Системы подземной разработки с обрушением руды и вмещающих пород
От качества выпуска зависятпотери и разубоживание руды. Современные способы выпуска руды пока необеспечивают высоких показателей извлечения. Наблюдаются большие потери руды ивысокое ее разубоживание, а поэтому применять системы с обрушением руды ивмещающих пород целесообразно лишь при разработке руд невысокой ценности.
В настоящее время системы собрушением руды и вмещающих пород нашли широкое применение при разработкерудных месторождений. Они применяются как самостоятельные при выемке отдельныхрудных тел или же как вспомогательные при отработке целиков и потолочин вдругих системах разработки.
Системы разработки этого классаотличаются друг от друга высотой обрушаемого массива. Системы разработки сразделением этажа на подэтажи называются системами подэтажного обрушения,а системы разработки без разделения этажа на подэтажи — системами этажногообрушения.
Наиболее гибкими в примененииоказались системы подэтажного обрушения, с помощью которых успешно ведетсяразработка рудных месторождений в самых разнообразных условиях, в том числе ина больших глубинах с проявлением горного давления.
Следует отметить, что вопределенных условиях достаточно лишь произвести подсечку и отрезку подлежащегок обрушению рудного массива, как он начинает постепенно самообрушаться.
Можно вести как этажное, так иподэтажное самообрушение. В зависимости от этого различают системы подэтажногосамообрушения и системы этажного самообрушения.
Усилиями советских специалистов-горняков(М.В. Гуминский, В.Ф. Лавриненко и др.) разработаны методы управлениясамообрушением руды. Но темпы современной добычи руды иногда недостаточны дляосуществления процесса самообрушения. По этой причине системы разработки ссамообрушением руды в настоящее время применяются редко.
Рассмотрим наиболее широкоприменяемые системы разработки этого класса.
Система подэтажного обрушения сотбойкой руды глубокими скважинами применяется при разработке месторождениймощностью от 5-6 м до 150-200 м и более. Нижний предел мощности залежиограничивается в основном возможностями скважинной отбойки и выпуска руды.
Система подэтажного обрушения сотбойкой руды глубокими скважинами применяется в двух основных вариантах:
с отбойкой руды накомпенсационное пространство (горизонтальное, вертикальное, наклонное);
с отбойкой руды на ранееобрушенные руды или пустые породы (в зажиме).
Вариант системы подэтажногообрушения с отбойкой руды глубокими скважина ми на горизонтальноекомпенсационное пространство применяется при разработке месторождений среднеймощности и мощных (Рис.1).
Подготовка блоков как при этом,так и при других приведенных выше вариантах этой системы практически одинакова.Она включает проходку полевого откаточного штрека 1 и ортов 3. Изоткаточных ортов до отметки первого подэтажа проходят рудоспуски 2, ходовые8 и материальные 14 восстающие. На каждом подэтаже проходятхозяйственные орты 9 и штреки скреперования 7. На границах блока штрекискреперования соединяют вентиляционными ортами 4, из которых в лежачембоку проходят запасной ходовой восстающий 13.
/>
Рисунок 1 — Система подэтажногообрушения, с отбойкой руды глубокими скважинами на горизонтальноекомпенсационное пространство
Очистные работы начинают сподсечки, после выпуска руды из которой образуются горизонтальныекомпенсационные пространства (камеры) 10. Для большой устойчивости этихпространств между ними оставляют целик 6.
Массив руды разбуриваютглубокими скважинами 12 из специальных буровых выработок 11. Взрываниескважин осуществляют короткозамедленным способом. При этом в первую очередьвзрывают скважины 5, разбуренные в целиках 6.
После взрывания глубоких скважинприступают к массовому выпуску руды через дучки 15. Доставку рудыпроизводят с помощью скреперных установок, виброконвейеров или самоходных машин.В зависимости от применяемого способа доставки изменяется конструкция горизонтадоставки.
Система разработки отличаетсявысокой производительностью, экономичностью, хорошими условиями проветривания. Вместес тем эта система имеет ряд недостатков, главными из которых являются: большойобъем подготовительных работ и невозможность применения самоходной буровойтехники. Горизонтальное направление отбойки снижает устойчивость выработокгоризонта выпуска руды.
На рис.2 приведена системаподэтажного обрушения с отбойкой руды глубокими скважинами на вертикальноекомпенсационное пространство (щель). Подготовка блока при этой системе, как ужеотмечалось, аналогична описанной выше. Выемка руды начинается с образованиявертикального компенсационного пространства (щели) 3, на котороевстречно направленно отбивают массив, разбуренный глубокими скважинами 2 избуровой выработки 1.
При этой системе разработкизначительно снижается динамическое воздействие взрыва на выработки приемногогоризонта. Кроме того, такой способ отбойки позволяет улучшить качестводробления горной массы за счет соударения отдельных кусков.
Варианты системы подэтажного обрушения с отбойкой руды на наклонное компенсационноепространство показаны на рис.3.
Разбуривание массива (см. рис.3,а) глубокими скважинами производится из буровых выработок 2, расположенныхна уровне горизонта воронок. Толщина отбиваемого слоя по горизонтали, какправило, равна расстоянию между выработками выпуска руды (скреперования). Наклонныеслои отбивают на наклонное компенсационное пространство 4. Выпускотбитой руды производят через выпускные выработки (дучки или щели) 1. Доставкаотбитой руды производится скрепером в рудосвалочные восстающие. При применениисистемы подэтажного обрушения также с отбойкой наклонных слоев руды нанаклонную подсечку (см. рис.26.16,6) разбуривание массива производитсянепосредственно из выработок горизонта доставки (скреперования) 3.
/>
Б-Б
/>
Рисунок 2 — Система подэтажногообрушения с отбойкой руды глубокими скважинами на вертикальное компенсационноепространство.
Это позволяет исключить проходкуспециального бурового штрека и упростить конструкцию системы. При такомразбуривании массива устья глубоких скважин 5 недозаряжают ВВ на 8 — 10 мсцелью предохранения штреков скреперования от разрушения в момент массовоговзрыва. Однако после взрывания скважин их недозаряженные части используются приобразовании выпускных дучек или щелей. Доставка отбитой руды производитсяскрепером с погрузкой непосредственно в вагоны через полки.
Система подэтажного обрушения сотбойкой руды глубокими скважинами на зажатую среду (рис.9) разработанасравнительно недавно. Однако уже накоплен значительный положительный опытприменения этой системы разработки. Так, в условиях Криворожского бассейна,например, при отбойке на зажатую среду достигается лучшее дробление руды, чемпри отбойке на компенсационные пространства.
/>
Рисунок 3 — Система подэтажногообрушения с отбойкой руды глубокими скважинами, пробуренными из буровыхвыработок (а) и штреков скреперования (б), на наклонное компенсационноепространство
Отличительная особенность этойсистемы разработки заключается в том, что отбойка слоев руды, разбуренных избуровых выработок глубокими скважинами, производится не на компенсационноепространство, выполненное в виде камеры (пустоты), а на ранее обрушенную рудуили даже пустые породы. Таким образом, при отбойке руды на зажатую средуотпадает необходимость в трудоемкой операции по образованию компенсационногопространства.
/>
Рисунок 4 — Система подэтажного обрушения с отбойкой руды глубокимискважинами в зажатой среде: 1 — буровая выработка: 2 — обрушеннаяруда или пустая порода; 3 — глубокие скважины; 4 — штрекискреперования
Необходимое компенсационноепространство для размещения обрушаемой руды создается за счет уплотнения поддействием энергии взрыва обрушенных ранее пород и их амортизационных свойств.
Вместе с тем необходимоотметить, что выпуск обрушенной руды при таком способе отбойки следуетпроизводить с особым вниманием, не допуская преждевременных потерь иразубоживания.
При системе этажного обрушения сотбойкой руды глубокими скважинами блок обрушают сразу на всю высоту этажа. В этомзаключается основное отличие ее от системы подэтажного обрушения.
Четкой границы между этимисистемами провести вообще невозможно. На одних рудниках высота этажа составляет40 м. и, естественно, на всю эту высоту (этажа) производят обрушение руды. Следовательно,применяют систему этажного обрушения. На других же рудниках высота этажасоставляет 80 м и его делят на два подэтажа, в пределах которых и производятобрушение руды. В этих условиях система именуется уже системой подэтажногообрушения.
В практике наибольшеераспространение получили системы этажного обрушения с отбойкой руды глубокимискважинами на горизонтальные компенсационные пространства, вертикальныекомпенсационные пространства и на зажатую среду.
/> Открытая разработка рудных месторождений
Совокупность горных работ, прикоторых все процессы, связанные с извлечением полезного ископаемого из недр,совершаются в открытых горных выработках, называется разработкой месторожденийоткрытым способом.
В результате открытых горныхработ в земной коре образуются большие выемки (выработанное пространство,система горных выработок), совокупность которых называют карьером. Карьеромназывают также горное предприятие, которое осуществляет открытую разработкуугольных, рудных и нерудных месторождений.
Месторождение при открытойразработке разделяют на. отдельные горизонтальные слои, которые вынимают сверхувниз с опережением верхнего слоя по отношению к нижнему. Поэтому в процессеведения работ карьер приобретает уступную форму.
Горизонтальный слой толщи пустыхпород или полезного ископаемого, разрабатываемый самостоятельными средствамиотбойки, погрузки и транспортирования горной массы, называют уступом. Частьуступа по его высоте, которая разрабатывается самостоятельными средствамивыемки, но обслуживается транспортом, общим для всего уступа, называют подуст уп о м. В уступе может быть два или несколько подуступов.
Горизонтальная часть поверхностиуступа называется площадкой уступа Открытая горная выработка, имеющаятрапециевидное поперечное сечение и значительную длину, называется траншеей. Наклоннаятраншея, при помощи которой земная поверхность связывается с рабочими уступамикарьера, называется капитальной траншеей. Горизонтальная траншея,предназначенная для создания первоначального фронта работ на уступе, называетсяразрезной траншеей.
Месторождение или часть его,разрабатываемая одним карьером называется карьерным полем. Границами карьерногополя являются поверхности, проходящие через верхний и нижний контуры карьера. Приэтом верхним (или нижним) контуром карьера называют линию пересечения бортовкарьера с земной поверхностью (или плоскостью дна карьера). Дном карьераназывается нижняя, обычно горизонтальная, поверхность карьера.
Комплекс площадок и откосовуступов от поверхности земли, до подошвы карьера называется бортом карьера. Поверхность,проходящую через верхний и нижний его контуры, называют откосом борта карьера. Уголоткоса борта меньше угла откоса уступа карьера.
Открытым способом добывают твердые;полезные ископаемые, имеющие самые разнообразные формы и залегающие в различныхприродных условиях. Основные типы месторождений, разрабатываемых открытымспособом, различают по геометрическим признакам: углу падения и мощности залежи.
Различают горизонтальные,пологие (с углом падения до 10°), наклонные (от 10 до 30°) и крутые (свыше 30°)залежи. Кроме того, выделяют штокообразные и массивные рудные тела, а такжезалежи в виде складок.
Классификация залежи полезногоископаемого по мощности производится в зависимости от угла ее падения. При этомгоризонтальные и пологие месторождения классифицируются по вертикальной, анаклонные и крутые — по горизонтальной мощности При открытой разработкеместорождения различают следующие основные этапы: подготовка поверхности,осушение месторождения и ограждение его от воды поверхностного стока, вскрытиеместорождения, вскрышные и добычные рабрты.
Работы эти начинают вопределенной последовательности, а затем ведут одновременно, однако приопределенном опережении в пространстве: подготовка поверхности и осушениеместорождения опережают вскрышные работы, а вскрышные работы, в свою очередь,опережают добычные.
Подготовка поверхностизаключается в удалении препятствий, мешающих разработке месторождения открытымспособом. Для этого необходимо, например, вырубить лес, — отвести поверхностныеводы и осушить водоемы; снести здания и сооружения на площади карьера; подготовитьместо для отвалов пустых пород; подвести к карьеру железную дорогу и шоссе; построитьпроизводственные, служебные и жилые помещения; обеспечить предприятиеэлектроэнергией и т.д.
Освоение разведанныхместорождений начинают с подготовительных работ, в процессе подготовкиосуществляется целый ряд мероприятий по осушению обводненных частей карьерныхполей, выводу поверхностных водных источников за пределы горного отвода,трассировке будущих транспортных коммуникаций с планировкой поверхности,удалению лесного и кустарникового покрова, снятию и хранению или использованиюплодородного почвенного слоя с территорий, подлежащих нарушению.
Из этих работ необходимовыделить осушение месторождений с целью улучшения гидрогеологической обстановкив районе открытой разработки. Значимость этих работ определяется тем, чтообводненность осложняет и удорожает строительство и эксплуатацию карьеров,снижает устойчивость обнажаемых массивов песчаных, мягких и трещиноватыхполускальных пород и повышает опасность горных работ.
В пределах вскрытого слоя (горизонта)осуществляется производство горно-подготовительных работ, сводящихся к рассечкекарьерного поля горизонтальной разрезной траншеей для создания первоначальногофронта очистных работ, наряду с этим в горно-подготовительные работы включаетсяи вскрытие очередных (нижерасположенных) запасов месторождения. Послепроведения разрезной траншеи в подготовленном слое осуществляются добычныеработы.
В процессе эксплуатацииместорождения планомерно продолжаются вскрышные, горно-подготовительные идобычные работы.
С завершением разработкиразведанных запасов или с переходом на подземный способ добычи открытые горныеработы заканчиваются.
В процессе открытой разработкиили после нее проводятся работы по восстановлению нарушенных территорий земнойповерхности. Виды открытых разработок приведены на рис.5
Основными производственнымипроцессами при открытой разработке месторождений являются: выемка, погрузка итранспортировка горных пород, а также отвальные работы.
Выемка и погрузка горных пород. Отделение горных пород от массива (называемое обычно отбойкойпри использовании взрывчатых веществ и выемкой — при использованииразличных «выемочных» машин) осуществляют при подготовке поверхности,проведении вскрывающих выработок и в наибольших масштабах при вскрышных идобычных работах.
Отбойка скальных пород спределом прочности на сжатие более 50 МПа производится в основном зарядами ВВ вскважинах диаметром от 150 до 300 мм и глубиной 10-20 м, сравнительно редковзрывная отбойка пород осуществляется зарядами ВВ в шпурах или минныхвыработках.
Бурение взрывных скважин привскрышных и добычных работах осуществляется, как правило, самоходными станкамишарошечного бурения. Скважины располагаются рядами вдоль откосаразрабатываемого уступа (рис.5), глубина скважин обычно на 10-12% превышаетвысоту уступа (так называемый перебур необходим для лучшего разрушения породы вподошве уступа). Бурение наклонных (60°) взрывных скважин улучшает качестводробления и обеспечивает снижение расхода ВВ.
Параметры буровзрывных работрассчитываются с учетом формирования компактного развала горной массы икачественного ее дробления. В скважинах размещают сплошные колонковые илирассредоточенные заряды, последние обеспечивают более равномерное дроблениепород. Для взрывных работ широко используют сыпучие гранулированные иводонаполненные ВВ, область порошкообразных ВВ обычно ограничивается вторичнымдроблением негабаритных кусков породы. Зарядка скважин преимущественномеханизирована, основными средствами взрывания является детонирующий шнур иэлектродетонаторы. Порядок взрывания рядов скважин может быть мгновенным иликоротко-замедленным.
/>
Рис.5 — Виды открытых разработок:1-рабочая зона карьера; 2-3 — направления перемещения; 4-отвалы вскрышных пород.Сплошные системы разработки: I-II — продольные (I — однобортовая, II — двубортовая);III — IV — поперечные (III-однобортовая, IV — двубортовая); V-VI — рассредоточенная); VII — VIII — кольцевая (VII-центральная, VIII- периферийная)
Выемка пород экскаваторамиобычно совмещается с погрузкой горной массы на транспортные машины. Прямыемеханические лопаты применяют преимущественно для выемки мягких и плотныхпород, они являются также основным оборудованием для погрузки скальных горныхпород, предварительно отделенных от массива и разрыхленных с помощью взрывчатыхвеществ. Роторными экскаваторами осуществляется выемка различных пород — отрыхлых до трещиноватых полускальных.
Бульдозеры, колесные скреперы ипогрузчики на крупных карьерах используются главным образом для выполнения различныхвспомогательных операций.
Транспортировка горных пород. Приразработке месторождений основными грузами в карьерах являются вскрышные породыи полезные ископаемые, перевозка горных пород — наиболее дорогостоящий итрудоемкий процесс. Грузопоток в карьере в зависимости от глубины залеганияразрабатываемого месторождения или его части и интенсивности разработкименяется в значительных пределах, достигая десятков и даже сотен миллионов тоннв год. Расстояния перемещения пород составляют от нескольких десятков метров до10-20 км.
Горная масса транспортируется отзабоев рабочих уступов, причем вскрышные породы перемещают в отвалы, а полезноеископаемое направляют на приемные пункты или склады.
Основными видами карьерноготранспорта являются железнодорожный, автомобильный и конвейерный.
На карьерах средней и большойпроизводственной мощности при расстоянии перевозки горной массы более 2 кмнаиболее широко используется железнодорожный транспорт, характеризующийсяэкономичностью, длительным сроком службы и высокой надежностью. В качествелокомотивов обычно используют электровозы и тепловозы, горная массатранспортируется в металлических полувагонах большой грузоподъемности (перевозкавскрышных пород осуществляется в саморазгружающихся полувагонах, называемых думпкарами,полезное ископаемое чаще перевозится в полувагонах, разгружающихся вопрокидывателях). Среди карьерных железнодорожных путей выделяют стационарные ипередвижные (первые сохраняют свое положение постоянно или в течениедлительного периода разработки карьерного поля, вторые перемещают в процессеразвития горных работ на уступах).
Автомобильный транспортприменяют в основном на карьерах с небольшой и средней производственноймощностью при расстоянии перевозок до 5 км.
Горная масса перевозится в автосамосвалах,грузоподъемность которых достигает 180 т и более и в автомобильных прицепах. Маневренностьавтотранспорта обеспечивает повышение производительности забойных экскаваторов,а уменьшенные по сравнению с железнодорожным транспортом радиусы закругления иувеличенные углы наклона трасс существенно сокращают расстояния перевозок. Темне менее при значительных грузопотоках и больших расстояниях перевозокиспользование автомобильного транспорта становится неэкономичным. Впрочем, вкомплексе с железнодорожным или конвейерным транспортом применение автомобилейбольшой грузоподъемности весьма эффективно и на крупных карьерах, при этом онииспользуются преимущественно на нижних горизонтах или в качестве сборочногозвена комбинированного автоконвейерного транспорта. Обязательным условиемэффективной и экономичной работы автомобилей является надлежащее устройство исодержание карьерных дорог. Транспортировка горной массы из карьеров наповерхность осуществляется в основном полустационарными горизонтальными и стационарныминаклонными конвейерами, рациональное расстояние транспортировки достигает 2-3км. Для перемещения преимущественно вскрышных пород применяются передвижные исамоходные конвейеры типа транспортно-отвальных мостов, перегружателей,консольных отвалообразователей. Расстояние перемещения горной массы составляетот десятков до сотен метров.
Отвальные работы. Уже вначальном периоде горностроительных работ появляется необходимость в размещениина поверхности горного отвода породных отвалов, по мере развития вскрышныхработ количество породы, выдаваемой из забоев горных выработок, возрастает. Отвалывскрышных пород располагают или на поверхности, или в образующемся выработанномпространстве, первые отвалы называют внешними, вторые — внутренними. Размещениевскрышных пород во внутренних отвалах экономичнее, так как при этом породыобычно перемещаются на сравнительно короткие расстояния и без подъема их наповерхность. Кроме того, использование выработанного пространства дляразмещения отвалов сокращает территории нарушаемой поверхности и в большинствеслучаев упрощает и удешевляет работы по ее восстановлению. Однако областьприменения внутренних отвалов ограничена, они по существу могут использоватьсяпри разработке месторождений поверхностного и в отдельных случаях нагорноготипа. При этом выемка полезных ископаемых должна производиться на всю мощностьзалежи. [5, с.536]
Во всех других случаях наповерхности вне контура карьера сооружаются внешние отвалы вскрышных пород. Сточки зрения сокращения транспортных расходов внешние отвалы целесообразнорасполагать на незначительных расстояниях от карьера, однако в зависимости отособенностей местности их располагают и на отдаленных участках, отводя подотвалы малоценные или непригодные для сельскохозяйственного и промышленногоиспользования земли (ущелья, овраги, балки, заболоченные площади, пустоши).
К отвальным работам относятсяперемещение и разгрузка пород, формирование отвалов и сооружение транспортныхкоммуникаций.
Основным применяемым при этихработах оборудованием являются механические лопаты, драглайны, многочерпаковыеотвальные экскаваторы (абзатцеры), консольные отвалообразователи,транспортно-отвальные мосты, бульдозеры, отвальные плуги и краны.
Транспортировка пород на внешниеотвалы осуществляется преимущественно автомобильным или железнодорожнымтранспортом, формирование поверхности. отвалов — бульдозерами, механическимиотвалами, абзатцерами и отвальными плугами.
Путевые работы на отвалах,производимые при железнодорожной и автомобильной транспортировке пород,заключаются в сооружении и реконструкции сети транспортных путей (на отвалахэксплуатируются постоянные и временные дороги, последние перемещают по мереизменения параметров отвала). Дорожные работы осуществляются с использованиембульдозеров, кранов и грейдеров.
Вскрытие месторождений. Задачейвскрытия является установление транспортной связи между рабочими площадкамиуступов и земной поверхностью. Основными выработками вскрытия являются, как ужеотмечалось, траншеи (в некоторых случаях, впрочем, вскрывающими выработкамимогут служить и подземные выработки).
Траншеи, располагаемые внепроектируемого контура карьера, называют внешними, а внутри контура — внутренними.
Внешние траншеи проходят сземной поверхности до проектируемого на той или иной глубине борта карьера (вскрышныхили добычных уступов).
Внешней траншеей могутвскрываться один, несколько или все уступы карьера.
Литература
1. Шехурдин В.К., Несмотряев В.И., ФедоренкоП.И. Горное дело. М.: Недра, 1987. — 440с.
2. Советов Г.А., Жабин Н.И. Основыбурения и горного дела. М.: Недра, 1991. — 368с.
3. Грабчак Л.Г., Брылов С.А., КомащенкоВ.И. Проведение горно-разведочных выработок и основы разработки месторожденийполезных ископаемых. М.: Недра, 1988. — 566с.