Проектирование карьера как объекта горнодобывающего комплекса

1 Определение углов наклона бортов карьера

2 Проектирование глубины и границ открытой разработки месторождения

3 Проектирование производительности карьера

 

Важнейшими характеристиками боковой поверхности карьера являются углы откоса его бортов.

Задача при проектировании состоит в том, чтобы определить максимальные углы наклона рабочего и нерабочего бортов карьера, отвечающие требованиям устойчивости и обеспечивающие возможность размещения необходимого числа площадок и берм различного назначения, рациональное расположение транспортных коммуникаций и минимальный объём вынимаемых пустых пород.

Угол наклона нерабочего борта карьера в первую очередь зависит от его конструкции, обусловленной параметрами нерабочих уступов, шириной и числом берм различного назначения, а также формой и элементами залегания полезного ископаемого.

Определение угла наклона нерабочего борта может быть основано на двух различных подходах.

При одном подходе для определения проектной величины угла конструируют борт и полученную величину конструктивного угла α_к сопоставляют с предельным (расчетным) значением, которое используют в качестве ограничения, т.е. α_к < α_п|). В этом случае приоритет отдается конструкции борта, которая должна соответствовать требованиям нормативных документов и принятой транспортной схеме.

Необходимо подчеркнуть, что при проектировании вскрытия и транс-портирования горной массы следует выбирать наиболее благоприятное для устойчивости участков борта положение вскрывающих выработок и транспортных берм.

При другом подходе, имеющем целью минимизировать объем вскрышных пород, включаемых в контур карьера, — вначале определяют предельно допустимый угол наклона α_пр для каждого характерного участка нерабочего борта карьера, а затем конструируют борт таким образом, чтобы его профиль вписался в расчетный.

Величина этого угла может быть ограничена геомеханическими или геолого-структурными условиями месторождения.

Рационализировать конструкцию борта с целью оптимизации угла его наклона можно путем:

• отстройки нерабочих уступов на каждом погашаемом горизонте (участке борта) с параметрами, соответствующими свойствам и структуре горных пород;

• применения инженерных мероприятий (без изменения конструкции борта), направленных на предотвращение осыпеобразования и локальных обрушений уступов или улавливания осыпей;

• расположения транспортных берм и технологических площадок на участках, где необходима разгрузка борта (преимущественно в границах призмы активного давления);

• придания предохранительным бермам минимально необходимой (для механизированной их очистки) ширины за счет применения «щадящей» технологии при их нарезке;

• сокращения продолжительности стояния бортов в предельном положении на участках месторождения, сложенных менее прочными породами (выбор соответствующих вариантов вскрытия и направления развития горных работ).

При проектировании карьера углы наклона нерабочего борта, параметры уступов и предохранительных берм вынужденно принимают без достаточного геомеханического обоснования из-за отсутствия достоверных данных о законтурном массиве. В процессе эксплуатации эти параметры следует уточнять с учетом дополнительно получаемой информации о физико-механических свойствах и структуре массива.

Во всех случаях при проектировании необходимо принимать технологические решения, позволяющие снизить отрицательное воздействие горных работ на законтурный массив, в частности, для защиты от сейсмического и дробящего действия взрывов целесообразно применять короткозамедленное и контурное взрывание, экранирующие щели, буферные слои и т.п. В тех случаях, когда конструктивный угол наклона борта меньше расчетного, увеличить его можно путем применения изолирую-щих покрытий поверхности откосов, искусственных или укрепленных берм и осыпеуловителей, укрепления локальных участков уступов.

С позиций геомеханики максимальный угол наклона нерабочих бортов ограничивается:

• физико-механическими свойствами и блочностью законтурного массива (однородные и приравниваемые к ним законтурные массивы);

• элементами залегания полезного ископаемого или протяженных поверхностей ослабления, простирающихся согласно с бортом (лежачий бок пластовых и жильных месторождений, наличие тектонических нарушений, слабых пропластков и т.п.);

• параметрами нерабочих уступов и берм различного назначения, обусловленными как геомеханическими факторами, так и транспортно-технологическими решениями.

В соответствии с этим выделяют три типа бортов карьеров.

Конструкции бортов I типа. Законтурный массив не имеет явных по-верхностей ослабления, участвующих в формировании потенциальной призмы обрушения. Предельный угол наклона борта а_пр является функцией характеристик сопротивления пород сдвигу и коэффициента структурного ослабления. При высоте Н его можно рассчитать по формуле:

где Н _с — глубина связности, м, Н_с = 5,14С сtg (45° - φ/2)/γ; С, φ, γ — соответственно удельное сцепление пород в массиве, Па, угол внутреннего трения, градус, и объемный вес пород, Н/м³.

Конструкции бортов II типа. Величина угла наклона борта карьера в лежачем боку ограничена либо углом падения залежи полезного ископаемого β, либо наличием в массиве протяженных поверхностей ослабления, простирающихся согласно с бортом. Если при заданной высоте борта угол их падения β < α_пр, то он является оптимальным по объему вскрыши. Конструкция борта будет зависеть от его величины, обусловливающей необходимость в предохранительных бермах.

Конструкции бортов III типа. Отличительная особенность бортов данного типа — зависимость величины углов их наклона от предельных параметров нерабочих уступов и берм. Оптимальным будет конструктивный угол наклона α_к ≤ α_пр. Высокая прочность пород в куске решающей роли не играет. Параметры уступов (угол откоса или высота) ограничены наличием в массиве поверхностей ослабления, не подлежащих подрезке откосом (системы трещин, контакты между различными лито-типами и слоями, чередующиеся слабые пропластки и др.). К этому типу могут быть отнесены борта в лежачем боку месторождений (особенно угольных).

При проектировании предусматривать создание уступов с крутыми углами можно только при обязательном учете углов падения контактов. Игнорирование этого требования вызовет деформации сдвига и самозаоткоску уступов по контактам и трещинам. При этом борт в целом имеет избыточный запас устойчивости.

Таким образом, при придании уступам углов α_у = β, конструкция борта и угол его наклона будут зависеть от предельной высоты уступов, ширины и числа берм различного назначения.

 

 

Проектирование границ открытой разработки месторождения предусматривает установление глубины, контуров карьера (положения верхней и нижней бровок) и его боковой поверхности.

Определение глубины и контуров карьера основано на сравнении эффективности открытой и подземной разработок или затрат на добычу 1т (1м3) полезного ископаемого с предельно допустимыми затратами.

Правильный выбор контуров карьера имеет важное значение, так как ими определяется объем запасов полезных ископаемых, вовлекаемых в разработку, и объем подлежащих удалению вскрышных пород, что во многом влияет на такие важнейшие характеристики карьера, как производительность и срок существования, режим горных работ, вскрытие, система разработки, технология и механизация работ, расположение внешних траншей, зданий и коммуникаций на поверхности. Принятие при проектировании суженных границ карьера может потребовать в дальнейшем переноса траншей, отвалов, сооружений, а необоснованное расширение границ может вызвать необходимость выполнения дополнительных объемов вскрышных работ, увеличение дальности транспортировки горной массы.

Как показывает практика, глубину и положение контуров большинства крупных карьеров неоднократно пересматривают. Противоречие между необходимостью точно определить при проектировании положение конечных контуров карьера и практической невозможностью однозначно определить конечную глубину открытой разработки месторождения может быть преодолено при динамическом подходе к решению технико-экономических задач путем выделения этапов отработки месторождения (развития карьера) и определения положения промежуточных и перспективных контуров.

Проектные контуры карьера могут быть подразделены на конечные, перспективные и промежуточные.

Конечными называют контуры, по которым согласно проекту должны быть погашены открытые горные работы. Конечные контуры необходимо определять с максимально возможной степенью точности.

Перспективными являются контуры, до которых в соответствии с проектом предполагается развитие открытых работ. Перспективные контуры карьера определяют приближенно и при разработке карьера их можно корректировать.

Промежуточными называют контуры, которые согласно проекту предполагают достичь к определенному моменту разработки

 

Важнейшими базисными характеристиками карьера как объекта, опре-деляющими уровень его экономических показателей, являются производственная мощность, производительность по полезному ископаемому, производительность по вскрыше и производительность по горной массе.

Под производственной мощностью предприятия в общем случае понимают максимально возможное количество продукции заданной номенклатуры, которое предприятие способно выпустить с соблюдением технологических норм производства, правил технической и экологической безопасности. Подчеркнем, что это теоретически достижимый объем продукции, который предприятие может выпустить в существующих горно-производственных условиях на основе наиболее полного использования средств производства, рационального режима работы, прогрессивной технологии и эффективной организации производства при соблюдении правил безопасности, технической эксплуатации, экологических ограничений и при условии, что вся выпускаемая продукция имеет сбыт на рынке. При проектировании карьера устанавливают его проектную производительность по полезному ископаемому, вскрыше и горной массе.

Под проектной производительностью карьера по полезному ископаемому понимают установленный проектом постоянный на фиксированный период времени (год, месяц, сутки) объем добычи полезных ископаемых в тоннах или кубических метрах установленной номенклатуры соответствующего качества, поставляемых потребителям с определенной равномерностью. Проектная производительность карьера по полезному ископаемому должна обеспечивать экономически эффективную разработку месторождения.

Производительность карьера по вскрыше — это объем (в м³) вскрышных пород, который необходимо удалить для обеспечения производительности карьера по полезному ископаемому.

В сумме, в одних и тех же единицах измерения, эти показатели составляют производительность карьера по горной массе.

Основными факторами, определяющими производительность карьера, являются:

• горно-геологические условия разработки;

• объем и ценность запасов месторождения;

• максимально возможная скорость развития горных работ в глубину и в плане;

• срок отработки месторождения или эксплуатации карьера;

• потребность в добываемом сырье;

• эффективность производства;

• размер и график инвестиций, условия финансово-хозяйственной деятельности предприятия.

Горно-геологические условия разработки обусловливают жесткую взаимосвязь между производительностью карьера по полезному ископаемому и вскрыше.

 

Q_в = Q_иК_ср

По объему и ценности запасов полезных ископаемых месторождения, вовлекаемых в разработку, годовую производительность карьера по полезному ископаемому устанавливают таким образом, чтобы обеспечить деятельность предприятия в течение достаточно длительного периода времени с целью более эффективного использования оборудования, строительства и амортизации производственных зданий и сооружений, социально-бытовой инфраструктуры.

Максимально возможная скорость развития горных работ в глубину и в плане определяет возможную интенсивность разработки месторождения.

За сопоставимый показатель интенсивности разработки может быть принята среднемесячная величина вскрываемой площадки м²/мес:

F_м = L_ф.у.υ_ф,

 

где L_ф.у. — принятая средняя протяженность фронта работ уступа, м; υ_ф — среднемесячная скорость подвигания фронта работ, м/мес.

Интенсивность разработки определяется горно-геологическими условиями месторождения, физико-механическими свойствами разрабатываемых пород, которые в основном обусловливают применение тех или иных систем и технологий разработки и технических средств. При этом отсутствует ограничение по числу единиц используемого оборудования, т.е. оно может быть максимально возможным.