Сущность открытых горных работ по добыче полезных ископаемых.
Открытый способ добычи полезных ископаемых представляет собой совокупность горных работ, при которой все процессы, связанные с извлечением полезного ископаемого из недр, совершают на дневной поверхности. Горное предприятие, осуществляющее разработку месторождения полезных ископаемых открытым способом, называют карьером, а в угольной промышленности – разрезом.
Одной из характерных особенностей открытых горных работ является необходимость удаления значительных масс покрывающих и вмещающих пород. Объем удаляемых пустых пород (вскрыши) обычно в 3-5 раз превосходит объем извлекаемого из недр полезного ископаемого, а при добыче весьма ценных полезных ископаемых – в 10 раз. Вскрышу укладывают в специальные насыпи – отвалы. Совокупность объемов полезного ископаемого и пустых пород называют горной массой.
При производстве открытых горных работ в земной коре образуются выемки – котлованы. Они представляют собой совокупность открытых горных выработок, называемых карьером. Таким образом, понятие «карьер» имеет два значения – техническое и административно-хозяйственное (горное предприятие с открытым способом разработки). Месторождение или часть его, разрабатываемую карьером, называют карьерным полем. Размеры карьерного поля определяют общие объемы горных работ и возможную производственную мощность карьера. В процессе извлечения полезного ископаемого и удаления пустых пород (вскрыши) образуется открытое выработанное пространство.
Выемку полезного ископаемого, покрывающих и вмещающих пород ведут слоями, начиная с верхних слоев. В результате разрабатываемый массив горных пород приобретает форму уступов. Уступ – это часть слоя горных пород, имеющая форму ступени и разрабатываемая самостоятельными средствами рыхления, выемки и транспорта. Различают рабочие и нерабочие уступы. На рабочих уступах ведут отработку массива полезного ископаемого и вскрыши. Рабочий уступ иногда подразделяют по высоте на подуступы, которые разрабатывают последовательно или одновременно разными (теми же) выемочно-погрузочными машинами, но обслуживают общим транспортным горизонтом. Поверхности, ограничивающие уступ сверху и снизу, именуют верхней и нижней площадками, а наклонную поверхность, ограничивающую уступ со стороны выработанного пространства – откосом уступа. Линии пересечения откоса уступа с его верхней и нижней площадками называют верхней и нижней бровками. Расстояние по вертикали между верхней и нижней площадками называют высотой уступа. Ее величина зависит от рабочих размеров применяемого выемочно-погрузочного оборудования и физико-механических свойств пород.
Угол, образованный откосом уступа и его проекцией на горизонтальную плоскость, называют углом откоса уступа. На рабочих, постоянно перемещающихся, уступах его величину устанавливают с таким расчетом, чтобы сохранить устойчивое положение откоса уступа на сравнительно короткий срок (несколько месяцев). Углы откосов нерабочих уступов, достигающих при разработке месторождения своего предельного положения, должны обеспечивать длительную устойчивость пород практически на весь срок существования карьера. Часть откоса уступа, служащая объектом воздействия горного оборудования при его разработке, является забоем.
Уступы отрабатываются последовательными полосами называемыми заходками. Торец заходки, где осуществляются горные работы по отработке уступа, получил название забой. Горизонтальные, реже наклонные, плоскости, ограничивающие уступы по высоте, называются нижней и верхней рабочими площадками. Наклонная плоскость, ограничивающая уступ со стороны выработанного пространства, называется откосом уступа. Линии пересечения откоса уступа с верхней и нижней площадками именуются, соответственно нижней и верхней бровкой.
Совокупность уступов по боковым сторонам карьера образует его борта. Площадки уступов разделяются на рабочие, где располагаются горные машины и оборудование по отработке уступа, и не рабочие – бермы. Бермы служат для передвижения транспорта и обеспечения устойчивости горных пород бортов карьера.
Нижняя поверхность карьера – это его дно (подошва). Вертикальное расстояние между дном карьера и усредненной отметкой дневной поверхности называют глубиной карьера. Линии пересечения бортов карьера с поверхностью и дном образуют верхний и нижний контуры карьера. Контуры, соответствующие моменту окончания горных работ, называют конечными. Условную поверхность, проходящую через верхний и нижний контуры, именуют откосом борта карьера, а угол, образованный откосом борта и его проекцией на горизонтальную плоскость, – углом откоса борта карьера. Углы откосов бортов карьера на момент погашения горных работ зависят от конструкции борта и должны обеспечивать устойчивое равновесие слагающих его пород. Уменьшение угла наклона борта карьера в его конечных контурах на 2–3° приводит к значительному увеличению вынимаемых объемов вскрыши и затрат на разработку месторождения.
Соотношение объемов вскрыши и полезного ископаемого характеризуют специальным показателем – коэффициентом вскрыши. Под ним понимают объемное или весовое количество пустых пород, приходящееся на единицу объема или массы полезного ископаемого. Коэффициент вскрыши показывает, сколько единиц вскрыши необходимо удалить из карьера, чтобы добыть 1 м3 или 1 т полезного ископаемого. Его размерности: весового – т/т; объемного – м3/м3; смешанного – м3/т.
110. Понятие о технологии открытых горных работ.
Технология открытых горных работ носит цикличный характер: бурение, взрывание, отгрузка взорванной горной массы. Бурение на открытых горных разработках осуществляется буровыми станками. Для отгрузки взорванной горной массы используются экскаваторы. При отработке россыпей бульдозеры. Вывоз вскрышных пород на отвал или полезного ископаемого на обогатительную фабрику осуществляется железнодорожным, автомобильным или конвейерным транспортом. Часть заходки ограниченная размерами выполнения одного цикла получила название блока. Длина блока составляет от нескольких десятков до нескольких сотен метров. Блок обуривается по всей площади и взрывается одновременно. При отработке блока он может быть разделен по высоте на подуступы.
Производственный процесс на карьерах можно разделить на связанные между собой технологические процессы, в ходе которых разрабатываемые горные породы изменяют свое агрегатное состояние и местоположение. Их условно подразделяют на основные и вспомогательные. Под основными понимают технологические процессы, выполняемые в определенной последовательности, в ходе которых добывают полезные ископаемые и удаляют вскрышные породы (вскрышу). К ним относят: подготовку горных пород к выемке, выемочно-погрузочные работы, перемещение (транспортирование) горной массы, складирование (отвалообразование) пустых пород и разгрузку или складирование полезных ископаемых.
Для успешного выполнения основных процессов на горных предприятиях организуют специальные службы и выполняют ряд вспомогательных процессов: электроснабжение, водоотлив, вентиляцию, ремонты оборудования, перемещение транспортных и энергосиловых коммуникаций, геологическое и маркшейдерское обслуживание, контроль качества продукции и др.
Все основные процессы на карьерах механизированы. Средства механизации выбирают в соответствии с характеристиками горных пород и оборудования, используемого в смежных процессах. Цепь взаимосвязанных машин и механизмов, обеспечивающих надежную и эффективную разработку и перемещение горных пород, называют комплексом карьерного оборудования.
Различают комплексы оборудования непрерывного, цикличного и комбинированного действия.
Механизацию и организацию работ на карьерах развивают на основе поточности, совмещения и независимости технологических процессов. Поточность достигается применением оборудования непрерывного действия и выполнением всех операций в строго установленной последовательности во времени и пространстве. Для совмещения процессов используют машины и механизмы комбинированного действия: буровзрывные комбайны, бурошнековые установки, выемочно-транспортные агрегаты и др. Независимость протекания смежных процессов обеспечивают за счет их опережения в пространстве и времени, применения оборудования с определенным резервом мощности, создания промежуточных складов (запаса взорванной горной массы, резервных отвальных участков и пр.)
111. Способы подготовки горных пород к выемке.
Процесс подготовки пород к выемке является начальным в единой технологической цепи на карьерах. От него зависят производительность комплекса оборудования и технико-экономические показатели разработки месторождения. Он включает широкий перечень работ, направленных на изменение естественного состояния горных пород с целью создания благоприятных условий для успешного протекания последующих производственных процессов (выемка и погрузка, транспортирование, отвалообразование), обеспечения безопасности производства и выдачи сырья определенного качества.
Подготовка горных пород к выемке включает: осушение горных пород, вовлекаемых в разработку; предохранение их от промерзания; повышение устойчивости откосов уступов; разупрочнение, изменение агрегатного состояния породного массива (оттайка мерзлых пород); его разрушение (разрыхление) и другие виды воздействия. Подготовленная горная масса должна соответствовать по крупности применяемому оборудованию и требованиям отгружаемого товара.
Разработку мягких, сыпучих и выветрелых пород в их обычном состоянии ведут всеми видами горновыемочного оборудования: экскаваторами, бульдозерами, скреперами, гидромониторами и т.п., без предварительной подготовки к выемке. При отрицательных температурах мягкие, сыпучие и рыхлые породы переходят в мерзлое (криогенное) состояние с резким увеличением прочностных характеристик. Поэтому их невозможно или нерационально разрабатывать без предварительной подготовки к выемке, включающей комплекс мер по защите от промерзания, оттаиванию, гидравлическому разупрочнению, взрывному или механическому разрушению.
Разработка плотных пород требует применения машин с повышенным усилием копания, либо дополнительной их подготовки перед выемкой. Осуществляется механическое рыхление такого грунта клыком тракторных агрегатов или взрывное разрушение его. Крепкие скальные и полускальные породы перед выемкой подготавливаются чаще всего взрывным способом.
Наиболее универсально и эффективно взрывное разрушение – основной способ подготовки к выемке на месторождениях с полускальными и скальными породами. Если применение взрывчатых веществ нежелательно (при отделении блоков облицовочного камня) или недостаточно экономично, успешно используют механические способы подготовки пород к выемке.
112. Требования к крупности дробления горной массы.
Максимальный размер куска породы не должен превышать допустимых размеров: для ковша экскаватора; вместимости кузовов транспортных средств; приемных отверстий дробилок и перегрузочных бункеров. степень дробления породы соответствовала параметрам погрузочных и транспортных машин.
Допускаемые размеры кусков взорванной горной массы определяют по рабочим параметрам погрузочного, транспортного и дробильного оборудования, а именно вместимости ковша экскаватора.
Допустимый размер куска горной массы исходя из вместимости ковша экскаватора:
| Вместимость ковша экскаватора, м3 | ||||||
| Допустимый размер куска, м | 0,75 | 0,9 | 1,1 | 1,3 | 1,5 |
Процент выхода негабаритной фракции представляет особый интерес для горных предприятий, потому что от выхода негабаритной фракции зависят производительность и продолжительность срока службы погрузочного и транспортного оборудования и надежность его работы: затраты времени на вторичное дробление, нарушающие ритмичность работы предприятия, а также связанные с дополнительным расходом ВВ и средств инициирования.
Куски породы, с линейными размерами более установленных, называются негабаритными кусками или просто негабаритами и подлежат вторичному дроблению. Выход негабарита при подготовке горной массы не должен превышать 5%, от объема подготавливаемых пород. Существуют и требования по количеству мелочи в подготовленной массе. Большое количество мелочи в отгружаемом угле или строительном камне понижает его сортность и выход полезного продукта. Учитывая цикличность производственного процесса открытых горных разработок, состоящего из подготовки блока, бурения, взрывания и его отгрузки, на необходимо иметь переходящий запас взорванной горной массы, т.е. возможность отгрузки горной массы в период выполнения комплекса буровзрывных работ на других блоках.
Наличие во взорванной горной массе большого количества крупных негабаритных кусков (в 1,5-2 раза) снижает производительность погрузочно-транспортного оборудования и срок его службы. Так, увеличение выхода негабарита с 2,5 до 5% вызывает снижение производительности экскаватора на 20…30%. При 20% выхода негабарита его производительность снижается в 2…2,5 раза. Вторичное дробление негабаритов, кроме того, нарушает ритм работы карьера.
Подготовка скальных пород взрывом на открытых разработках.
Под взрывом понимают процесс выделения большого количества энергии и большого объема газов за весьма короткий промежуток времени. В горной промышленности получили распространение взрывы с использованием химических взрывчатых веществ (ВВ). Выполняемые с помощью ВВ работы по разрушению твердых сред взрывом при разработке месторождений полезных ископаемых называют взрывными.
Они являются практически единственным способом подготовки к выемке скальных пород.
Для передачи максимальной энергии взрыва среде ВВ должно быть расположено, как правило, внутри массива разрушаемой породы в искусственно создаваемых полостях. Цилиндрические полости именуют шпурами или скважинами, скважины имеют диаметр более 75 мм и глубину свыше 5 м. Процесс искусственного образования в массиве шпуров и скважин называют – бурением. Для этой цели используют бурильные машины и агрегаты. Иногда нижнюю часть скважины расширяют, создавая шарообразную полость – «котел». Для размещения крупных зарядов, масса которых превышает несколько тонн, создают специальные подземные выработки – камеры. Разрушение отдельных кусков породы ведут наружными накладными зарядами.На карьерах наиболее распространен метод скважинных зарядов. Метод шпуровых зарядов применяют при разработке залежей незначительной мощности (до 1,5–3,0 м), при отбойке блоков облицовочного камня, для подработки подошвы уступов и разрушения крупных кусков породы. Метод котловых зарядов находит применение в тех случаях, когда расчетный заряд не размешается в скважине. Метод камерных зарядов используют при строительстве карьеров или сооружении плотин, насыпей, создании выемок для транспортных коммуникаций.
Взрывные работы должны обеспечить: требуемую кусковатость взорванной горной массы при сохранении сортности и качества полезного ископаемого; качественную проработку подошвы уступа; соответствие размеров и формы развала взорванной горной массы параметрам выемочно-погрузочного оборудования; объем взорванных пород, достаточный для бесперебойной и высокопроизводительной выемки и погрузки; высокую безопасность и экономичность горных работ. Взрывные работы на карьерах ведут в две стадии. На первой массив горных пород разрушают (первичное дробление), на второй – измельчают негабаритные куски (вторичное дробление), выравнивают подошву уступа, ликвидируют навесы, заколы и пр.
114. Классификация способов бурения и буровых станков на открытых горных разработках.
При механическом способе бурения разрушение или отделение части грунта от массива осуществляют внедрением в грунт под действием механических усилий бурового инструмента (резцов или коронок). По характеру разрушения грунта при бурении в результате приложения силовых нагрузок на инструмент можно выделить четыре механических способа бурения: вращательный, вращательно-ударный, ударно-вращательный и ударный (ударно-поворотный).
При вращательном бурении инструмент (резец) под действием значительного крутящего момента вращается вокруг оси, совпадающей с осью шпура или скважины, и одновременно с определенным усилием подается на забой. Ударные нагрузки при этом отсутствуют. При вращательном способе, бурение производится за счет резания, смятия и раздавливания грунта. Удаление продуктов разрушения из шпуров и скважин осуществляется с использованием витых штанг и шнеков, с помощью сжатого воздуха или воды. В зависимости от конструкции бурового инструмента вращательное бурение применяют для бурения в мягких и средней крепости грунтах с коэффициентом крепости до f=18.
При вращательно-ударном бурении силовое воздействие инструмента (коронки) на грунт слагается из крутящего момента, ударного импульса и значительного осевого усилия. Вращательно-ударное бурение отличается высокой производительностью и рекомендуется для бурения шпуров и скважин диаметром до 100 мм в малоабразивных грунтах с коэффициентом крепости f = 5…14.
Ударно-вращательное бурение характеризуется большим ударным импульсом, направленным по оси скважины и наносимым непосредственно по непрерывно вращающемуся инструменту, постоянно прижатому к забою. Разрушение грунта происходит преимущественно за счёт ударной нагрузки. Осевое усилие и крутящий момент при этом должны быть достаточными, чтобы резать грунт небольшими стружками и производить зачистку шпура (или скважины) от продуктов разрушения, не допуская большого износа коронки. Этот способ нашел применение в тяжелых бурильных машинах и хорошо зарекомендовал себя при бурении шпуров и скважин в крепких и абразивных грунтах с коэффициентом крепости f = 8…20, в том числе с использованием пневмоударников и другого оборудования.
Ударное (ударно-поворотное) бурение характеризуется значительным ударным импульсом, направленным по оси клиновидного инструмента, небольшим осевым усилием для прижатия инструмента к забою в момент удара и малым крутящим моментом. После каждого удара, вследствие упругих свойств инструмента и грунта, коронка со штангой отскакивает от забоя и поворачивается механизмом поворота на угол 10…20 градусов, для нанесения удара по новому месту на забое шпура или скважины. Разрушение грунта в забое шпура осуществляется за счет ударной нагрузки с перерывами для холостого хода ударника. Этот способ используют в бурильных молотках (перфораторах) для бурения в грунтах различной крепости (f = 6…20), в том числе в высокоабразивных грунтах. По принципу ударного-поворотного бурения работают также станки ударно-канатного бурения, применяемые на открытых горных работах для бурения скважин диаметром до 300 мм и глубиной более 40м.
В карьерах скважины бурят станками:
в породах с коэффициентом крепости f = 1 – 6 станками, типа СБР, БТС, вращательного бурения и резцовыми коронками, с очисткой скважины шнеком (шнекового бурения) – двух типоразмеров с условным диаметром буримой скважины 160 и 200 мм;
в породах с коэффициентом крепости f = 6 – 18 станками, типа СБШ, вращательного бурения с шарошечными долотами, с очисткой скважины сжатым воздухом (шарошечного бурения) – пяти типоразмеров с условным диаметром скважины 160, 200, 250, 320 и 400 мм;
в породах с коэффициентом крепости f = 10 – 20 станками, типа СБУ, ударно-вращательного бурения погружными пневмоударниками, с очисткой скважины сжатым воздухом (пневмоударного бурения) – трех типоразмеров с условным диаметром скважины 100, 125 и 160 мм.
Область применения станков различных типов зависит от свойств массива объема буровых работ, вида применяемого выемочно-погрузочного оборудования. Большинство буровых станков скомпонованы по общей конструктивной схеме (: гусеничная ходовая тележка, платформа, на которой смонтированы все исполнительные системы станка (мачта, стойки, рабочий орган, электродвигатели, компрессоры). Перед бурением платформу станка устанавливают в горизонтальное положение с помощью домкратов. Перевод мачты в рабочее и транспортное положение осуществляется гидродомкратами. Электроэнергию подают к станкам от передвижных комплектных трансформаторных подстанций (КТП) с помощью гибкого кабеля.