Производственные процессы и технология открытых горных работ

Горные работы на карьерах заключаются в выемке, перемещении и складировании полезных ископаемых, и вскрышных пород. Соответственно выделяют основные производственные процессы: подготовка пород к выемке, выемочно-погрузочные работы, перемещение (транспортирование) горной массы, складирование (отвалообразование) пустых пород и разгрузка или складирование полезного ископаемого. Если на карьере производится первичное обогащение или переработка полезного ископаемого до конечного продукта, они также входят в состав основных процессов.

Каждому основному процессу соответствуют вспомогательные работы, производство которых позволяет осуществлять основной процесс или облегчает его.

Помимо этого на карьерах выполняется ряд общих вспомогательных процессов (электроснабжение, вентиляция, водоотлив, опробование полезных ископаемых, ремонты оборудования и др.), обеспечивающих производство горных работ.

Основными способами механизации производственных процессов являются экскаваторный, гидравлический и комбинированный (их сочетание). При экскаваторном способе основные производственные процессы осуществляют с помощью различных механических средств (экскаваторов, скреперов, механических видов транспорта и др.), а при гидравлическом – с помощью воды и специального оборудования. Экскаваторный способ универсален, посредством его выполняется до 95 % объемов горных и массовых земляных работ. Гидравлический способ применяется преимущественно для разработки пород, легко поддающихся размыву и транспортированию водой, при наличии источников воды и достаточно дешевой электроэнергии.

Подготовка горных пород к выемке производится с целью обеспечения безопасности горных работ, качества добываемого сырья, технической возможности и наилучших условий применения технических средств в последующих процессах. Подготовка включает осушение горных пород, подлежащих извлечению в данный период разработки (при экскаваторном способе механизации), разупрочнение и изменение их агрегатного состояния, разрушение (разрыхление) породного массива и другие виды воздействия на горные породы для облегчения их разработки.

Способ подготовки горных пород к выемке зависит, прежде всего, от вида, агрегатного состояния и физических свойств пород в массиве, мощности предприятия, наличия технических средств, предъявляемых требований к качеству добываемого сырья, а также от природных условий производства работ. Удельные затраты на подготовку горных пород к выемке в общих затратах на разработку изменяются от 5 до 40 %.

Выемка мягких связных, песчаных, естественно мелкоразрушенных пород и щебеночно-гравийной массы в обычном состоянии успешно производится всеми видами выемочно-погрузочного оборудования (подготовка совмещена с выемкой в пространстве, времени и по средствам механизации). При гидравлическом способе совмещенные подготовка и выемка пород заключаются в непосредственном размыве их струей воды.

Выемка плотных и наименее прочных полускальных пород также может осуществляться непосредственно из массива выемочными машинами с повышенными усилиями резания. Если развиваемые усилия выемочных машин недостаточны, подготовка таких пород к выемке заключается в предварительном механическом разрыхлении или в редких случаях взрывании.

При гидравлическом способе предварительная подготовка плотных пород осуществляется путем напорного или безнапорного водонасыщения, механического рыхления или взрывным способом.

Мерзлые породы предыдущих типов только при небольших отрицательных температурах могут разрабатываться непосредственно выемочными машинами с повышенными усилиями резания; как правило, они требуют подготовки механическим или взрывным способом или предварительного оттаивания. Применяются также методы предохранения пород от промерзания.

Полускальные хрупкие и очень хрупкие породы могут успешно и экономично подготавливаться к выемке посредством механического разрыхления.

Скальные и полускальные породы обычно подготавливаются к выемке взрывным способом. Процессами подготовки в этом случае являются бурение скважин и взрывание.

Бурение скважин производится буровыми станками вращательного (шарошечного и шнекового), ударного, ударно-вращательного, огневого бурения. Применяются в основном аммиачно-селитренные взрывчатые вещества (ВВ). Для бурения шпуров используются пневматические перфораторы.

Вторичное дробление негабаритных кусков осуществляется взрывным способом (шпуровыми и иногда накладными зарядами) и реже механическим и электротермическим способами. Для выполнения этих работ применяются ручные и колонковые перфораторы и передвижные компрессоры, бутобои (в основном пневматические), электроконтактные установки и др.

Выемочно-погрузочные работы заключаются в извлечении горной массы из забоя (выемка), ее погрузке – перемещении и разгрузке в транспортные средства или в отвал. Обычно выемка и погрузка выполняются одной машиной или одним комплексом забойных машин.

Выемка мягких и сыпучих пород может осуществляться экскаваторами всех видов и классов, землеройно-транспортирующими (при небольших расстояниях перемещения) и погрузочно-транспортирующими машинами (колесные скреперы, бульдозеры, одноковшовые погрузчики). Выемка плотных пород производится мехлопатами или роторными экскаваторами с повышенными усилиями копания. Выемка угля из тонких пластов возможна агрегатами вращательного бурения – шнекобуровыми машинами. Для подготовки и выемки пильного камня применяются камнерезные машины. Выемка взорванных пород осуществляется мехлопатами.

Вспомогательные работы при выемке и погрузке заключаются в планировке площадки для экскаватора, очистке их ковшей и ходовой части от налипшей и примерзшей породы, уборке просыпей при погрузке, зачистке кровли залежи, оборке откоса уступа, перемещении кабеля, доставке запасных частей и материалов и др.

Для выполнения этих работ используются бульдозеры, скреперы, отвальные плуги, навесные приспособления к ковшам экскаваторов, самоходные и навесные кабельные барабаны, специально оборудованные автомашины и железнодорожные платформы и др.

Процесс перемещения пород – наиболее трудоемкий и дорогостоящий (составляет 30 – 70 % общих затрат). На каждом карьере ежегодно разрабатывают и перемещают от десятков тысяч до сотен миллионов тонн горной массы. Расстояния транспортирования вскрышных пород из забоев в отвалы, а полезного ископаемого – к приемным бункерам потребителей составляют от нескольких десятков метров до десятков километров. Общая длина транспортных коммуникаций на крупных карьерах составляет сотни километров. Иногда породы от пункта погрузки до пункта разгрузки перемещают экскаваторами, скреперами, бульдозерами, земснарядами, но чаще – разнообразными средствами карьерного транспорта. Важнейшая особенность перемещения горных пород – нестационарное положение погрузочных (забоев) и разгрузочных пунктов на отвалах, вследствие этого транспортные коммуникации регулярно удлиняются или укорачиваются и передвигаются с выполнением трудоемких вспомогательных работ.

При экскаваторном способе выемки перемещение разрыхленных плотных, мягких и сыпучих пород может осуществляться всеми основными видами карьерного транспорта: железнодорожным, автомобильным и конвейерным. Разрушенные породы всех типов успешно перемещаются железнодорожным и автомобильным транспортом, а мелкоразрушенные – конвейерным в специальном исполнении.

Подвижной состав железнодорожного транспорта состоит из полувагонов или думпкаров и локомотивов (электровоз, тепловоз). Широко применяются автосамосвалы, реже – тягачи с полуприцепами и прицепами, автопоезда, дизель-троллейвозы. Из разнообразных типов конвейеров наибольшее распространение получили ленточные.

Перемещение одного и того же груза может осуществляться как одним, так и последовательно разными видами транспорта (комбинированный транспорт). В этом случае наиболее часто из забоев горная масса перемещается автосамосвалами, а далее железнодорожным или конвейерным, скиповым транспортом, по рудоспускам и рудоскатам, канатно-подвесным дорогам, гидравлическим транспортом. Для перегрузки пород из одних транспортных средств в другие устраиваются специальные перегрузочные пункты (эстакады, бункера и др.); они необходимы также при перегрузке полезного ископаемого из карьерных транспортных средств в вагоны МПС.

Вспомогательные транспортные работы заключаются в строительстве, текущем содержании и ремонте транспортных коммуникаций, периодическом перемещении части их по мере отработки уступов, текущем содержании подвижного состава.

Гидротранспортирование горной массы подразделяется на самотечное (по канавам, лоткам, трубам за счет уклона) и напорное – по трубопроводам (пульповодам) за счет перекачивания землесосами или с помощью гидроэлеваторов и других средств.

Отвалообразование заключается в приемке и размещении вскрышных пород и длительно складируемого полезного ископаемого на специально отводимых площадях; удельный вес расходов на отвалообразование составляет 5 – 20 %. Отвалообразование может выполняться как специальными отвальными машинами и механизмами, так и средствами механизации других производственных процессов.

При доставке разрыхленных плотных, мягких и сыпучих пород железнодорожным транспортом могут применяться мехлопаты и драглайны, многоковшовые отвальные экскаваторы, отвальные плуги, бульдозеры и колесные скреперы. При разгрузке мелко- и средневзорванных пород могут применяться мощные драглайны, бульдозеры и большегрузные скреперы. Мехлопаты, а также отвальные плуги практически могут использоваться при складировании любых взорванных пород.

При доставке всех типов пород автомобильным транспортом в качестве отвального оборудования применяются бульдозеры, а при доставке конвейерным транспортом – консольные отвалообразователи.

Совокупность взаимосвязанных производственных процессов, обеспечивающая изменение агрегатного состояния вскрышных пород и полезного ископаемого, а также их погрузку, перемещение и складирование составляет технологию разработки месторождения.

Технология и механизация горных работ базируются на принципах поточности, совмещения и независимости процессов, обеспечения кратчайшего расстояния перемещения горной массы, сокращения числа и объемов вспомогательных работ, минимума производственных затрат и максимума прибыли от реализации продукции.

Часть первая