книги / Открытая разработка месторождений

ВВЕДЕНИЕ

Разработка месторождений полезных ископаемых осуществляется тремя способа­

ми:

подземным способом, при котором подготовительные и очистные работы осуществля­ ются в подземных горных выработках;

открытым способом, при котором подготовительные и очистные работы осуществля­ ются в открытых горных выработках;

комбинированным способом, который представляет собой комбинацию подземного и открытого способов разработки.

В настоящем курсе лекций рассматриваются основные аспекты открытого способа разработки месторождений. Курс лекций предназначен для слушателей, обучающихся на курсах повышения квалификации, дающих право руководства горными и взрывными рабо­ тами при разработке месторождений открытым способом. Утвержденный учебный план курсов предусматривает изучение дисциплины «Открытая разработка месторождений» в объеме 70 часов, из них только 14 часов отводится на аудиторные лекционные занятия, а остальной объем выносится на самостоятельную работу слушателей. Настоящий курс лек­ ций предназначен для облегчения этой самостоятельной работы и его не следует рассмат­ ривать как альтернативу имеющимся учебникам.

Открытый способ нашел широкое распространение при разработке месторожде­ ний различных полезных ископаемых. Достоинствами открытого способа разработки по сравнению с подземным являются:

меньшие удельные капитальные затраты; большие размеры очистных и подготовительных выработок, что позволяет применять

крупногабаритное высокопроизводительное оборудование; возможность строительства горных предприятий большой производственной мощности;

более высокая производительность труда трудящихся на предприятиях с открытым спо­ собом разработки и меньшая себестоимость добычи;

значительно меньшие потери полезного ископаемого при добыче; более комфортные и более безопасные условия труда.

Недостатками открытого способа разработки являются:

отторжение значительных площадей на длительный срок из сельскохозяйственного или

лесного оборота; большой объем добычи пустых пород;

отрицательное воздействие на окружающую среду; значительное влияние климатических условий на горные работы.

Современный уровень развития техники и технологии позволяет разрабатывать открытым способом любые месторождения в любых горно-геологических и климатических условиях. Однако, это не всегда экономически целесообразно. К числу факторов, которые определяют целесообразность применения открытого способа разработки относятся:

глубина залегания полезного ископаемого от земной поверхности; рельеф местности; мощность и форма залежи полезного ископаемого; угол падения залежи;

климатические и гидрогеологические условия; экологическая обстановка в районе месторождения.

1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Горнодобывающие предприятия, на которых разработка ведется открытым спосо­ бом, называются карьерами. В угольной промышленности карьеры, как правило, называют разрезами.

На карьерах подготовительные и очистные горные выработки - открытые выра­ ботки, характеризующиеся тем, что их поперечное сечение не полностью окружено поро­ дами. Основными подготовительными выработками являются траншеи и канавы. Они мо­ гут иметь трапециевидную, треугольную или прямоугольную форму поперечного сечения, причем наиболее часто применяется трапециевидное сечение. Следует заметить, что на карьерах для различных вспомогательных целей могут применяться и подземные горные выработки (шурфы, орты, штольни и т.п.).

Месторождение или его часть, отводимые для отработки одним карьером, называ­ ется карьерным полем. Карьерному полю стараются придать прямоугольную в плане фор­ му, хотя на практике это не всегда возможно.

Полезное ископаемое, как правило, залегает на некоторой глубине от земной по­ верхности, поэтому для того, чтобы отработать запасы полезного ископаемого открытым способом надо предварительно удалить породы, залегающие выше полезного ископаемого. Такие работы, направленные на удаление пород, залегающих над полезным ископаемым, называются вскрышными работами. Надо отметить, что затраты на вскрышные работы достаточно велики и могут достигать до 60 % от всех затрат на разработку месторождения. Объем вскрышных работ на карьерах оценивается коэффициентом вскрыши, который оп­ ределяется отношением объема удаляемой пустой породы (в м3 или в т) к объему добывае­ мого полезного ископаемого (соответственно в м3 или т):

К = у / V

1VBCK v п ' v пн

В результате открытых горных работ на карьерном поле образуется выемка (рис. 1.1), ко­ торая также называется карьером. Стенки, ограничивающие карьер, называются бортами карьера. Борта карьера, которые перемещаются в карьерном поле по мере отработки запа­ сов (в которых осуществляются работы по выемке полезного ископаемого или пустых пород), называются рабочими бортами. Борта карьера, которые не перемещаются в карь­ ерном поле по мере отработки запасов, называются нерабочими бортами. На рис. 1.1 карь­ ер имеет один рабочий борт (восточный) и три нерабочих борта (западный, северный и южный).

1 вскрышной уступ

2 вскрышной уступ

Уступ по полезному ископаемому

Рис. 1.1. Карьер.

Поверхность, ограничивающая карьер снизу (1) называется подошвой карьера. Линия, образованная пересечением борта карьера с подошвой карьера (2), называется нИж_ ним контуром карьера, а линия, образованная пересечением борта карьера с земной по­ верхностью (3), - верхним контуром карьера. Условная линия (4), соединяющая верхний (3)

и нижний (2) контуры карьера, называется откосом борта карьера. Угол, образованный от­ косом борта карьера с горизонтальной плоскостью, - углом откоса борта карьера.

Отработка карьера осуществляется горизонтальными или слабонаклонными слоя­ ми с опережением верхними слоями нижних. В результате борта карьера принимают ус­ тупную форму (рис. 1.1). На рис. 1.1 показана отработка карьера тремя слоями, т.е. борт карьера имеет три уступа, два из которых отрабатываются по пустым породам (вскрывшные уступы) и один уступ по пласту полезного ископаемого. Уступы, расположенные на рабочих бортах карьера, называются рабочими уступами, а расположенные на нерабочих бортах, - соответственно нерабочими. Каждый уступ (рис. 1.2) ограничивается двумя площадками: верхней (1) и нижней (2). Площадка рабочего уступа, на которой располагает­ ся основное добычное или транспорт­ ное оборудование, называется рабочей площадкой. Рабочей площадкой мо­ жет быть как верхняя, так и нижняя площадки уступа. Это определяется, главным образом, применяемым оборудованием. Иногда, особенно при большой высоте уступа, основное до­ бычное и транспортное оборудование

располагаются на промежуточной рабочей площадке, расположенной между верхней и нижней площадками уступа. В этом случае уступ разделяется на два подуступа. Ширина рабочей площадки определяется габаритами применяемого добычного и транспортного оборудования с учетом требований правил безопасности.

Площадки нерабочих уступов называются бермами. Бермы могут использоваться для транспортирования добытых вскрышных пород или добытого полезного ископаемого. Такие бермы называются транспортными, их ширина определяется габаритами применяе­ мых транспортных средств. Если берма не используется для транспортирования, то такая берма называется бермой безопасности. Назначение берм безопасности заключается в улавливании кусков, выпадающих с площадок и вышерасположенных уступов. Ширина берм безопасности составляет обычно 2.5 - 3.0 м.

Вертикальное расстояние между верхней и нижней площадками уступа называет ся высотой уступа (h). Высота уступа определяет мощность разрабатываемого слоя. В ре­

альных условиях высота уступа колеблется от нескольких метров (иногда и менее метра) до 25 - 30 м. В общем случае высота уступа определяется мощностью разрабатываемого пла­ ста и возможностями применяемого добычного оборудования.

Наклонная поверхность (5), ограничивающая уступ, называется откосом уступа, а угол наклона откоса уступа к горизонту - углом откоса уступа (а). Очевидно, что безопас­ ность работ на уступе определяется устойчивостью откоса уступа, что, в свою очередь, оп­ ределяется величиной угла откоса уступа. Угол же откоса уступа во многом определяется временем существования уступа. В связи с этим различают углы кратковременной (макси­ мум несколько месяцев) и долговременной (иногда весь период отработки карьера) устой­ чивости откоса уступа. Углы краткосрочной устойчивости откосов колеблются обычно в пределах 40 - 90° и зависят свойств пород (полезного ископаемого), способом выемки, применяемым оборудованием, необходимым сроком обеспечения устойчивости откоса. Уг­ лы долговременной устойчивости откоса уступа составляют обычно 25 - 70° и зависят, главным образом, от свойств пород (полезного ископаемого) и климатических условий.

Линия (3 на рис. 1.2), образованная пересечением откоса уступа с верхней пло­ щадкой, называется верхней бровкой уступа, а линия (4), образованная пересечением отко­ са уступа с нижней площадкой, - соответственно нижней бровкой уступа.

2.ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ МОЩНОСТЬ

ИСРОК СЛУЖБЫ КАРЬЕРА

Количество полезного ископаемого, добываемого карьером в единицу времени называется производственной мощностью карьера. Наиболее часто оперируют суточной производственной мощностью карьера и годовой. В реальных условиях карьеры имеют различные производственные мощности от нескольких десятков тонн в сутки, до несколь­ ких тысяч тонн за это же время. В настоящее время там, где есть необходимость и возмож­ ность, ориентируются на строительство карьеров с большой производственной мощностью.

Как показывает опыт на карьерах большой производственной мощности выше производи­ тельность труда работников и ниже себестоимость добытого полезного ископаемого.

Время, в течение которого будут отработаны запасы карьера, называется сроком отработки карьера. Между промышленными запасами карьера (Znp), его годовой производ­ ственной мощностью (Агод) и сроком отработки карьера в годах (Т) имеется простая зави­

симость Т = Znp / Агод Правда, указанная зависимость не учитывает время развития до­

бычи после ввода карьера в эксплуатацию и время затухания добычи при доработке запасов карьера. Таким образом, полный срок отработки карьера увеличивается за счет времени развития и времени затухания добычи. Полный срок службы карьера кроме времени отра­ ботки карьера включает еще время работ, выполняемых до начала отработки карьера, и время работ, выполняемых после его отработки.

В течение полного Срока службы карьера выполняются следующие этапы: подготовительный этап;

-строительный этап;

-этап вскрышных работ;

-этап добычных работ;

-этап рекультивации.

На подготовительном этапе ведутся работы по подготовке поверхности карьера: вырубка леса, корчевка пней и кустарников, осушение болот и озер, отвод рек и ручьев, пе­ ренос дорог, силовых и осветительных линий, снос зданий и сооружений и т.п. Подготови­ тельный этап начинается до начала строительства карьера и может продолжаться на во время последующих этапов: строительного, вскрышных работ и добычных работ.

Строительный этап начинается после того, как закончена подготовка поверхности на достаточных площадях. Строительный этап включает в себя: строительство необходи­

мых зданий и сооружений, цехов, транспортных галерей на поверхности; проведение от­ крытых горных выработок, вскрывающих карьерное поле; проведение открытых горных выработок, обеспечивающих подготовку уступов к отработке; строительство транспортных коммуникаций, обеспечивающих доступ к рабочим уступам. Строительный этап при необ­ ходимости может продолжаться во время последующих вскрышного и добычного этапов.

Вскрышной этап начинается после вскрытия карьерного поля. Он заключается в систематической отработке пород, залегающих над полезным ископаемым, в перемещении пород в отвалы и создании необходимого фронта для начала добычных работ. Вскрышной этап продолжается и в период добычных работ, практически до конца отработки карьера.

Добычной этап начинается после выполнения вскрышных работ на площади, дос­ таточной для начала очистной выемки. На этом этапе производится планомерная добыча полезного ископаемого, его погрузка и транспортирование.

Этап рекультивации нарушенных земель является заключительным. Он может на­ чинаться либо в период добычных работ, либо после полного окончания добычных работ. Работы на этом этапе заключаются в планировании территории карьерного поля, сглажи­ вании бортов карьера, засыпке территории карьера растительным слоем, посадке леса, соз­ дании искусственных водохранилищ и т.п.