Порядок отработки карьерных полей

Крупные месторождения со значительными запасами полезного ископаемого, расположенными на больших площадях, отрабатывают несколькими смежными карьерными полями (блоками). В зависимости от потребности в сырье и производственной мощности предприятия месторождение могут отрабатывать последовательно одним или одновременно несколькими карьерами.

Критерием выбора первоочередного карьерного поля могут являться минимальный коэффициент вскрыши, наибольшая ценность получаемой продукции или величинамаксимальной прибыли.

При значительной мощности пласта полезного ископаемого в начальный период отработки карьерного поля образуется избыточное выработанное пространство (ИВП). Закономерности его формирования обусловлены характером изменения мощности залежи и рельефа поверхности, угла падения залежи и параметров технологических, схем. Наибольшие темпы роста ИВП достигаются в первые годы эксплуатации, когда суммарный объем вскрыши меньше приемной емкости внутренних отвалов. По мере развития горных работ и нарастания мощности вскрыши прекращается формирование ИВП и наступает период его погашения (рис. 9.1). Таким образом, на пологопадающих залежах можно выделить следующие этапы:

- наиболее интенсивного формирования ИВП;

- снижения темпов нарастания ИВП;

- сокращения ИВП;

- исчезновения ИВП.

Количество и продолжительность каждого из них зависят от особенностей ландшафта и горно-геологических условий. Для равнинного рельефа поверхности и выдержанной мощности залежи характерны только период нарастания и период уменьшения ИВП.

Анализ развития горных работ на разрезе «Березовский-1» показал, что динамика изменения объема ИВП имеет ярко выраженный волнообразный вид (рис. 9.1). При этом можно выделить четыре периода. В течение первого периода мощность вскрыши падает, а мощность угольного пласта и приемная емкость отвалов растут, что приводит к увеличению ИВП. Второй период характеризуется неизменной мощностью угольного пласта, достигшего максимума, а вскрыша, хоть и нарастает, но остается в несколько раз меньше мощности угля. Объем ИВП снижается, так как отвальная зона отстает от вскрышной. В третий период, несмотря на продолжающийся рост объемов вскрыши, возрастает ИВП вследствие того, что отстающая отвальная зона размешается в 400–500 м от вскрышной. В течение четвертого периода мощность пустых пород существенно превышает мощность пласта. Степень нарастания приемной емкости отвалов ниже, поэтому ИВП уменьшается.

Факторы, существенно влияющие на объем и размеры ИВП:

- горно-геологические;

- технологические.

К горно-геологическим следует отнести угол падения залежи; вертикальную мощность пласта. К технологическим – угол откоса рабочего борта карьера и результирующий угол откоса отвала.

Реальное использование ИВП возможно при угле падения залежи до 3º имощности пласта свыше 30 м. Таким образом, с ростом угла падения залежи величина ИВП уменьшается. С увеличением мощности пласта, угла откоса рабочего борта, результирующего угла откоса отвала величина ИВП увеличивается.

В ходе отработки мульдообразных залежей следует выделить дополнительный этап, так как при выходе на противоположное крыло мульды вновь происходит нарастание ИВП.

Конфигурация избыточной части выработанного пространства зависит от принятой технологической схемы и направления перемещения фронта работ. При параллельном подвигании фронта зона ИВП имеет прямоугольную форму, при веерном – треугольную, с вершиной, находящейся в точке разворота веера. Радиальное перемещение фронта ведет к формированию ИВП эллипсовидной формы.

Вводить отдельные карьерные поля (блоки) в эксплуатацию рациональнее последовательно, что позволит использовать ИВП предыдущего из них для размещения строительной и эксплуатационной вскрыши последующего. В результате создаются предпосылки для сокращения расстояния транспортирования. Одновременно могут быть решены проблемы уменьшений площади земель, отчуждаемых под внешние отвалы. Срок ввода очередного блока в эксплуатацию лимитируется временем достижения достаточной приемной емкости ИВП в предыдущем блоке, а также потребностью в добыче дополнительного количества минерального сырья.

Разработка смежных полей возможна с перемещением фронта работ на карьерах в одном или встречных направлениях. При перемещении в одном направлении общий фронт работ приобретает ступенчатую форму. В обоих блоках могут применяться одинаковые или разные технологические схемы. Вследствие разницы в объемах горно-капитальных работ при использовании транспортно-отвальной технологии, объем внешних отвалов, отсыпаемых в период строительства карьера, существенно больше, чем при транспортной технологии. Поэтому в первоочередном блоке следует ориентироваться на применение транспортных технологических схем. При отработке второго и последующих блоков могут быть использованы транспортно-отвальные и комбинированные схемы, так как избыток строительной вскрыши можно направить в ИВП опережающих блоков.

Проблемы использования различных технологических схем в смежных блоках в полной мере проявляются на стыках, особенно при несовпадении отметок отвальных и вскрышных уступов. Их можно решить путем использования экскаваторов – мехлопат судлиненным оборудованием.

Существенные затруднения могут возникнуть, если появится необходимость винтенсификации горных работ на карьере второй очереди, выраженной в увеличении его годового подвигания и обгоне карьера первой очереди. Это сопряжено с необходимостью оставлять на границе смежных блоков целик полезного ископаемого для размещения транспортных коммуникаций. Объем целика зависит от горно-геологических условий и параметров системы разработки. По данным М.Г. Новожилова, ширина целика для условий марганцевых месторождений может достигать 200–250 м и более, временно будет законсервировано 550–700 тыс. т руды [38]. Последующее извлечение оставленного в целике полезного ископаемого сопряжено со значительными трудностями и потребует использования дополнительного оборудования.

Технология разработки смежных карьерных полей при встречном направлении перемещения фронта работ усложняется только в период соприкосновения их выработок. При этом размеры целика в несколько раз меньше, а разминовка карьеров возможна только при условии осуществления грузотранспортной связи добычных горизонтов с поверхностью по временным или скользящим съездам.

Встречное перемещение фронта работ в смежных блоках затрудняет, а иногда исключает возможность перемещения вскрыши по кратчайшему расстоянию из карьера второй очереди в ИВП первого блока. Однако при наличии полезного ископаемого низкого качества на выходах или резких перепадах рельефа поверхности вскрытие отстающего блока можно производить на некотором удалении от выхода залежи под наносы с таким расчетом, чтобы его вскрышной фронт находился в створе с отвальным фронтом опережающего блока. В этом случае часть карьерного поля второй очереди будет отрабатываться при встречном перемещении фронта. Расчеты показывают, что на угольном разрезе «Березовский-1» за 30 лет работы по такой технологии возможно переместить по кратчайшему расстоянию 52,7 млн. м³ вскрыши. К тому же в этом случае повышается эффективность использования мощных экскаваторов. Например, роторные экскаваторы ЭРШРП-5250 имеют максимальную производительность при высоте уступа 27 м. Наилучшим будет вариант формирования фронта работ вочередном блоке, когда объем вскрыши в нем позволит заполнить ИВП до уровня дневной поверхности. Повышение интенсивности отработки второго блока достигается за счет применения в нем двухбортовой системы разработки.

Реализация такой схемы позволяет регулировать производительность карьера за счет повышения интенсивности разработки месторождения (при увеличении спроса на минеральное сырье) или остановки добычных работ в отстающем блоке.

Возможна отработка блоков в шахматном порядке. При этом одновременно отрабатывают не более половины карьерных полей. Одновременно действующие карьеры при этом рассредоточены в пространстве и отпадает необходимость в оставлении целиков со стороны их смежных торцов [20]. Наличие у каждого карьера поверхностного технологического комплекса увеличивает расход земельных ресурсов. При таком порядке отработки не всегда может быть достигнут максимальный режим горных работ в целом по месторождению, так как смежные карьерные поля отрабатывают в разные периоды, а отдельные поля с наилучшим режимом работ могут попадать под разработку во вторую очередь.