Лекции открытые горные работы

ОТКРЫТЫЕ ГОРНЫЕ РАБОТЫ

1. Томаков П.И. Технология, механизация и организация открытых горных работ / П.И. Томаков, И.К. Наумов. - М.: Недра, 1991. - 401 с.
2. Открытые горные работы: Справочник / К.Н. Трубецкой, Н.Г. Потапов, К.Е. Виницкий и др.; Под ред. Р.С. Яруллина. – М.: Горное бюро, 1994. – 590 с.
3. Хохряков В.С. Открытые  разработки месторождений полезных ископаемых / В.С. Хохряков. - М.: Недра, 1982. - 350 с.
4. Ржевский В.В. Технология и комплексная механизация открытых горных работ / В.В. Ржевский. - М.: Недра, 1982. - 610 с.
5. Мельников Н.В. Краткий справочник по открытым горным работам / Н.В. Мельников. - М.: Недра, 1982. - 600 с.
6. Ванжа Ю.П. Расчет основных параметров карьера: Учеб. для вузов /Ю.П.Ванжа. – СибГИУ. – Новокузнецк 1998. – 101с.
7. Ялтанец И.М.Практикум по открытым горным работам: Учеб. пособие для вузов/ И.М.Ялтанец, м.И.Щадов. – М.: МГУ, 1996. – 407с.

 

СУЩНОСТЬ ОТКРЫТЫХ ГОРНЫХ РАБОТ  И ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Горные работы, производимые непосредственно с земной поверхности в открытых горных выработках (в траншеях или полутраншеях), носят название открытых горных работ.

Основной целью открытых горных работ является разработка месторождений  полезных ископаемых. Способ разработки месторождений полезных ископаемых с применением открытых горных работ называется открытым способом.

Горное предприятие, осуществляющее добычу полезного ископаемого открытым способом, называется карьером. В практике открытой разработки угольных и россыпных месторождений вместо термина "карьер" применяют название "разрез" и "прииск".

В процессе производства открытых горных работ земная поверхность месторождения нарушается и образуется выработанное пространство, ограниченное искусственно созданной поверхностью. Это выработанное пространство, представляющее собой совокупность горных выработок, также носит название "карьер".

Значительные объемы, покрывающих и вмещающих полезное ископаемое горных пород, которые называются вскрышными, или вскрышей. Полезное ископаемое и вскрыша вывозятся из карьера на поверхность или размещаться в его выработанном пространстве.

Разработка массива горных пород (вскрыши и полезного ископаемого) в границах карьера производится горизонтальными или слабонаклонными слоями. Слои обычно отрабатываются параллельно с некоторым отставанием работ в пространстве и во времени на лежащем ниже слое. Таким образом, боковая поверхность карьера приобретает ступенчатую форму. Необходимость разделения разрабатываемого массива горных пород на слои определяется последующими факторами:

• ограниченными параметрами  горных машин, осуществляющих выемку (разработку) горных пород в пределах слоя;

• наличием в разрабатываемом  массиве слоев, имеющих различные физико-технические и качественные характеристики;

•  повышенной опасностью обрушения обнаженного массива  горных пород значительной высоты.

По виду применяемого оборудования различаются экскаваторный  и гидравлический способы производства открытых горных работ. Экскаваторный способ является универсальным. При экскаваторном способе применяется различное оборудование - буровые станки, рыхлители, экскаваторы, погрузчики, скреперы, бульдозеры, колесный и конвейерный транспорт. При гидравлическом способе основные производственные процессы осуществляются энергией движущейся воды. Для этой цели применяется специальное оборудование - гидромониторы, землесосы и др. Гидравлический способ разработки применяется только в благоприятных горно-геологических и климатических условиях (в основном при разработке рыхлых пород, наличии достаточного количества воды и площадей для размещения пород в гидроотвалах).

ОСОБЕННОСТИ ОТКРЫТОГО СПОСОБА РАЗРАБОТКИ

Открытый способ разработки по сравнению с подземным характеризуются следующими особенностями:

• необходимостью удаления из карьера (или перемещения в  его контурах) значительных объемов  вскрышных пород, на разработку которых затраты на угольных и рудных карьерах составляют основную часть общих затрат на добычу полезного ископаемого;

• необходимостью соблюдения определенной последовательности отработки слоев (выемку лежащего ниже слоя горных пород можно начинать только с некоторым отставанием во времени от начала выемки лежащего выше слоя);

•. практически неограниченной возможностью создания и использования высокопроизводительного крупногабаритного горного и транспортного оборудования, способного обеспечить наиболее высокие технико-экономические показатели.

К преимуществам  открытого способа разработки по сравнению с подземными относятся:

• возможность обеспечения более высокого уровня комплексной механизации и автоматизации горных работ;
• более высокая в (3-5 раз) производительность труда и меньшая стоимость продукции;
• более безопасные и гигиеничные условия труда, более полное извлечение полезного ископаемого, меньшие удельные капитальные затраты.

 Недостатками открытого способа являются:

• некоторая зависимость его от климатических условий,
• необходимость отчуждения значительных площадей земель;
• нарушение водного баланса недр;
• большие затраты на строительство карьера и затраты на выемку горной массы на весь срок его существования.

Рентабельность отечественных карьеров колеблется в пределах 5-20%.

Рис. Открытая разработка залежей:

1 — выработанное пространство; 2,3— внутренние и внешние отвалы; 4,5 — рабочий и нерабочий борта; 6 — конечный контур карьера; 7 — бермы; I—IV — последовательность развития работ на уступах

КОЭФФИЦИЕНТ ВСКРЫШИ

Для количественной оценки перемещаемых объемов вскрышных  пород используется специальный показатель, называемый коэффициентом вскрыши.

Коэффициент вскрыши k показывает, сколько единиц вскрышных пород необходимо переместить в границах карьера или за его пределы, чтобы добыть единицу полезного ископаемого. В зависимости от единицы измерения различают коэффициент вскрыши весовой (т/т), объемный (м³ /м³ ) и смешанный (м³ /т); (вскрыша выражена в кубометрах, а полезное ископаемое - в тоннах).

Различают средний, текущий, контурный, граничный и другие виды коэффициентов вскрыши.

Средний коэффициент  вскрыши К_ср равен отношению объема вскрыши V_в к объему полезного ископаемого V_и в конечных контурах карьера (рис. 1.1.), т.е.

К_ср = V_в/ V_и

 

Рис. Разделение залежей  по мощности:

а — горизонтальных; б — наклонных и крутопадающих; 1, 2,3,4— соответственно залежи весьма малой, малой, средней мощности и мощные; Шр.п — ширина рабочей площадки уступа

 

Если запасы полезного ископаемого определены по данным геологической разведки, то в этом случае коэффициент вскрыши называется средним геологическим. Если при определении коэффициента вскрыши использованы промышленные запасы, то коэффициент вскрыши называется средним промышленным. К моменту сдачи карьера в эксплуатацию объемы вскрыши и полезного ископаемого уменьшаются, так как в период строительства карьера удаляется объем вскрыши и попутно добывается объем полезного ископаемого. Коэффициент вскрыши, определенный в этом случае, называется средним эксплуатационным.

При горизонтальном залегании  полезного ископаемого на небольшой глубине (30-45 м), значительных размерах карьера в плане, выдержанной мощности вскрыши h_g и полезного ископаемого h„ средний коэффициент вскрыши приближенно определяется по формуле

Рис. 1.1. Схема к определению  среднего геологического (а) и среднего эксплуатационного (б) коэффициентов вскрыши:

1-5-6-4 - объем V_в вскрыши в конечных контурах карьера; 5-2-3-6 - объем V_и полезного ископаемого в конечных контурах карьера; 1-9-10-4 - объем V_в; 1-9-7-8 - объем V_b.c строительной вскрыши; 9-2-5-6 - объем V_и.с. полезного ископаемого, добытый при строительстве карьера (попутная добыча)

Текущий коэффициент вскрыши К_т определяется отношением объема V_в.т вскрыши, перемещенного из карьера или в пределах его границ за определенный  промежуток времени (год, квартал, месяц) к объему V_и.т полезного ископаемого, добытого за тот же промежуток времени

К_т = V_в.т/ V_и.т

Контурный коэффициент вскрыши равен отношению объема вскрыши Vв.к.  к объему полезного ископаемого Vи.к., извлекаемому при

изменении конечных контуров карьера (см. рис. 1.2), т.е. k =Vв.к. / Vи.к.

Граничный коэффициент вскрыши k характеризует удельный (на единицу полезного ископаемого) максимальный объем перемещаемых вскрышных пород, при котором затраты С'о на добычу единицы полезного ископаемого открытым способом не превышают аналогичных затрат Сп при подземном способе, т.е. С_о < С_п. Величина С'_д определяется

но формуле

С_о=С_о+k_тС_в

где: С_о - затраты на добычу 1т или 1м полезного ископаемого без учета

        затрат на вскрышные работы, руб.;

C_в - затраты на разработку 1м вскрышных пород, руб.;

k_т - текущий коэффициент вскрыши, м³ /м³ (м³ /т).

 

Рис. 1.2. Схема к определению текущего (а) и контурного (б) коэффициентов вскрыши.

Плановый  коэффициент вскрыши К_п – значение коэффициента вскрыши, которое принимается для определения себестоимости С полезного ископаемого при погашении затрат на вскрышные работы в период эксплуатации

С=С_и.т+К_пС_в.т

где С_и.т - текущие затраты на добычу 1 м³ полезного ископаемого без учета затрат на

                 вскрышу, руб;

       С_в.т – текущие затраты на 1 м³ вскрыши, руб. 

ЭЛЕМЕНТЫ КАРЬЕРА И РАСЧЕТ ИХ ПАРАМЕТРОВ

Карьерное поле – месторождение или его часть, предназначенная для отработки одним карьером. Под этим термином следует понимать геометрическое тело сложной конфигурации, заключенное в конечных контурах карьера.

Борт  карьера – боковая поверхность, ограничивающая карьер.

Подошва карьера – поверхность, ограничивающая карьер снизу.

Верхний и нижний контуры карьера – линии пересечения борта карьера соответственно с дневной поверхностью и подошвой.

Угол  откоса борта карьера – угол, образуемый бортом карьера и горизонтальной плоскостью, проходящей через его подошву.

Рабочий борт карьера – борт, на котором в настоящий момент ведутся горные работы.

Глубина карьера – усредненное расстояние между подошвой и усредненной отметкой дневной поверхности.

Конечные  контуры карьера – контуры, соответствующие моменту окончания открытых горных работ. Им соответствуют конечная глубина карьера и конечные размеры в плане. Конечный контур на дневной поверхности называется также технической границей карьера.

Земельным отводом называется участок земной поверхности, занимаемый карьером, его службами и цехами, (рис. 1.4). Площадь земельного отвода в 5-10 раз превышает площадь карьера и достигает 10-15 тыс.га и более.

Главными параметрами  карьера являются объем горной массы, конечная глубина, размеры по подошве, углы откосов бортов, запасы полезного ископаемого, объем вскрыши и размеры на уровне дневной поверхности.

1. Объем горной массы V_г.м  в контурах карьера, характеризующий масштаб горных работ, определяется по формуле акад. В.В. Ржевского

 м³                  

где  Н_к –глубина карьера, м;

        S – площадь подошвы карьера, м²;

        l_n – длина n-го участка борта, м;

        b_n – угол откоса n-го участка борта, град;

        b_ср – средний угол откоса борта, град.

  град                                          

формулу для определения промежуточной  глубины карьера, при которой  текущий коэффициент вскрыши  будет равен граничному коэффициенту

 

, м

или

где a

Конечная глубина карьера определяется из выражения

 

  , м

 

Рис. 1.6. Схема к определению  конечной глубины карьера

Рис. 1.7. Схема к определению  текущего коэффициента вскрыши

 

Аналитические методы расчета конечной глубины карьеров являются достаточно приближенными, так как они не могут учесть всех горно-геологических, топографических и других особенностей месторождения. Для более точного решения этой задачи применяются другие методы – графические, графоаналитические и метод вариантов.

Угол откоса рабочего борта карьера находится в пределах 10—20°.

Запасами полезного  ископаемого определяются возможный  масштаб добычи, срок существования карьера и экономические показатели разработки. Запасы полезного ископаемого, разведенные в контурах месторождения, называются геологическими. Геологические запасы полезного ископаемого разделяются на балансовые и забалансовые.