Подготовленные, вскрытые и готовые к выемке запасы
РАБОЧАЯ ЗОНА КАРЬЕРА
Как в период строительства, так и в период эксплуатации карьера одновременно разрабатывается несколько уступов. Каждый из них имеет рабочий и нерабочий фронт, т. е. ту часть уступа, в пределах которой длительное время (не менее года) выемка пород не производится.
Каждый нижерасположенный уступ отделяется от вышележащего предохранительными и транспортными бермами. Такие бермы обязательны как в рабочей, так и в нерабочей части фронта уступа. Между рабочими фронтами уступов обязательно оставляют рабочие площадки, ширина и длина которых устанавливаются проектом.
Зона, в которой выполняются основные технологические процессы открытых горных работ, называется рабочей зоной карьера. Примеры рабочих зон показаны на рис. 9.1.
Рис. 9.1. Схемы рабочих зон карьера: а и б – при разработке горизонтальных залежей; в и г – при разработке крутых залежей; 1 – вскрышная рабочая зона; 2 – добычная рабочая зона; 3 – зона горно-подготовительных работ; 4 – направление подвигание фронта работ
Рабочая зона может охватывать один, два или все борта карьера. Она представляет собой перемещающуюся и изменяющуюся по размерам и форме поверхность, имеющую разнообразную пространственную конфигурацию и различное со временем положение в пространстве карьерного поля.
В период строительства рабочая зона карьера включает только вскрышные уступы, а к концу горно-капитальных работ – и добычные. При эксплуатации в рабочей зоне карьера выделяются зоны вскрышных, добычных и горно-подготовительных (нарезных) работ (см. рис. 9.1).
Число вскрышных, добычных и горно-подготовительных блоков уступа и забоев устанавливается не произвольно, так как от этого зависит выполнение, планов по отдельным видам работ и планомерность разработки месторождения согласно проекту и графику режима горных работ.
На каждом уступе рабочей зоны различают:
интенсивные горные работы, когда каждая выемочная машина на уступе имеет относительно короткий фронт работ и годовое подвигание фронта примерно равно или больше протяженности фронта работы машины;
н е и н т е н с и в н ы е горные работы, когда годовое подвигание значительно меньше длины фронта работ выемочной машины.
В различные периоды разработки каждого уступа степень интенсивности горных работ существенно меняется. Она является наибольшей в период вскрытия горизонта и проведения разрезных траншеи, а затем снижается вследствие увеличения протяженности фронта работ. При затухании работ число действующих забоев и протяженность фронта работ постепенно сокращаются.
Содержание большего, чем это необходимо, числа действующих забоев на уступе связано с нерационально большим размером рабочей зоны карьера, увеличением транспортных и энергетических коммуникаций и затрат. В принципе, чем меньше размеры рабочей зоны, чем более концентрированно и интенсивно ведутся горные работы, тем экономичнее разработка. Однако при этих размерах не должны нарушаться планомерность горных работ и воссоздание системы разработки.
Размеры рабочей зоны зависят от периода разработки, типа разрабатываемого месторождения, изменяющихся с глубиной углов откосов рабочих бортов, углов откосов бортов на момент погашения открытых работ, размеров карьерного поля и от принятого направления развития горных работ. В общем случае высота рабочей зоны карьера равна сумме высот разрабатываемых уступов. В период строительства и освоения проектной мощности карьера рабочая зона непрерывно увеличивается в плане и по высоте при разработке месторождений любых типов. Далее в период, когда достигнута проектная мощность карьера, размеры рабочей зоны достигают своих максимальных значений, если не снижается интенсивность горных работ.
В последующие периоды при разработке горизонтальных и пологих залежей рабочая зона, имея полное развитие по высоте и в плане, смещается в заданном направлении, размеры ее изменяются только частично в результате изменения конфигурации карьерного поля и создания дополнительных передовых уступов на участках повышения рельефа поверхности. При этом отсутствует необходимость в проведении горно-подготовительных работ. Рабочие зоны при разработке горизонтальных и пологих залежей обычно непрерывны как по вскрышным, так и по добычным работам и сравнительно устойчивы по размерам; поэтому они называются сплошными зонами.
При разработке наклонных и крутых залежей рабочая зона увеличивается в плане и по высоте из-за разноса бортов и вскрытия новых горизонтов до тех пор, пока верхние уступы не достигнут промежуточных (этапных) пли конечных границ карьерного поля на поверхности. При этом возрастают годовые объемы работ по горной массе.
После достижения конечных контуров горные работы на верхних уступах прекращаются и рабочая зона смещается по вертикали. При этом обычно уменьшаются ее размеры в плане и сокращаются годовые объемы работ по горной массе.
Рабочие зоны при разработке наклонных и крутых залежей называются углубляющимися рабочими зонами. Характерными признаками таких рабочих зон являются переменные число рабочих уступов и их размеры.
Подготовленные, вскрытые и готовые к выемке запасы
Уступ, подлежащий разработке, должен быть подготовлен к выполнению основных (технологических) процессов: подготовки пород к выемке, выемочно-погрузочных и транспортных работ. Так, например, до разработки верхнего уступа карьера производится подготовка поверхности, дренажные работы и осушение массива по крайней мере в пределах первых рабочих уступов. Для нижерасположенных уступов подготовка заключается прежде всего в выемке пород вышерасположенных уступов с соблюдением проектных размеров рабочих и нерабочих площадок, а также в демонтаже оборудования, различных коммуникаций, в уборке навалов породы с верхней площадки (если они оставлены по каким-либо причинам), ликвидации нависей, опасных для обслуживающего персонала и оборудования, и т. д.
Под подготовленными запасами горной массы уступа понимают те объемы, которые могут быть вовлечены в начальные технологические процессы (бурение, взрывание, механическое рыхление и др.), предшествующие выемочно-погрузочным работам, или хотя бы в один из начальных процессов.
Для выполнения основных процессов — выемки, погрузки и перемещения пород из забоев к пунктам приема грузов — необходимо вскрыть уступ, т, е. провести вскрывающую выработку, уложить транспортные коммуникации, создать первоначальный забой для выемки пород. Часть подготовленных запасов горной массы, к которым обеспечен транспортный доступ, необходимый для выемки и перемещения пород, называется вскрытыми запасами горной массы уступа.
Осуществление полного комплекса технологических процессов возможно только в пределах вскрытых запасов горной массы. Обычно объем вскрытых запасов меньше подготовленных запасов, в отдельных случаях они могут быть равными.
Часть вскрытых запасов являются готовыми к выемке запасами горной массы уступа. К ним относятся запасы, которые готовы к выемке, погрузке и перемещению непосредственно из массива (мягкие и часто плотные породы) или после взрывания, механического рыхления и т. д. (скальные, полускальные и иногда плотные породы).
В частных случаях, например при выемке мягких пород без предварительной подготовки, вскрытые и готовые к выемке запасы одинаковы. На рис. 9.2 показаны примеры расположения подготовленных, вскрытых и готовых к выемке запасов горной массы уступа.
Рис. 9.2. Схематическое изображение запасов горной массы (текущих) при разработке горизонтальных залежей с мягкими (I) и скальными (II) породами и при разработке крутых залежей (III): а, б, в, г – последовательное изменение запасов; 1 – полезное ископаемое; 2 – подготовленные запасы п.и.; 3 и 4 – соответственно обуренный и взорванный объем подготовленного п.и.; 5 и 6 – вскрытый объем породы и вскрытые запасы п.и. соответственно; 7 – готовые к выемке запасы п.и.; 8 и 9 – соответственно обуренный и взорванный объемы породы.
Естественно, из запасов горной массы выделяются соответственно подготовленные, вскрытые и готовые к выемке запасы полезного ископаемого разных сортов и видов и, если это необходимо, запасы некондиционных и забалансовых руд и попутно добываемых полезных ископаемых.
После определения запасов в пределах каждого уступа суммированием находят общие подготовленные, вскрытые и готовые к выемке запасы горной массы и полезных ископаемых для карьера в целом.
По мере подвигания фронта работ вышележащих уступов и изменения положения транспортных коммуникаций объемы горной массы нижележащих уступов переходят в подготовленные запасы, а затем последовательно или одновременно во некрытые и готовые к выемке (рис. 9.3).
Необходимо различать, запасы горной массы и полезного ископаемого на фиксированный момент времени — текущие и на определенный период работы карьера (чаще всего годовой) — плановые.
Подготовленные и вскрытые запасы горной массы на уступах, о которых говорилось выше, относятся к текущим. Этих запасов должно быть достаточно для выполнения всех подготовительных работ, и этим положением определяются объемы соответствующих рабочих блоков: подготовленных к бурению, буровых, изрываемых и др.
Готовых к выемке запасов должно быть достаточно для ритмичной работы выемочно-погрузочного оборудования, а в добычной зоне — также для обеспечения необходимого сортамента полезного ископаемого и текущих плановых показателей по качеству. В настоящее время на мощных карьерах готовые к выемке запасы горной массы на один экскаватор составляют, как правило, не менее его месячной производительности. Подготовленные и вскрытые запасы на любой момент времени должны обеспечить готовые к выемке запасы
Плановые подготовленные и вскрытие запасы горной массы и полезного ископаемого необходимы для обеспечения выполнения проектных объемов вскрышных, добычных и горно-подготовительных работ при принятом порядке их производства. Обьем и местоположение этих запасов устанавливаются при годовом планировании горных работ с учетом возможности временного прекращения работ на отдельных или всех вскрышных уступах, изменения качества полезного ископаемого в недрах и т. д. Плановые запасы горной массы определяются подвиганием всех нижних уступов относительно какого-либо верхнего, остановленного.
Запасы полезного ископаемого, согласно ПТЭ, подсчитывают по состоянию на 1 апреля и 1 октября каждого года. Их объем должен обеспечивать мощность карьера на определенные периоды эксплуатации в соответствии с действующими отраслевыми инструкциями.
При сезонном ведении вскрышных работ подготовленные запасы полезного ископаемого на 1 октября должны быть больше тех запасов, которые можно отработать за период прекращения работы вскрышного оборудования.
К моменту сдачи карьера в эксплуатацию подготовленных запасов полезного ископаемого при круглогодовой работе должно быть достаточно для выполнения не менее трехмесячного плана добычи первого года эксплуатации, а при сезонной работе не менее шести- или семимесячного плана.
Подготовленные и вскрытые запасы подсчитывают методом горизонтальных сечений на плане горных работ, выполненном в масштабе не менее 1 : 1000. Для этого на каждом горизонте между нижней и верхней бровкой смежных уступов определяют площади подготовленных, вскрытых и готовых к выемке запасов, соответствующую среднюю высоту уступа и плотность вскрышных пород и полезного ископаемого. Результаты расчетов определяются в объемах и тоннах запасов горной массы, руды (и тоннах металлов) по их видам.
В практике открытой разработки угля, различных руд и строительных горных пород широко пользуются понятиями вскрытых, подготовленных и готовых к выемке запасов применительно только к полезному ископаемому. Далее в одном ведомстве пока не удастся строго увязать определение запасов и их графическую интерпретацию применительно ко всему разнообразию условии залегания полезных ископаемых, особенно при перемежаемости в пределах уступа вскрышных пород, забалансовых и балансовых полезных ископаемых.
Проектирование технологии и комплексной механизации открытых горных работ
Рациональная горная технология должна обеспечивать реализацию календарного плана вскрышных и добычных работ и получение продукции требуемого качества в необходимых объемах, поддержание условий производства работ, отвечающих Правилам технической эксплуатации и Единым правилам безопасности при разработке месторождений полезных ископаемых открытым способом, обеспечивать наименьшее возможное вредное воздействие на окружающую среду при минимуме затрат энергии и труда на осуществление технологических процессов. Таким образом, целями проектирования технологии и комплексной механизации открытых горных работ являются выбор и взаимная увязка технологических процессов производства подготовительных, вскрышных и добычных работ, а также работ по первичной переработке и подготовке к отправке полезного ископаемого потребителю и вспомогательных работ, выбор и взаимная увязка типов и моделей комплекса машин для выполнения этих процессов.
Выбор технологии открытых горных работ определяется физико-механическими свойствами пород, характером залегания месторождения, главными параметрами карьера (конечной глубиной, размерами по поверхности и дна, углами откосов бортов, запасами полезного ископаемого, производительностью и сроком существования), календарным планом разработки, параметрами вскрытия и системы разработки.
Имеющийся широкий арсенал технических средств позволяет не только варьировать технические средства выполнения тех или иных процессов, но и принимать различные сочетания этих средств как по видам, так и по моделям.
Параллельно с выбором вида и параметров машин для выполнения отдельных технологических процессов должно планироваться изменение физико-механических свойств породы, которое необходимо получить или которое возникнет непроизвольно в результате проведения самих процессов. В качестве исходных принимаются физико-механические свойства породы до проведения процесса, а в качестве ее выходных характеристик — те, которые должны быть получены в результате проведения процесса. Прогнозируется также изменение этих свойств с течением времени. Так, степень разрушения пород должна быть строго увязана с видом и моделями буровых станков и технологией взрывных работ, а также с горным и транспортным оборудованием.
При проектировании технологии разработки и комплексной механизации работ в качестве исходных принимаются следующие данные:
природные—физико-механические свойства разрабатываемых пород, геологические и гидрогеологические условия месторождения, климатические условия района, рельеф поверхности карьерного поля, виды и назначение полезного ископаемого, его ценность и запасы;
технологические и технические—календарный план разработки, включая годовую производительность карьера по полезному ископаемому и вскрыше; геометрические параметры карьера и срок его службы, расстояния до отвалов и пунктов приема полезного ископаемого на поверхности; ограничения, налагаемые размерами и конфигурацией карьерного поля, требованиями правил технической эксплуатации и охраны окружающей среды, а также требования потребителя к качеству продукции, к ритмичности и надежности поставок продукции;
организационные—наличие трудовых и энергетических ресурсов, возможность получения, сроки поставки и монтажа оборудования, сроки строительства карьера, условия взаимодействия с энергетической, транспортной и другими системами;
экономические—допускаемые капитальные затраты, возможность получения кредитов и условия их погашения.
Проведение процесса проектирования осуществляется в следующей последовательности.
Анализ исходных данных и выявление основных факторов, определяющих выбор технологии и типов оборудования для ее реализации. Разработка основных требований к технологии и комплексу оборудования и формирование предварительных предложений (вариантов). В проект должны закладываться более высокие технико-экономические показатели по сравнению с достигнутыми на аналогичных предприятиях. Фактически нужно выработать для анализа такие предложения, которые позволяют этого добиться, или быть совершенно уверенным в том, что этого нельзя сделать. Технико-экономическое сопоставление вариантов, т. е. выработка решения о принятии конкретной технологии и типах машин.
В рамках детального проектирования—проектирования технологических процессов—рассчитываются технические показатели работы машин по всем технологическим процессам (производительность, парк и т. д.) и окончательно принимаются элементы системы разработки. Выбор технологии и механизации отдельного технологического процесса непременно должен осуществляться не только 6 точки зрения его эффективности, но и с учетом всех его взаимосвязей со всеми другими процессами и исключительно с точки зрения достижения максимальной суммарной эффективности функционирования всего комплекса оборудования.
Так, увеличение степени измельчения в процессе производства взрывных работ, невыгодное с точки зрения процесса подготовки горных пород к выемке, может принести гораздо больший эффект за счет повышения производительности оборудования на выемке, транспортировании и отвалообразовании вскрышных пород или переработке полезного ископаемого. При выборе комплекса оборудования необходимо учитывать значимость (вес) того или иного процесса в общей технологии.
Исходя из того, что затраты на транспортирование горной массы составляют от 40 до 70% общих затрат на разработку пород, этому процессу должен отдаваться приоритет перед другими предшествующими и последующими технологическими процессами, т. е. они должны так «подстраиваться» под основной процесс, чтобы обеспечить его максимальную эффективность. При этом важно не просто обеспечить высокую производительность оборудования в каждом процессе, но и надежность, ритмичность работы и долговечность эксплуатации.
Кроме того, должны быть приняты во внимание технические, организационные и экономические ограничения, такие, как нежелательное влияние параметров процесса на увеличение значений элементов системы разработки (повышение степени дробления достигается увеличенным расходом ВВ и приводит к увеличению ширины развала и как следствие—к нежелательному росту ширины рабочей площадки).
Таким образом, при формировании комплекса оборудования должно быть обеспечено соответствие технологических характеристик горных пород и самого процесса (крупность пород, параметры развала и т. д.) техническим условиям применения оборудования, а его производительности по смежным технологическим процессам должны соответствовать друг другу. Выходные характеристики полезного ископаемого (крупность, однородность состава и свойств, количество нежелательных примесей, внесенных в процесс извлечения) должны соответствовать предъявляемым требованиям, а работа комплекса оборудования всего карьера должна обеспечивать планомерную, в соответствии с интенсивностью грузопотоков, подготовку горных пород к выемке, их выемку и погрузку, перемещение, складирование и при необходимости и первичную переработку полезного ископаемого.
При всем разнообразии разрабатываемых месторождений и имеющихся средств механизации процессов производства при проектировании технологии следует стремиться к минимальному числу технологических процессов, а также к минимальным общим затратам энергии и труда на их осуществление и на ликвидацию нежелательного вредного воздействия на окружающую среду. Эти затраты, отнесенные к 1 м3, зависят от показателей трудности разрушения породы, климатических, топографических и гидрогеологических условий разработки, масштаба горных работ и размера карьерного поля, применяемых технических средств, требуемой крупности разрушения пород, организации производства отдельных процессов и горных работ в целом.
Комплекс оборудования, выбираемый для реализации принимаемой технологии, должен быть ориентирован на поточную технологию (в случае применения оборудования цикличного действия и технологических процессов, выполняемых циклично, это требование реализуется в виде создания ритмично функционирующей системы—потока) и отвечать следующим требованиям:
1. Паспортные характеристики машин должны соответствовать физико-механическим свойствам и горнотехнологическим характеристикам пород при выполнении каждого процесса, а также геологическим и климатическим условиям разработки и района месторождения.
2. Машины должны обеспечивать техническую возможность выполнения работ при некоторых изменениях (ухудшениях) условий работ.
3. Комплекс оборудования должен соответствовать принятым параметрам разработки и вскрытия, размерам и форме карьера, его мощности, т. е. скорости производства работ комплексами оборудования должны полностью соответствовать скоростям развития поверхности карьера, которые установлены при проектировании календарного плана вскрытия и режима горных работ и количественно выражены значениями элементов системы разработки.
4. Отдельные машины комплекса по своим параметрам и назначению должны соответствовать друг другу (высота погрузки и разгрузки, отношение геометрических емкостей и т. д.).
5. Комплексы должны обладать определенными резервами мощности по сравнению со среднечасовыми показателями их работы и иметь запас мощности 1,2—1,3 (при разработке мягких пород) и не более 1,5—1,7 (при разработке скальных и разнородных пород).
6. Предпочтительно применять более мощную технику. Однако ведущим условием ее применения должно быть обеспечение максимального использования во времени. Наибольший экономический эффект достигается только при условии полного использования мощности и производительности машин, входящих в комплекс, в первую очередь ведущих машин. При этом необходимо обеспечить надежность поставок полезного ископаемого и быстрое выполнение ремонтов оборудования.
7. Ведущими машинами комплекса следует считать выемочные и транспортные машины.
При разработке исключительно трудноразрабатываемых пород ведущими машинами могут стать и буровые станки, так как они ограничивают производительность комплекса, с учетом чего осуществляют выбор оборудования и параметров разработки.
8. Следует отдавать предпочтение комплексам оборудования с минимальными объемами вспомогательных и слабомеханизированных работ, что обеспечивает уменьшение числа рабочих, в том числе на вспомогательных и малопроизводительных работах.
Следовательно, общими принципами формирования комплексов оборудования являются: поточное производство; совмещение процессов, кратчайшее расстояние перемещения горной массы, сокращение объемов вспомогательных работ.