ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТЕХНОЛОГИИ ОТКРЫТЫХ ГОРНЫХ РАБОТ И ГРАНИЦАХ КАРЬЕРА.
Классификация по мощности
Мощностью залежи определяется способ ее выемки. Различают залежи большой, средней, малой и весьма малой мощности. Пологие залежи характеризуются вертикальной мощностью, а наклонные и крутые - горизонтальной мощностью.
Пологие залежи весьма малой мощности (2-Зм) целесообразно разрабатывать погрузчиками, шнекобуровыми машинами и др. Пологие залежи малой мощности (4-20м) разрабатываются одним уступом, залежи средней мощности (15-40м) - двумя уступами и залежи большой мощности (более 40м) - тремя уступами и более.
При разработке наклонных и крутых залежей весьма малой (10-20м) и малой мощности (20-70м) начинать выемку очередного слоя залежи возможно только после полной выемки лежащего выше слоя (рис. 1.5). Для залежей средней мощности (60- 100м) начинать выемку очередного слоя возможно и при неполной выемке лежащего выше слоя. При большой мощности залежи (100-150м) одновременно можно вынимать несколько слоев.
(Способы разработки месторождений.Понятия карьер, разрез прииск.Основные элементы карьера и уступа. Коэффициент вскрыши. Преимущества и недостатки открытого способа разработки).
2.1 СПОСОБЫ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
Основными способами разработки месторождений являются: открытый, подземный (в вариантах шахтный и скважинный) и подводный.
Открытые горные работы – комплекс работ, осуществляемых для добычи полезных ископаемых непосредственно с поверхности земли с использованием открытых горных выработок.
Открытые горные работы наиболее древняя область деятельности человека по извлечению полезных ископаемых из недр Земли.
Исторически этапами открытых горных работ можно считать:
· собирательство полезных минералов и каменного сырья с поверхности земли (ранний неолит, 2,5 млн. –35 тыс. лет назад);
· целенаправленное выкапывание минералов и каменного полуфабриката с поверхности земли;
· выемка их из недр с помощью ям, канав и траншей,
· уступная разработка месторождений котлованами значительных размеров с оставлением между ними участков массива пород.
Древние открытые разработки котлованами типа карьеров достигали длины до 100 м и более и глубины 20-30 м. Древнейший медный карьер в урочище Кенгазган (Центральный Казахстан) имел длину около 500 м, ширину до 100 м и глубину до 18 м. На Синайском полуострове (долина Карич) древний медный карьер представлял собой котлован длиной около 100м, шириной 10 м и глубиной 9 м.
Отбойку руды от массива выполняли вручную, силой воды, пожегом, замораживанием воды, клиньями и др.
Для измельчения медных и серебряных руд использовали специальные устройства (орастры). В кольцевой каменной яме с выпускными отверстиями для измельченной руды дробление осуществляли перекатыванием огромных отесанных камней, прикрепленными цепями к вращающейся крестовине.
Карьерным транспортом являлись ручные тележки и повозки с конной тягой.
Первый буровой станок описал Леонардо Да-Винчи, (1500 г) На смену порохам пришел динамит. Появилась возможность предварительного рыхления скальных и полускальных пород.
В 1831 г В Отис (США) патентует одноковшовый паровой экскаватор на рельсовом ходу. Появляется возможность использования для вывоза из карьера горной массы железнодорожным транспортом.
В 1844 – 1849 г появляются буровые станки канатно-ударного и вращательного действия (Франция).В 1861 г появились - пневматические поршневые перфораторы. В 1884 г – электрические станки для бурения скальных пород.
В 1860 г француз инженер М. Кувре создает многоковшовый экскаватор. В 1863 г в Новой Зенландии началось использование драг для добычи золота.
Начиная с 40–х годов 20 века открытый способ разработки стал развиваться опережающими темпами. К этому времени завершается переход к механизированному производству, основанному на внедрении станков пневмоударного, шарошечного и огневого бурения, многорядного короткозамедленного взрывания, нового ассортимента ВВ, машин для заряжания и забойки скважин, мехлапат и драглайнов с большой вместимостью ковша, роторных комплексов, электровозов переменного тока, тепловозов и думпкаров высокой грузоподъемности, автомобильного и конвейерного транспорта и гдромеханизации.
В настоящее время на долю открытых горных работ приходится 40-70% добычи угля, руд черных и цветных металлов, горно-химического сырья и нерудных строительных материалов.
Открытым способом также разрабатываются все уникальные месторождения алмазов (5 карьеров) и добывается около 20% урана.
Крупнейшие карьеры России и мира:
| Карьер | Страна | Полезное ископаемое | Производительность,млн.т/год | Вскрыша, млн.т. |
| «Богатырь» | Казахстан, Экибастуз | Кам. уголь | 23,5* | |
| «Маунт-Райр» | Канада | Жел. руда. | ||
| «Фортуна» | Германия | Бур. уголь | 42,5 | 82,2* |
| «Минтак» | США | Жел. руда | 9,1 | |
| «Фриммерсдорф» | Германия | Бур. уголь | 35,9 | 108* |
| «Ингулецкий» | Украина, Кривой рог | Жел. руда | 34,8 | 22,5 |
| «Южный» | Жел. руда | 33,9 | 31,6 | |
| «Лебединский» | Россия | Жел. руда | 33,4 | 38,2 |
| «Баженовский» | Россия, Урал | Асбест | ||
| «Центральный» | Россия, Кольский п-ов | Апатит | ||
| «Березовский» №1 | Канско-Ачинский | Кам. уголь | 55 (проект) | Н.д. |
| «Сарбайский» | Казахстан | Жел. руда | 21,5 | 83,3 |
2.2. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ТЕРМИНОЛОГИЯ ОТКРЫТОЙ РАЗРАБОТКИ.
Карьер – горное предприятие, ведущее разработку месторождения открытым способом.
Карьер – совокупность открытых горных выработок (траншей и заходок различного назначения), выработанного пространства, отвалов, транспортных и энергетических коммуникаций и средств механизации горных работ, обеспечивающих добычу полезного ископаемого заданной номенклатуры в заданных объемах и заданного качества..
Карьер, предназначенный для добычи угля, называется – разрез,для добычи россыпных полезных ископаемых – прииск.
Месторождение или его часть, разрабатываемом одним карьером, называется карьерным поле.
Участок земной поверхности, занимаемый карьером, его службами и цехами называется земельным отводом (Рис. 1)
Карьерные поля разрабатывают горизонтальными слоями. Слои вынимают сверху вниз, начиная с поверхности. Выемка верхних слоев всегда опережает выемку нижних. Поэтому в процессе разработки боковые стенки карьера (борта карьера) приобретает уступную форму, (Рис 2.2).
Сверху карьер ограничен земной поверхностью. Ступенчатая поверхность, ограничивающая карьер с боков называется бортами карьера. Горизонтальная (реже наклонная) поверхность, ограничивающая карьер снизу, называется подошвой карьераили дном карьера.
Линия пересечения бортов карьера с земной поверхностью называют верхним контуром карьера, а с дном карьера – нижним контуром карьера.
Откос борта карьера - условная поверхность, проходящая через верхний и нижний контуры карьера.
Угол откоса борта карьера - угол, образуемый откосом борта карьера и горизонтальной плоскостью, проходящей через подошву карьера. Угол откоса рабочих бортов карьера зависит главным образом то ширины рабочих площадок и высоты уступов и составляет от 50 до 300, преимущественно 70 – 120, а нерабочих 150 - 55°.
Борт карьера, на котором производятся горные работы, называется рабочим бортом. В процессе ведения горных работ рабочий борт карьера перемещается в пространстве.
Борт карьера, на котором горные работы не производятся и он достиг конечных границ карьера называют нерабочим бортом. На нерабочем борту располагаются предохранительные и транспортные бермы
Глубиной карьера - расстояние в метрах по вертикали между усредненной отметкой земной поверхности и дном карьера.
Положение верхнего и нижнего контура карьера, а также глубина карьера при разработке наклонных и крутых залежей постоянно изменяются. Контуры карьера, соответствующие моменту окончания работ в нем горных работ называются конечными. Им соответствуют конечная глубина и конечные размеры карьера в плане.
Конечный контур карьера в плане на земной поверхности называют также техническими границами карьера.
Участок недр переданный для разработки одному карьеру называют горным отводом
2.3 ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ УСТУПА
Как вскрышные работы, так и добыча полезных ископаемых (в том числе и угля) в карьерах производятся, как правило, горизонтальными слоями, называемыми уступами. При этом верхние уступы отрабатываются с опережением по отношению к нижним. Отработка уступами ведется с целью более удобной и безопасной работы в забоях.
К основным элементам уступа относятся Рис 2.3: - верхняя и нижняя площадки, верхняя и нижняя бровки, откос, угол откоса и высота уступа.
Верхняя и нижняя площадки — горизонтальные плоскости, ограничивающие уступ сверху и снизу. Верхняя и нижняя бровки — линии пересечения откоса уступа соответственно с верхней и нижней площадками. Откос уступа-наклонная поверхность уступа между нижней и верхней бровками уступа. Угол откоса - угол, образуемый откосом уступа с горизонтальной плоскостью.
Угол откоса уступа обычно 60—70° в породах средней крепости, 80 - 900 – скальных, 25-300 -в песчаных породах. Угол откоса взорванной породы составляет обычно 25—30°
Высота уступа — нормальное расстояние между верхней и нижней площадками.
Высота уступа устанавливается в зависимости от рабочих размеров применяемого оборудования, физико-механических свойств пород, параметров буровзрывных работ. При применении экскаваторов типа прямая механическая высота уступа принимается 10—30 м, драглайнов — 20—40 м, цепных многочерпаковых экскаваторов— 15—30 м и роторных экскаваторов— 12—50 м.
Уступ по высоте может быть разделен на два подуступа.
Подуступ - часть уступа по его высоте, разрабатываемая самостоятельными средствами выемки, но обслуживаемая транспортом, общим для всего уступа.
Уступ, на котором производится выемка пород или добыча полезного ископаемого называется рабочим. Площадка рабочего уступа, на которой размещается выемочно-погрузочное оборудование называется рабочей. Свободная площадка называется нерабочей. Ширину рабочей площадки принимают в 2—4 раза больше высоты уступа.
Нерабочие уступы разделяют горизонтальными площадками малой ширины называемые предохранительными бермами.
Берма -горизонтальная площадка на нерабочих участках бортов карьера, разделяющая смежные по высоте уступа. Различают бермы предохранителные и транспортные.
Назначение предохранительных берм — повышать устойчивость борта карьера и предохранять рабочие горизонты карьера и дно карьера от случайного падения на них отдельных кусков породы с верхних уступов. При погашении уступов они оставляются шириной не менее 1/3 расстояния по вертикали между смежными бермами, но не более чем через каждые три уступа. Предохранительные бермы обычно отстраиваются горизонтальными в поперечном и продольном сечении и их поверхность совпадает с отметками рабочих горизонтов. (наклонные в продольном направлении предохранительные бермы обычно обустраивают только в глубоких карьерах круглой формы, что позволяет снизить объём вынимаемых пород на 6-15%). В глубоких карьерах на нерабочем борту могут обустраиваться предохранительные бермы увеличенной ширины для механизированной зачистки осыпавшихся пород.
Транспортные бермы (Рис.2.4, б) предназначаются для размещения на них транспортных путей (дорог) для соединения рабочих горизонтов с капитальными траншеями их ширина выбирается в зависимости от вида транспорта, ширины колеи и числа путей или полос движения.
При открытой разработке месторождения выемка пород в уступе производиться последовательными параллельными полосами по направлению движения забоя или перпендикулярно к нему. Породная полоса в пределах определенного участка уступа, отрабатываемая за один проход выемочного оборудования (экскаватора, погрузчика) называется заходкой. По расположению относительно фронта работ уступа заходки подразделяются на - продольные – ориентированные вдоль фронта работ уступа и - поперечные – ориентированные перпендикулярно фронту. Тип заходки обуславливается применяемым видом транспорта: - продольные возможны при любых видах транспорта; - поперечные при автомобильном и конвейерном.
Часть заходки по длине, разрабатываемая самостоятельными средствами отбойки и выемки, называют блоком. Часть заходки, на которой расположены действующие блоки, называют фронтом работ уступа. Суммарная протяженность фронтов работы уступов называется фронтом работ карьера.
Открытая горная выработка, имеющая значительную длину по сравнению с шириной и глубиной, называется траншеей. Сечение траншеи трапециевидное. Боковые поверхности траншеи называются бортами, а нижняя поверхность — дном.
Траншеи бывают капитальные и разрезные. Капитальной траншеей называется наклонная траншея, с помощью которой осуществляется связь рабочих уступов с земной поверхностью. Разрезной называется горизонтальная траншея, предназначенная для создания первоначального фронта работ на уступе.
2.4. КОЭФФИЦИЕНТ ВСКРЫШИ
Добыча полезных ископаемых открытым способом сопровождается удалением из контуров карьера определенного объема вскрышных пород. Количество вынимаемой пустой породы, приходящееся па единицу добываемого полезного ископаемого, называется коэффициентом вскрыши. В зависимости от единиц измерения различают коэффициенты вскрыши объемные ( м3 / м3 ) ; весовые ( т / т ); смешанные ( м3 / т ).
В практике проектирования и эксплуатации карьеров наиболее широко используют коэффициенты вскрыши: средний, эксплуатационный, текущий, контурный и граничный.
Средним коэффициентом вскрыши kср называется отношение общего объема пустых пород в конечных контурах карьера Vв к отрабатываемым запасам полезного ископаемого Vи в этих же контурах (Рис. 2.4):
, м3 / м3
Эксплуатационный коэффициент вскрыши выражает отношение объемов пустых пород Vвс к запасам полезного ископаемого Vис отрабатываемым за период эксплуатации карьера:
, м3 / м3
Текущий коэффициент вскрыши выражает отношение объема пустых пород Vтв к запасам полезного ископаемого Vти , отрабатываемым в определенный период времени (год, квартал, месяц)
, м3 / м3
Контурный коэффициент вскрыши определяет отношение объемов пустых пород SDVв к извлекаемым запасам полезного ископаемого SDVи , прирезаемым к карьеру при расширении его контуров в плане или при его углублении
, м3 / м3
Граничным коэффициентом вскрыши называется максимально допустимый коэффициент вскрыши по условиям экономичности открытых горных работ на данном месторождении. Он определяет максимально допустимый объем вскрыши, который может быть удален из карьера для добычи единицы полезного ископаемого. Величина граничного коэффициента вскрыши определяется па основании сравнения допустимой себестоимости полезного ископаемого Сд и полной себестоимости полезного ископаемого при открытом способе разработки месторождения Сп.
Себестоимость полезного ископаемого, добытого открытым способом, руб. / м3
,
где Зд — затраты на добычу полезного ископаемого (без учета затрат на вскрышные работы), руб. / м3 ; Зв — затраты на выемку пустых пород, руб. / м3;
kв — коэффициент вскрыши, м3 / м3 .
Экономичность открытого способа разработки месторождения обеспечивается, если Сп £ Сд . При Сп = Сд kв = kг . В этом случае граничный коэффициент вскрыши
,
 |
При определении граничного коэффициента вскрыши в качестве допустимой себестоимости может приниматься прогнозируемая цена полезного ископаемого на рынках минерального сырья или полная себестоимость подземной разработки данного месторождения.
2.5. ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ ОТКРЫТОГО СПОСОБА РАЗРАБОТКИ.
Открытая разработка месторождений полезных ископаемых имеет следующие преимущества перед подземной: более высокая безопасность труда; производительность труда значительно выше, а себестоимость добычи 1 т полезного ископаемого намного ниже, чем при подземных разработках; лучшие технико-экономические показатели: сроки строительства карьеров меньше сроков строительства подземных рудников равной производительности, более высокие качественные показатели разработки месторождений и более полное извлечение полезного ископаемого из недр, более благоприятные условия для ведении селективной добычи полезного ископаемого.
Основными недостатками открытых горных работ являются: наносимый ущерб окружающей среде, связанный с необходимостью отчуждения значительных земельных площадей: воздушного и водного бассейнов районов разрабатываемых месторождений; зависимость от климатических и метеорологических условий; необходимость вложения больших капитальных затрат и короткие сроки при строительстве глубоких ( свыше 800 м) карьеров.