 8). Направление перемещение фронта горных работ - к бортам карьера. Транспортные коммуникации располагаются на верхних горизонтах, отстроен­ных в предельном положении.

Схема 9-2-7 предусматривает отработку карьерного поля широкими пане­лями и характеризуется продольной подготовкой путем заложения разрезных траншей по цен тру залежи с поперечной отработкой карьерного поля от центра к его боргам. Каждый горизонт разделяется по простиранию залежи полезного ископаемого на несколько участков - панелей с самостоятельными средствами разработки и смещением фронта горных работ относительно друг друга.

Схемы 10-3-1 и 11-3-2 предусматривают отработку карьерного поля диаго­нальными блоками, ориентированными под углом к простиранию залежи полезно­го ископаемого. Вскрытие горизонтов по схеме 10 производится автомобильными съездами с размещением первоначального разрезного котлована в одном из торцов карьера, по схеме П-в торце и части прилегающего борта. Развитие фронті гор­ных работ производится к противоположному торцу карьера. По схеме 11 вскры­тие горизонтов производится общей внутренней траншеей с тупиковыми железно­дорожными съездами. Транспортные коммуникации располагаются на отстроен­ном в предельном положении торце карьера и прилегающей части борта.

Схема 12-3-4 характеризует отработку карьерного ноля очередями с попе­речной подготовкой без разрезных траншей и продольной выемкой полезного ископаемого. Направление движения фронта горных работ - от одного из тор­цов к противоположному.

Горно-геометрический анализ представленных схем развития фронта гор­ных работ (см. рис. 1.74, б) показывает, что наименьшие текущие объемы вскрышных работ при одинаковой производственной мощности карьера выпол­няются за счет формирования в одном из торцов карьерного поля уступов в по­стоянном проектном положении и перемещении фронта горных работ по вскрыше под углом к продольному направлению залегания залежи (см. рис. 1.76, а, схемы 10-3-1 и 11-3-2).

С развитием горных работ в глубину изменяются расстояние транспор­тирования горной массы, объемы и направление грузопотоков, конструкция погрузочно-транспортного оборудования и средства механизации вспомога­тельных процессов. В соответствии с этим изменяется и эффективность при­менения каждого способа транспортирования. Поэтому выбор рациональной транспортной схемы на действующем карьере необходимо производить с уче­том существующего развития рабочей зоны, имеющихся транспортных средств и механизмов по переработке горной массы. Выбор рациональных параметров погрузочно-транспортного оборудования в глубоких карьерах заключается в определении объемов работ по видам перевозки, которые обеспечивают мини­мум суммарных капитальных и эксплуатационных затрат, приведенных к од­ному моменту оценки. В общем случае эта задача решается путем выбора наиболее экономичного маршрута. Для ее решения могут быть использованы методы динамического программирования и теории графов. Задача выбора наиболее экономичного маршрута заключается в нахождении маршрута, начи­нающегося и заканчивающегося в фиксированных пунктах сети. Этому марш­руту должно соответствовать минимальное значение затрат (по сравнению с остальными маршрутами).

Задача определения наиболее экономичного маршрута сводится к задаче выбора кратчайшего маршрута между двумя пунктами, которая известна под названием задачи о кратчайшем пути [18]. Она решается с помощью сетевого графика (рис. 1.75), на котором узлы обозначают технологические процессы, а дуги - приведенные затраты на их выполнение. Б, В, Э, Г, Д - соответственно процесс бурения, взрывания, экскавации, грохочения и дробления горной мас­сы; Т_а, Г_ж, Т_с, Г_к, Г„ - соответственно процессы транспортирования горной мас­сы автосамосвалами, железнодорожными составами, скиповыми подъемниками, ленточными конвейерами, специальными видами транспорта; //,„ П_к, П, - соот­ветственно процессы перегрузки горной массы при автотранспорте, конвейер­ных и скиповых подъемниках; Ф - приемный бункер фабрики первой стадии дроблення; М,У— склад дробленой руды и породы соответственно; С - станция "Отвальная"; Q,„ Q₀, Q_K, Q„ - соответственно процессы отвалообразования с применением автосамосвалов, экскаваторов, консольных отвалообразователей и специальных приспособлений; m - этапы разработки.

Математическая модель задачи имеет вид

при ограничениях

где fjj - пропускная способность транспортной коммуникации или производи­тельность оборудования; q_tj - объем горной массы, вынимаемый на ;'-ом гори­зонте в /'-й период; з,/- удельные приведенные затраты.

Рис. 1.75. Сетевой график к определению эффективной схемы выемки и транспортирования горной массы

На сетевом графике этапы планируемой погрузочно-транспортной схемы могут рассматриваться через каждые 45-60 м по глубине карьера. На каждом этапе определяется оптимальная или близкая к оптимальной схема разработки рассматриваемых горизонтов карьера.

Текущая глубина карьера определяется по формуле

где «„ - планируемое годовое понижение горных работ, м; 7, - продолжитель­ность j-го периода, годы.

Величина принимается согласно календарному плану работы карьера. На каждом этапе сетевого графика методом динамического программирования выбирается оптимальный вариант. При этом выбор оптимальной схемы карьер­ного транспорта с помощью теории графов разделяется на два этапа. Вначале строится несколько локальных графов (в данной задаче граф разбивается на зо­ны, соответствующие добычным горизонтам), а затем на каждом графе устанав­ливается путь с минимальными затратами.

Алгоритм расчета состоит из трех этапов: предварительный расчет, кор­ректировка полученных значений, определение кратчайших маршрутов (т.е. маршрутов с минимальными затратами). Расчет сетевого графика выполняется по методу полного перебора заданных величин, который состоит в выполнении конечного числа шагов с целью выбора кратчайшего пути от начального собы­тия к конечному. Поскольку транспортные затраты в значительной степени за­висят от глубины разработки, то для достижения наилучших технико- экономических показателей работы карьера необходимо осуществлять планиро­вание всех технологических процессов на каждом этапе разработки в оптималь­ном режиме.