Открытая геотехнология

Вскрывающими выработками на открытых горных работах служат траншеи, полутраншеи и котлованы.

Вскрытие равнинных месторождений и смежных горизонтов карьера ведут траншеями полного трапециевидного профиля (рис. 2.25, а, б). Высотные месторождения вскрывают полутраншеями (рис. 2.25, в).

а б в

Рисунок 2.25 Открытые горные выработки траншеи: а - вскрывающая траншея; б - разрезная траншея; в - разрезная полутраншея; глубина заложение (H_т); продольный уклон (i_р); углы откоса бортов (б); ширина по нижнему основанию (b_т); длина в плане (L_т)

В практике часто встречаются траншеи связанные в единую транспортную сеть образующие собой систему траншей.

Профессор Е.Ф. Шешко классифицировал траншей по их расположению относительно контура карьера, числу обслуживаемых уступов в карьере, основному назначению и стационарности траншей (табл. 2.4).

Таблица 2.4

Классификация траншей по их расположению

Признак разделения	Основное различие	Наименование траншеи
Расположение траншей относительно контура карьера	Расположение вне контура	Внешние
	Расположение внутри карьера	Внутренние
Число уступов обслуживаемых системой траншей	Один уступ	Отдельные
	Несколько (группа) уступов	Групповые
	Все уступы карьера	Общие
Основное назначение	Для прохода груза и порожняка	Одинарные
	Для прохода только груза и только порожняка	Парные
Стационарность	Постоянное положение траншей	Стационарные (капитальные)
	Временное положение траншей	Временные (скользящие)

Капитальные траншеи располагают за конечным контуром карьера или внутри его. В первом случае они являются внешними, во втором - внутренними.

Внешними траншеями обычно вскрывают неглубокие горизонты карьера при относительно небольшом объеме капитальных траншей.

Внутренние траншеи применяют для вскрытия глубоких горизонтов карьера. Часто внутренние траншеи применяются совместно с внешними и являются их продолжением.

Отдельные, групповые, общие и парные траншеи (рис. 2.26) могут иметь внутреннее или внешнее заложение. Отдельные траншеи при внешнем и внутреннем заложении являются независимыми как по взаимному расположению относительно контура карьера, так и по направлению следующих по ним грузов. Грузопотоки при этом можно полностью рассредоточить. Групповые и общие траншеи являются зависимыми: первые - в пределах своей группы, вторые - в пределах всего карьера.

В случае внешнего заложения зависимые траншеи проходят рядом и параллельно друг другу, и их смежные борта взаимно срезаются. При этом самостоятельный путь груза на поверхность с каждого уступа здесь сохраняется как при независимых траншеях. Однако зависимым является общее направление грузопотоков.

При внутреннем заложении зависимых траншей каждая следующая траншея продолжает предыдущую. Грузопотоки, направляемые из карьера на поверхность, в этом случае полностью сосредоточены по транспортным коммуникациям и по направлению. При этом указанное сосредоточие возрастает по мере приближения к выходу на поверхность: через капитальную траншею проходит груз, отправляемый не только с того горизонта, который вскрыт данной траншеей, но также и со всех нижерасположенных горизонтов.

Отдельные, групповые и общие траншеи обычно служат как для прохода груза, так и для подачи порожняка. Они называются одинарными. Иногда траншеи, предназначенные для выдачи груза из карьера, являются независимыми от траншей, предназначенных для прохода порожняка в карьер. Такие траншеи называются парными. Тогда каждый вскрытый горизонт имеет два пути, соединяющие его с поверхностью: один для приема порожняка и другой - для отправки груза. Достигаемая при этом поточность движения в работе транспорта создает большую пропускную способность капитальных траншей и лучшее обеспечение забоев порожняком по сравнению с одинарными траншеями, когда движение груза и порожняка является встречным.

Вскрытие внешними отдельными траншеями Вскрытие внешними групповыми траншеями Вскрытие внешними общими траншеями Вскрытие внешними парными траншеями		Вскрытие внутренними отдельными траншеями Вскрытие внутренними групповыми траншеями Вскрытие внутренними общими траншеями Вскрытие внутренними парными траншеями

Рисунок 2.26 Принципиальная схема вскрытия

Внешние траншеи всегда являются стационарными, так как всегда технически возможно разместить их за конечным контуром карьера. Внутренние капитальные траншеи располагают по возможности стационарно - на нерабочем борту карьера. Однако они могут быть расположены и на рабочем борту. Такие траншеи не являются стационарными и носят название скользящих съездов. Они время от времени перемещаются вместе с рабочим бортом соответственно его отработке.

По проф. Е.Ф. Шешко способы вскрытия месторождений классифицируются по признаку наличия, положения, количества и назначения капитальных горных выработок как транспортных коммуникаций (табл. 2.5).

Таблица 2.5

Классификация способов вскрытия

Наименование способов	Сущность способов вскрытия
I. Вскрытие отдельными траншеями	Каждый уступ вскрывают независимой траншеей
II. Вскрытие групповыми траншеями	Группы уступов вскрывают зависимыми траншеями; разные группы уступов вскрыты независимо друг от друга
III. Вскрытие общими траншеями	Все уступы вскрываются одной общей системой траншей
IV. Вскрытие парными траншеями	Способы I, II и III с двумя траншеями для вскрытия каждого уступа, нескольких или всех уступов карьера
V. Бестраншейное вскрытие	Вскрытие без проведения капитальных траншей
VI. Вскрытие подземными выработками	Вскрытие, при котором капитальные траншеи заменены подземными выработками
VII. Комбинированное вскрытие	Вскрытие, осуществляемое двумя или большим числом основных способов I -- VI

Вскрытие отдельными траншеями обычно применяется: при внешнем заложении траншей - для неглубоких горизонтальных и пологих залежей (с углом падения 0-10°) и при внутреннем заложении - для более глубоких залежей значительной мощности.

Вскрытие групповыми траншеями применяется для глубоких горизонтальных и пологих пластообразных месторождений большой мощности, разрабатываемых значительным числом уступов (4-6). При этом одна группа траншей бывает обычно предназначена только для вскрышных уступов, другая - только для добычных уступов. Поэтому грузопотоки вскрышных пород и полезного ископаемого рассредоточены и могут быть направлены на поверхность независимо друг от друга.

Вскрытие общими траншеями применяется для более глубоких месторождений как пологих, так и крутых (угол падения залежи более 30°), а также для месторождений, расположенных на косогорах. При вскрытии общими траншеями грузопотоки вскрышных пород и полезного ископаемого оказываются сосредоточенными. При внешнем заложении траншей грузопотоки сосредоточены по их направлению, при внутреннем заложении - по направлению и коммуникациям; в последнем случае сосредоточение грузопотоков имеет место непосредственно в капитальных траншеях. Поэтому провозная способность внешних траншей оказывается большей, чем внутренних.

Вскрытие парными траншеями применяется в рассмотренных выше условиях отдельных, групповых и общих траншей при большой мощности карьера и значительных объемах вскрышных пород. Каждая из двух капитальных траншей, входящих в соответствующую пару, является однопутевой и предназначается: одна - для прохода порожняка, другая - для выдачи груза, причем первая траншея может иметь уклон больше руководящего. Вскрытие парными траншеями может применяться при использовании автомобильного и железнодорожного транспорта. Существенным преимуществом парных траншей является тот факт, что при поточном движении поездов обеспечение забоев порожняком (использование экскаваторов и подвижного состава) находится здесь в более благоприятных условиях. Поэтому вскрытие парными траншеями рационально при фронте работ значительной протяженности, когда обеспечение забоев порожняком посредством одинарных траншей оказывается недостаточным.

Бестраншейное вскрытие представляет такие случаи открытой разработки месторождений, когда грузотранспортная связь рабочих горизонтов карьера с поверхностью осуществляется без проведения на эти горизонты капитальных траншей. Это имеет место при разработке месторождений посредством деррик-кранов и других видов оборудования, транспортирующих вскрышную породу и полезное ископаемое в своих рабочих органах (бестраншейное вскрытие для породных уступов означает производство вскрышных работ без привлечения транспорта - перевалка пород экскаваторами, отвальными мостами и другими средствами), а также при разработке россыпных месторождений с использованием драг и гидравлик.

Вскрытие подземными выработками применяется в тех особых случаях разработки нагорных и глубоких месторождений, когда капитальные траншеи необходимо или целесообразно заменить подземными выработками (месторождение расположено высоко в горах, косогор крут, пересечен оврагами, балками, ручьями и др.).

Комбинированное вскрытие месторождений включает два или большее число рассмотренных основных способов вскрытия. Оно имеет значительное распространение, так как в наибольшей мере обеспечивает учет местных условий при разработке месторождений.

Рисунок 2.27 Схемы примыкания капитальных траншей к рабочим горизонтам

Линия, определяющая путь движения или продольную ось дороги, называется трассой. Трассой капитальных траншей считают их продольную ось. Трассирование заключается в установлении направления и положения продольной оси в профиле и плане. Положение продольной оси капитальных траншей в профиле представляет проекцию указанной оси на вертикальную плоскость. Оно в значительной мере оказывает влияние на строительные и эксплуатационные стоимости капитальных траншей как транспортных коммуникаций. Продольный профиль трассы включает наклонные и горизонтальные участки, а также участки сопряжения между ними. Важным элементом продольного профиля трассы является конструкция пункта примыкания наклонных участков к рабочим горизонтам. Различие возможных вариантов примыкания определяется условиями трогания транспортных средств при их вынужденной остановке. Поэтому различают примыкание на руководящем подъеме, смягченном подъеме и горизонтальных площадках (рис. 2.27).

В случае примыкания на руководящем подъеме (i_р) обеспечивается минимальная длина трассы и минимальный объем системы капитальных траншей. Однако, при этом вынужденная остановка транспортных средств происходит непосредственно на участке с руководящем подъемом, поэтому для движения поездов на таком продольном профиле требуется увеличение мощности локомотива на 10-15 %.

Площадка	Уклон площадки, iп	Длина площадки, lп
Горизонтальная	0, ‰	lп=200ч250, м
Со смягчением	(0,60ч0,65)·iр, ‰	lс=200ч250, м

Для облегчения трогания и разгона составов предусматривают уменьшение подъема капитальной траншеи до i_см = (0,60-0,65)·i_р при подходе к лежащему выше рабочему горизонту. Длина смягченного участка трассы l_с составляет 200-250 м. Наиболее распространено примыкание на горизонтальных площадках, оно просто в конструктивном отношении и удобно при эксплуатации. Длина горизонтальной площадки (l_п) зависит от конструкции раздельных пунктов и обычно составляет 200-250 м.

План трассы капитальных траншей представляет проекцию ее продольной оси на горизонтальную плоскость. План трассы состоит из прямых и кривых участков, а также из переходных кривых, которые устраиваются в местах сопряжения кривых с прямыми. На геометрическое построение плана трассы основное влияние оказывают конфигурация месторождения и допустимый радиус кривых, устанавливаемый применительно к типу трассы, может быть простым (если трасса имеет одно направление по всей своей длине) и сложным (если трасса состоит из прямых и противоположных направлений). Основные формы плана трассы приведены на рис. 2.28.

Различают теоретическую и действительную длину трассы капитальных траншей.

Теоретическая длина трассы определяется из выражения:

, м (2.1)

где Н_к - глубина карьера, м;

Рациональный руководящий подъем i_р (максимальный затяжной подъем - уклон пути в грузовом направлении, по величине которого определяется масса поезда при движении с расчетной скоростью) для железнодорожного транспорта с локомотивной тягой составляет до 40‰, а для автомобильного транспорта до 120 ‰ в зависимости от колёсной формулы.

Действительная длина трассы всегда больше теоретической за счет наличия участков примыкания (ДL_п):

L_д = L_т + ДL_п., м (2.2)

В приближенных расчетах L_д находят умножением L_т на коэффициент удлинения трассы К_уд (табл. 2.6).

Таблица 2.6

Коэффициент удлинения трассы

Условия примыкания капитальных траншей к рабочим горизонтам	Коэффициент удлинения трассы
На руководящем подъеме	1,1-1,2
На смягченном подъеме	1,2-1,3
На горизонтальной площадке	1,4-1,6



Рис. 2.28 Формы трасс капитальных траншей: а - простая; б - тупиковая; в - петлевая; г - спиральная; 1 -рудное тело; 2 - тупик; 3 - петля

На выбор способа вскрытия и места расположения вскрывающих выработок существенное влияние оказывают рельеф поверхности месторождения, мощность полезного ископаемого и вскрышных пород, мета расположения пунктов разгрузки, качество пород месторождения, производственная мощность карьера и вид применяемого транспорта.

2.5 СИСТЕМЫ ОТКРЫТОЙ РАЗРАБОТКИ. СТРУКТУРА КОМПЛЕКСНОЙ МЕХАНИЗАЦИИ

Понятие «система» (от греческого sestema - целое, составленное из частей) - множество элементов, находящихся в отношениях и связях друг с другом, образующих определенную целостность, единство. Разнообразие горно-геологических условий, сочетаний горных и транспортных машин в комплексной механизации горных работ, технологий и их совершенствование определило большое число классификаций систем разработки. В процессе развития открытых горных работ и горной науки в основу классификации систем открытой разработки закладывались направление подвигания забоев и взаимное расположение капитальных и разрезных траншей, направление подвигания забоев с учетом способа механизации работ, способы механизации работ, транспорта горной механизации и отвалообразования, порядок образования выработанного пространства в карьере в зависимости от способа механизации вскрышных и добычных работ применительно к конкретным условиям залегания полезных ископаемых. Из всего многообразия классификаций систем разработки можно выделить два основных типа, основными классификационными признаками которых являются: направления подвигания забоев и конструкции фронта работ (А.П. Зотов, С.М. Шорохов, Г.В. Секисов, В.В. Ржевский, А.И. Арсентьев и др.); способ производства вскрышных работ и механизация выемки и доставки пород (Е.Ф. Шешко, Н.В. Мельников. П.Э. Зурков и др.). Однако, ни одна классификация не может охватить всего разнообразия условий залегания месторождений, возможных конструкций фронта и направлений его перемещения. Поэтому возникает необходимость описания сущности применяемой системы разработки, используя комбинации основных признаков. Наибольшее применение в горнотехнической литературе и практике получили классификации систем разработки, предложенные акад. Н.В. Мельниковым и акад. В.В. Ржевским.

В 1952 г. акад. Н.В. Мельников предложил классификацию систем разработки, в основу которой положен способ производства вскрышных работ. По этой классификации выделяются следующие системы разработки: бестранспортная, экскаватор-карьер, транспортно-отвальная, специальная, транспортная, и комбинированная (табл. 2.7).

Основные производственные черты этих систем открытой разработки определяются способами ведения вскрышных работ, когда преобладающая роль обычно принадлежит перемещению пустых пород, что имеет место при разработке угольных и рудных месторождений, для которых характерны значительные объемы вскрышных пород в общем карьерном грузопотоке. Однако имеется значительная группа карьеров, для которых технологическое и экономическое влияние вскрышных работ не имеет существенного значения. К этой группе относятся карьеры с относительно небольшим объемом вскрышных пород. К их числу относится большое количество карьеров, разрабатывающих строительные горные породы (несколько тысяч).

На карьерах с низким коэффициентом вскрыши преобладающее значение имеют затраты на добычные работы. Эти затраты еще более увеличиваются при необходимости применения на карьерах способов раздельной выемки полезного ископаемого, которая усложняет производство добычных работ, приводит к некоторому перераспределению объемов вскрышных пород и полезного ископаемого, оказывает значительное влияние на технологию разработки месторождения. В этих условиях наиболее полно условиям разработки соответствует классификация акад. В.В. Ржевского, в основу которой положено направление выемки в пределах всей рабочей зоны карьера (табл. 2.8).

Таблица 2.7

Классификация систем открытой разработки месторождений (по акад. Н.В. Мельникову)

Системы разработки	Характеристика систем	Условия применения	Применяемое оборудование
1	2	3	4
Бестранспортная (без переэкскавации или с переэкскавацией вскрыши на отвалах)	Вскрыша перемещается во внутренние отвалы непосредственно экскаваторами (возможна переэкскавация пород на отвалах)	Горизонтальные и пологие месторождения, где мощность покрывающих пород ограничена рабочими размерами экскаваторов. Наклонные и крутые месторождения при мягких вмещающих породах и глубине карьера, позволяющей производить двойную и тройную переэкскавацию	Мехлопаты и драглайны с большими рабочими размерами
Экскаватор-карьер	Вскрышные и добычные работы производятся одним драглайном попеременно. Вскрыша переваливается в выработанное пространство, полезное ископаемое грузится в передвижной бункер, устанавливаемый на поверхности, или в навал; из бункера полезное ископаемое поступает на конвейер или в средства железнодорожного транспорта	Горизонтальные и пологие месторождения ограниченной мощности (до 25 м) при покрывающих породах мощностью до 30 м	Драглайн, передвижной бункер с питателем, мех-лопата для погрузки из навала
Транспортно-отвальная	Вскрыша перемещается во внутренние отвалы при помощи транспортно-отвальных мостов или отвалообразователей	Горизонтальные и пологие месторождения с мягкими покрывающими породами	Цепные, роторные экскаваторы, мехлопаты, транспортно-отвальные мосты, передвижные консольные отвалообразователи
1	2	3	4
Специальная	Вскрыша удаляется башенными экскаваторами, колесными скреперами, гидромеханизированным способом или кабель-краном	Горизонтальные и пологие месторождения с мягкими покрывающими породами. При применении кабель-кранов в условиях крутых пластов в крепких породах	Кабельные экскаваторы, колесные скреперы, гидромониторы и землесосные установки, кабель-краны
Транспортная	Вскрыша перемещается транспортными средствами на внутренние или внешние отвалы	Месторождения различной формы с породами любой крепости	Экскаваторы любых типов и рельсовый, автомобильный или конвейерный транспорт
Комбинированная	Комбинация различных систем	Горизонтальные и пологие месторождения ограниченной мощности с мягкими породами	Экскаваторы любых типов для верхних уступов, экскаваторы увеличенных размеров для нижних уступов и рельсовый или автомобильный транспорт, транспортно-отвальные установки

Система разработки - это определенный порядок выполнения подготовительных, вскрышных и добычных работ, обеспечивающий для данного месторождения безопасную, экономичную и полную выемку кондиционных запасов полезного ископаемого.

При разработке горизонтальных и пологих месторождений полезных ископаемых с незначительной мощностью вскрыши и полезного ископаемого, подготовительные работы обычно завершаются в период горно-капитальных работ, когда создается первичный фронт вскрышных и добычных работ на карьере посредством проходки разрезных траншей. Система разработки таких месторождений относится к группе сплошных систем (с постоянным положением рабочей зоны), так как практически зона по глубине за весь период эксплуатации месторождения остается неизменной.

Таблица 2.8

Классификация систем открытой разработки месторождений (по академику В.В. Ржевскому)

Индекс группы	Группа систем	Индекс подгруппы	Подгруппа	Индекс группы	Система разработки
С	Сплошные	СД	Сплошные продольная	СДО	Сплошная продольная однобортовая
				СДД	Сплошная продольная двухбортовая
		СП	Сплошные поперечная	СПО	Сплошная поперечная однобортовая
				СПД	Сплошная поперечная двухбортовая
		СВ	Сплошные веерная	СВЦ	Сплошная веерная центральная
				СВР	Сплошная веерная рассредоточенная
		СК	Сплошные кольцевая	СКЦ	Сплошная кольцевая центральная
				СКП	Сплошная кольцевая периферийная
У	Углубочные	УД	Углубочные продольные	УДО	Углубочная продольная однобортовая
				УДД	Углубочная продольная двухбортовая
		УП	Углубочные поперечные	УПО	Углубочная поперечная однобортовая
				УПД	Углубочная поперечная двухбортовая
		УВ	Углубочные веерные	УВР	Углубочная веерная рассредоточенная
		УК	Углубочные кольцевые	УКЦ	Углубочная кольцевая центральная
УС	Смешанные (углубочно-сплошные)	-	То же, в различных сочетаниях
Примечание. К наименовании системы разработки добавляется: «с внешними или внутренними отвалами»

При разработке наклонных и крутых залежей в период эксплуатации ведутся вскрытие и нарезка новых рабочих горизонтов. В этом случае положение рабочей зоны постоянно меняется, поэтому системы разработки таких месторождений относятся к группе углубочных систем - с переменным положением рабочей зоны.

Системы разработки нагорных месторождений могут относиться как к группе сплошных, так и к группе углубочных систем (в зависимости от характера залегания и крутизны склона горы). На сложных по топографическим и горно-геологическим условиям месторождениях могут применяться смешанные - углубочно-сплошные системы разработки.

Основными отличительными признаками классификации систем разработки акад. В.В. Ржевского являются направление выемки в плане и профиле, а также место расположения отвалов. Направления выемки в плане разделяются на продольное, поперечное, веерное и кольцевое. Продольное и веерное направления выемки характерны для карьеров с большой производственной мощностью. Поперечное и кольцевое направление выемки применяются в основном на небольших и средних по производственной мощности карьерах. Они позволяют провести нарезку необходимого фронта добычных работ с минимальными затратами. Целесообразное направление выемки в плане зависит также от конфигурации карьерного поля и характера залегания полезного ископаемого. При продольном и поперечном направлениях выемки возможны однобортовая или двухбортовая системы разработки. Двухбортовую систему разработки целесообразно применять при необходимости интенсификации работ на карьерных полях небольшой протяженности, усреднения полезного ископаемого в забое, а также при применении селективной (раздельной) выемки и разработке крутых залежей.

К элементам системы разработки относятся уступы, фронт работ уступа, фронт работ карьера, рабочая зона карьера, рабочие площадки, транспортные и предохранительные бермы.

Основные параметры системы разработки: высота и угол откоса уступов, ширина рабочих площадок, ширина заходок, длина фронта работ, угол откоса рабочего борта, длина экскаваторного блока, число рабочих уступов, длина фронта работ.

Уступы. Главным параметром уступа является его высота, которая оказывает непосредственное влияние на производительность оборудования, качество добытого полезного ископаемого, угол откоса бортов карьера, длину фронта работ, протяженность транспортных коммуникаций, объем горно-капитальных работ и др. Высота уступа устанавливается с учетом комплексного влияния указанных выше факторов. Основным требованием при установлении высота уступа является безопасное ведение горных работ при использовании горного оборудования определенного типоразмера. При разработке горизонтальных и пологих месторождений высота уступа часто предопределяется мощностью залежи и покрывающих пород. Для наклонных и крутых месторождений высота уступа устанавливается исходя из параметров горного оборудования и требований к качеству полезного ископаемого. В случае разработки однородных вскрышных пород и мощных залежей простого строения высота уступа принимается максимальной исходя из параметров горного оборудования, так как при этом уменьшаются затраты на подготовку скальных пород к выемке и на их транспортирование.

Рабочая площадка уступов. Минимально допустимая ширина рабочих площадок уступов зависит в основном от размеров выемочно-погрузочных машин, вида карьерного транспорта, схемы движения транспортных средств, высота уступов, крепости пород. Ширина рабочей площадки при разработке скальных пород с использованием мехлопат и колесного транспорта складывается из ширины развала В взорванной породы, безопасного расстояния с₁ от нижней бровки развала до транспортной полосы, ширины Т транспортной полосы, расстояния m от линии электропередачи до кромки транспортной полосы, ширины d_в полосы для вспомогательного оборудования, ширины полосы Л готовых к выемке запасов и ширины д_п бермы безопасности (рис. 2.29, б). При разработке мягких пород вместо ширины развала принимается ширина А заходки по целику (рис. 2.29, а).

Рисунок 2.29 Схема к расчету ширины рабочей площадки в мягких (а) и скальных (б) породах

Фронт работ уступа - часть уступа по длине, подготовленная к производству горных работ. Подготовка фронта работ уступа заключается в создании на уступе рабочей площадки необходимой ширины и в подводе транспортных и энергетических коммуникаций для обеспечения работы горного и транспортного оборудования. Суммарная протяженность фронтов работ отдельных уступов составляет фронт работ карьера, который подразделяется на вскрышной, измеряемый длиной фронтов, работ вскрышных уступов, и добычной, измеряемый длиной фронтов работ добычных уступов. Создание первоначального фронта работ уступа и его перемещение в процессе работ не могут осуществляться произвольно. Нарезку уступов (путем проведения разрезных траншей) и перемещение фронта работ производят таким образом, чтобы в процессе разработки обеспечить заданное число вскрышных и добычных забоев.

Рабочая зона карьера - это зона, в которой осуществляются вскрышные и добычные работы. Она характеризуется совокупностью вскрышных и добычных уступов, одновременно находящихся в работе. Положение рабочей зоны определяется высотными отметками рабочих уступов и длиной их фронта работ. Рабочая зона представляет собой перемещающуюся и изменяющуюся во времени поверхность, в пределах которой осуществляются работы по подготовке и выемке горной массы. Она может охватывать один, два или все борта карьера. При строительстве карьера рабочая зона, как правило, включает только вскрышные уступы, а к окончанию горно-капитальных работ - и добычные. Число вскрышных, добычных и горно-подготовительных забоев в рабочей зоне не может устанавливаться произвольно, так как от этого зависит выполнение планов по отдельным видам работ.

Для каждого конкретного карьера система разработки органически связана со структурой его комплексной механизации. Если система разработки определяет требуемые объемы и порядок выполнения горных работ, то структура комплексной механизации определяет мощность и расстановку оборудования, обеспечивающего производство горных работ в установленном объеме и порядке. В структуру комплексной механизации горных работ входят комплексы горного, транспортного, дробильно-сортировочного и вспомогательного оборудования, обеспечивающего планомерную выемку и перемещение вскрышных пород в отвалы, а полезного ископаемого - к складам и потребителю. В табл. 2.9 приведена классификация структур комплексной механизации на карьерах, разработанная акад. В.В. Ржевским.

Комплексы с применением выемочно-погрузочного оборудования непрерывного действия называются выемочными, а комплексы с применением выемочно-погрузочного оборудования цикличного действия - экскаваторными. Комплексы для вскрышных работ включают средства механизации отвальных работ, а комплексы для добычных работ - средства механизации разгрузочных работ.

Наибольшее применение на отечественных карьерах (до 75 %) получили комплексы ЭТО с железнодорожным и автомобильным транспортом, с одноковшовыми экскаваторами и бульдозерами на отвалах. При разработке глубоких месторождений все большее применение находят комбинации различных видов транспорта (автомобильного и железнодорожного, автомобильного и конвейерного, автомобильного и скипового). На месторождениях нагорного типа применяют комплексы ЭТО и ЭТР с комбинированным многозвенным транспортом, включающим автотранспорт, рудоспуски, канатно-подвесные дороги, конвейерный и железнодорожный транспорт. Комплексы ВТО и ВТР используются в основном при разработке мягких пород и полезных ископаемых.

Таблица 2.9

Классификация комплексов оборудования, применяемых при открытой разработке

Класс комплексов	Комплекс	Оборудование комплекса
		Выемочно-погрузочные работы	Транспортирование	Отвалообразование и складирование
1	Выемочно-отвальный (ВО)	Роторные и цепные экскаваторы	Нет	Транспортно-отвальные мосты, консольные отвалообразователи
2	Экскаваторно-отвальный (ЭО, СО)	Вскрышные экскаваторы, скреперы	Нет	Вскрышные экскаваторы, скреперы
3	Выемочно-транспортный (ВТО)	Роторные и цепные экскаваторы, гидравлическое оборудование (м) Специализированные экскаваторы (с)	Конвейеры, гидравлическое оборудование, локомотивы, автопоезда	Консольные отвалообразователи, гидравлическое оборудование (м) Отвальные машины (с)
4	Экскаваторно-транспортно-отвальный (ЭТО)	Карьерные одноковшовые экскаваторы	Конвейеры, гидравлическое оборудование (м) Автосамосвалы, локомотивосоставы (с)	Консольные отвалообразователи, гидравлическое оборудование (м) Отвальные машины (с)
5	Выемочно-транспортно-разгрузочный (ВТР)	Роторные и цепные экскаваторы, гидравлическое оборудование (м) Специализированные экскаваторы (с)	Конвейеры, гидравлическое оборудование (м) Локомотивосоставы, автопоезда (с)	Комплекс разгрузочно-приемного оборудования
6	Экскаваторно-транспортно-разгрузочный (ЭТР)	Карьерные одноковшовые экскаваторы	Локомотивосоставы, автосамосвалы, автопоезда (с) Гидравлическое оборудование, конвейеры (м)	То же

Примечание. м - мягкие породы; с - скальные породы

3. Практические РАБОТЫ

Практическая работа 1

Обоснование параметров и производительности карьера. Выбор оборудования. Режим работы карьера

Цель работы. Ознакомление с методикой определения главных параметров карьера. Получение навыков выбора комплекса карьерного оборудования для разработки месторождений полезных ископаемых открытым способом.

Порядок выполнения работы

Ознакомиться с исходными данными индивидуального задания, по номеру варианта выданному преподавателем (табл. 3.2, 3.3). Исходные данные студенты выбирают по двум цифрам варианта: первая цифра - вариант исходных данных (табл. 3.2), вторая - характеристика горных пород (табл. 3.3).

В соответствии с коэффициентом крепости пород по шкале М.М. Протодьяконова определить (табл. 3.2) углы погашения бортов карьера. Найти конечную глубину карьера по формуле В.В. Ржевского

м (3.1)

где К_гр граничный коэффициент вскрыши (табл. 3.2), м³/м³; m_г горизонтальная мощность рудного тела (табл3.2), м; m_п мощность прослоев пустых пород (табл. 3.2), м; _в, _л углы погашения бортов карьера со стороны висячего и лежачего боков, град.

Таблица 3.1

Углы погашения бортов карьера (по «Гипроруде»), град

Группа пород	Коэффициент крепости пород по М.М. Протодьяконову	Угол падения залежи, град	Углы погашения со стороны
			лежачего бока	висячего бока
1	Более 8	Более 55	40	55
		35-55	30	45
		20-35	20	30
2	2 - 8	Более 55	40	45
		35-55	30	40
		20-35	20	30
3	До 2	Любой	15	30

Таблица 3.2

Исходные данные

Наименование показателей	Первая цифра номера варианта
	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
Годовая производительность карьера по руде, млн. т.	2	3	4	5	7	9	10	12	14	15
Расстояние транспортировки, км	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
Горизонтальная мощность рудного тела, м	120	100	80	90	110	130	150	140	120	100
Длина рудного тела, м	500	700	900	1000	1200	1500	1700	2000	2500	3000
Угол падения рудного тела, град	50	55	60	65	70	80	70	65	60	55
Мощность наносов, м	10	15	20	10	15	20	20	10	15	20
Мощность прослойков пустых пород, м	10	15	-	10	15	20	15	20	10	-
Климатический район	Южный	Средний	Северный	Южный	Средний	Северный	Южный	Средний	Северный	Южный

Таблица 3.3

Характеристика горных пород

Наименование показателей	Вторая цифра номера варианта
	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
Коэффициент крепости пород по шкале проф. М.М. Протодьяконова	11	16	7	5	12	15	8	6	10	9
Плотность горной породы, т/м3	2,9	3,2	2,3	2,1	3,0	3,1	2,6	2,2	2,7	2,5
Категория пород по трещиноватости	IV	III	II	I	V	V	II	I	III	IV
Взрываемость пород	Трудновзрываемые	Средневзрываемые	Легковзрываемые	Легковзрываемые	Трудновзрываемые	Трудновзрываемые	Средневзрываемые	Легковзрываемые	Средневзрываемые	Средневзрываемые
Обводненность пород	Сухие	Обводненные	Сухие	Обводненные	Сухие	Обводненные	Сухие	Обводненные	Сухие	Обводненные
Граничный коэффициент вскрыши, м3/м3	3	4	5	6	7	8	7	6	5	4

Определить длину и ширину карьера по верхнему контуру

L_в = L_p + H_к·(ctg_в + ctg_л), м (3.2)

В_в = m_г + H_к·(ctg_в + ctg_л), м (3.3)

где L_p длина рудного тела по простиранию (табл. 3.1), м.

Вычертить в масштабе 1:500, 1:1000, 1:2000 поперечный разрез месторождению с контурами карьера и упрощённый план карьера на конец отработки (рис. 3.1). Размеры карьера по дну принять равными длине и горизонтальной мощности залежи.

Вычислить запасы полезного ископаемого в контуре карьера

V_p = (m_гm_п)·(Н_кh_н)·L_p, м³ (3.4)

где h_н мощность наносов (см. табл. 3.1), м.

Определить объем горной массы в контуре карьера

V_г.м = m_г ·L_p·H_к + H²_к·(L_p + m_г)·ctg_ср+1,05H³_к·ctg²_ср, м³ (3.5)

где _ср средний угол откоса бортов карьера при погашении, град.

Величину _ср можно найти как среднее арифметическое от суммы углов откоса бортов карьера со стороны висячего и лежачего боков залежи.

Найти средний коэффициент вскрыши и сравнить его с граничным

м³/м³ (3.6)

Оптимальным будет контур карьера, для которого К_ср ? К_гр. Если условие не выполняется, то необходимо уменьшить глубину карьера, до такой величины при котором оно будет выполнятся.

Вычислить производительность карьера по вскрыше и горной массе:

, млн. м³ (3.7)

А_г.м = А_р·(1+К_ср), млн. т. (3.8)

где А_р годовая производительность карьера по руде (табл. 3.1), млн. т; плотность полезного ископаемого (табл. 3.2), т/м³.



Рисунок 3.1 Поперечный разрез и план карьера на коней отработки

По табл. 3.4, 3.5 с учетом расчетной годовой производительности карьера по горной массе и заданного расстояния транспортирования (табл. 3.1) подобрать емкость ковша экскаватора и соответствующее транспортное оборудование. По емкости ковша выбрать (см. прил. 1) модель экскаватора, по прил. 2, 3 или 4 модель подвижного состава.

Таблица 3.4

Рациональные сочетания емкости ковша экскаватора и грузоподъемности автосамосвалов

Годовая производительность карьера по горной массе, млн.т	Расстояние транспортировки, км	Емкость ковша экскаватора, м3	Грузоподъемность автосамосвала, т
До 5	До 1,5-2,0	2-3	10-18
6-12	До 2,5-3,0	4-5	27-30
13-20	До 3,0-3,5	6-8	40-65
21-40	До 4,5-5,0	8-12	80-120
Более 40	До 7,0-8,0	12-20	150-180 и более

Таблица 3.5

Рациональные сочетания емкости ковша экскаватора и подвижного состава железнодорожного транспорта

Годовая производительность карьера по горной массе, млн.т	Расстояние транспортировки, км	Емкость ковша экскаватора, м3	Локомотив	Грузоподъемность думпкара, т
До 30	До 10	4-8	EL-1	85, 105
31-50	11-15	8-12	EL-1, ПЭ-2М, ПЭ-3Т, ЭПЭ-2	105, 180
Более 50	16 и более	12-20	EL-10, ПЭ-2М, ПЭ-3Т, ОПЭ-2	105, 180

Тип бурового станка выбирают в зависимости от принятой модели экскаватора и крепости пород (по шкале М.М.Протодьяконова, табл. 3.6). Техническая характеристика буровых станков приведена в прил. 5 - 7. Мощному экскаватору, допускающему повышенную крупность кусков взорванной горной массы, должны соответствовать станки для скважин повышенного диаметра.

Обосновать режим работы карьера, пользуясь рекомендациями института «Гипроруда». Режим работы карьера должен быть круглогодовым.

Для крупных карьеров с годовой производительностью свыше 25млн. т горной массы принимать непрерывную рабочую неделю и три смены в сутки.

Для карьеров с годовой производительностью до 1,5 млн.т горной массы - пятидневную рабочую неделю и две смены в сутки.

Для карьеров с годовой производительностью свыше 1,5, но менее 25 млн.т горной массы - шестидневную рабочую неделю и две, либо три смены в сутки.

Таблица 3.6

Оптимальные сочетания типов экскаваторов и буровых станков

Коэффициент крепости пород	Модель мехлопаты	Модель бурового станка	Диаметр долота, мм
Слабые	ЭКГ-5	СБР-125	161
2-6	ЭКГ-8и, 10	СБР-160	214
	ЭКГ-12,5; ЭКГ-20	СБР-160	243
Средней крепости	ЭКГ-5	2СБШ-200Н	244,5
7-10	ЭКГ-8и, 10	СБШ-250МН	269,9
	ЭКГ-12,5; ЭКГ-20	СБШ-320	320
	ЭКГ-3,2	2СБШ-200Н	190,5
Крепкие	ЭКГ-5	СБШ-250МН	244,5
11-14	ЭКГ-8и, 10	СБШ-250МН	320
	ЭКГ-12,5; ЭКГ-20	СБШ-320	320
Весьма крепкие	ЭКГ-5	СБУ-160	160
более 14	ЭКГ-8и, 10	СБУ-200	200
	ЭКГ-12,5; ЭКГ-20	СБУ-200	200

С учётом заданного климатического района по табл. 4.7 принять число рабочих дней карьера в течение года.

Таблица 3.7

Число рабочих дней в году (по «Гипроруде»), сут

Климатический район	Продолжительность рабочей недели, сут
	7	6	5
Средние	340	290	242
Северные	350	300	250
Южные	355	305	254

Контрольные вопросы и задания

1. Дайте характеристику элементов и параметров карьера: глубину, размеров по дну и верхнему контуру, углов откоса бортов.

2. Перечислите какие факторы влияют на глубин карьера при разработке крутопадающих месторождений.

3. Что называется уступом? Опишите элементы уступа.

4. Что понимается под запасами полезных ископаемых?

5. Что понимается под коэффициентом вскрыши? Назовите размерность коэффициента вскрыши?

6. Перечислите виды коэффициента вскрыши. Поясните их.

7. Назовите условия при котором открытая разработка считается экономически целесообразной.

8. Назовите и поясните сущность двух основных видов работ при открытой разработке.

9. Поясните, как определяется годовой объем горных работ на карьере.

10. Сформулируйте особенности оконтуривания карьеров при разработки пологих и крутопадающих месторождений.

11. Дайте понятие о комплексе карьерного оборудования.

12. Объясните, каким образом выбирается основное горно-транспортное оборудование на карьерах.

13. Какие факторы необходимо учитывать при выборе модели бурового станка?

14. Как устанавливается режим горных работ на карьерах?

Практическая работа 2 РАСЧЕТ параметров ВЗРЫВНЫХ СКВАЖИН и производительности БУРОВОГО СТАНКА

Цель работы. Расчет эксплуатационных параметров взрывных скважин, установление производительности бурового станка в конкретных горно-геологических условиях.

Порядок выполнения работы

Вначале нужно с учетом рабочих параметров карьерных мехлопаты определить высоту уступа: высота уступа по ЕПБ при разработки месторождений полезных ископаемых открытым способом не должна превышать максимальную высоту черпанья экскаватора при разработки горных пород одноковшовыми экскаваторами типа «механическая лопата» без применения буро- взрывных работ (БВР) и более чем 1,5 раза высоту черпанья экскаваторов типа «механическая лопата» при разработки скальных пород с применением БВР.

С учетом изложенного следует определить высоту уступа

, м, (3.9)

где H_ч.max - максимальная высота черпанья принятого экскаватора (см. прил. 1), м.

Минимальное значение высоты уступа соответствует разработки экскаватором наносов, а максимальная - коренных пород. Округлим расчетное значение высоты уступа до ближайшего значения из ряда: 10, 12, 15, 20 м.

Теперь установим (табл. 3.8) угол откоса рабочего уступа.

Таблица 3.8

Угол откоса уступа и ширина призмы обрушения (по «Гипроруде»), м

Коэффициент крепости по шкале проф. М.М. Протодьяконова	Угол откоса, град.	Высота уступа
	устойчивого уступа	рабочего уступа	10	12	15	20
26	35	45	4	5	6	8,5
710	60	70	3	3	3,5	4,5
1114	65	75	3	3	3	4
1520	75	85	3	3	3	4

Далее нужно обосновать угол наклона скважины к горизонту. Для этого следует ориентироваться на применение наклонных скважин, пробуриваемых параллельно откосу уступа (с учетом технических возможностей принятого бурового станка).

Затем с точностью до 0,5 м глубину скважины

, м, (3.10)

где угол наклона скважины к горизонту, град.; l_п длина перебура, м,

l_п = (0,1 - 0,25)h, (3.11)

но не более 3 м. Длина перебура возрастает с увеличением крепости разрушаемых пород.

После этого вычислим диаметр скважины

d_c = K_p.c d_д, мм, (3.12)

где d_д диаметр долота, мм; К_р.скоэффициент расширения скважины при бурении (изменяется от 1,05 в монолитных породах до 1,2 в чрезвычайно трещиноватых) (см. табл. 3.2).

Для выбранного в практической работе №1 бурового станка определяем сменную производительность

, м/см (3.13)

где Т_см продолжительность смены, мин.; Т_п.з продолжительность подготовительно-заключительных операций, мин., Т_п.з = 20 - 30; Т_р продолжительность регламентированных перерывов, мин., Т_р = 10 - 30; Т_в.п внутрисменные внеплановые простои, мин., Т_в.п = 60 - 90; t₀ основное время, затрачиваемое на бурение 1м скважины, мин.; t_в продолжительность вспомогательных операций при бурении 1 м скважины, мин.

Длительность вспомогательных операций для вращательного (шнекового) бурения составляет 1,5 - 4,5 мин...