Вскрывающие горные выработки, их назначение и параметры

Вскрытие рабочих горизонтов осуществляют посредством сооружения специально предназначенных для этого выработок. По виду и способу образования можно выделить наземные, подземные и комбинированные выработки.

При добыче полезного ископаемого из-под воды в затопленном забое, осуществляя его отработку драгами, плавучими земснарядами и драглайнами, вскрытие осуществляют земляными сооружениями: плотинами, перемычками, насыпями, дамбами, каналами. В отдельных случаях, например, при использовании башенных экскаваторов и различных кранов, отработку месторождений и перемещение грузов могут производить без проведения вскрывающих выработок [4].

Наибольшее распространение на карьерах получили наземные вскрывающие выработки. К ним относят траншеи, полутраншеи и котлованы. Траншеи классифицируют по нескольким признакам (табл. 7.1).

Таблица 7.1. Классификация траншей (по Е. Ф. Шешко)

Вскрытие равнинных месторождений и смежных горизонтов карьера ведут траншеями полного трапециевидного профиля (рис. 7.2). Высотные месторождения вскрывают полутраншеями (рис. 7.2, в). Вскрывающие траншеи называют также и въездными. В процессе формирования рабочей зоны один борт внутренних траншей срабатывают, и они приобретают вид полутраншей (рис. 7.12). Если траншеи, вскрывающие каждый уступ, связаны в единую транспортную сеть, что встречается наиболее часто, то они представляют собой систему траншей. Внутренние траншеи, входящие в систему, непосредственно продолжают друг друга (рис. 7.4), а внешние составляют единый контур (рис. 7.1, а, б).

Внешние капитальные (стационарные) траншеи могут закладывать за предельным и промежуточным контурами карьера. В первом случае их сохраняют на весь срок службы карьера, а во втором случае они переходят в систему временных или скользящих съездов.

Основные параметры траншей и полутраншей: глубина заложения Н_т, продольный уклон i, углы откоса бортов α, ширина по нижнему основанию (дну) b_т, длина в плане L_т и горно-строительный объем V.

Глубина заложения траншей и полутраншей равна разности отметок ее устья (начало траншеи на поверхности) и вскрываемого горизонта. При вскрытии одного уступа глубина траншеи равна высоте уступа.

Продольный уклон устанавливают в зависимости от вида применяемого транспорта (табл. 5.1). По величине i въездные траншеи делят на наклонные, i = 3–12 %, предназначенные для железнодорожного и автомобильного транспорта, и крутые – для конвейерных и скиповых подъемников. Уклон крутых траншей в зависимости от типа подъемника достигает 18–60º. Углы откоса бортов зависят от свойств пород, степени их обводненности и срока службы выработки. При длительном сроке службы угол откоса ее бортов в мягких и полускальных породах не должен превышать углов их естественного откоса, составляя 34–45°, В скальных породах он изменяется от 60º до 80° [25]. Ширина по нижнему основанию должна обеспечивать безопасные зазоры между транспортными средствами и необходимую провозную способность, на которую влияет количество размещенных в траншее коммуникаций.

Кроме того, b_т связана со способом, схемой проходки, рабочими параметрами проходческого оборудования и может превысить ширину, необходимую по транспортным условиям. В этих случаях пройденную широкую въездную траншею сужают до необходимой величины в процессе подготовки горизонта [4]. Длина траншеи в плане (м) связана с ее глубиной и продольным уклоном:

, (7.1)

где i – продольный уклон, %.

Строительный объем наклонной траншеи (м³) можно определить как сумму объемов двух трехгранных пирамид и половинного объема прямоугольного параллелепипеда:

, (7.2)

или с учетом (7.1.)

. (7.3)

При угле откоса косогора не менее 10º, горно-строительный объем наклонной полутраншеи V (м³) находят по формуле К.С. Попова:

, (7.4)

где γ – угол откоса косогора, град.

Для других значений γ величину V_пт (м³) устанавливают по формуле С.А.Ильина:

; (7.5)

. (7.6)

Вскрытие первоначальным котлованом применяют при разработке россыпных месторождений гидравлическим и дражным способами (см. раздел 12). Его размеры зависят от параметров применяемого оборудования. При независимом выходе на поверхность с каждого горизонта объем наклонной траншеи внешнего заложения (м³), имеющую в поперечнике ступенчатую форму (рис. 7.1, а) можно найти из выражения:

, (7.7)

где , , …, – высота вскрываемых траншеей уступов.

Для другой формы поперечного сечения внешних траншей используют зависимости, приведенные в учебнике Ю.И. Анистратова [1, табл. 5.10] или в учебном пособии [31].

Крутые траншеи обычно имеют внутренне заложение (рис.7.3). По расположению относительно борта карьера их подразделяют на поперченные и диагональные. Поперечные крутые траншеи (рис.7.3, а) применяют для скиповых подъемников, а диагональные (рис.7.3, б, в, г) служат для размещения конвейерных или автомобильных подъемников.

Горно-строительный объем внутренней крутой траншеи V_кт (м³) может быть определен по формуле В.В.Ржевского [30]:

, (7.8)

где ω – угол наклона траншеи, град.; γ_к – угол погашения борта карьера, град; b_кт – ширина крутой траншеи по дну; α – угол откоса бортов крутой траншеи, град.

Если борт имеет сравнительно узкие предохранительные бермы, или сдвоенные (строенные) уступы, проводят крутую полутраншею, объем которой вычисляют по формулам (7.4) – (7.5).

Для вскрытия горизонтов нагорных карьеров гравитационными и транспортно-гравитационными технологическими схемами, применяют рудоспуски и рудоскаты. Не исключена возможность использования их для доставки вскрышных пород на погоризонтные отвалы в сложных топографических условиях.

В их конструкцию входит разгрузочная площадка на поверхности рудоската и накопительная – в основании. Для обеспечения непрерывного потока руды сооружают два рудоската, работающих попеременно (рис.7.4). Расстояние между ними выбирают с учетом исключения возможности попадания транспортируемых по одному рудоспуску кусков руды в другой [1].

Рис. 7.4. Схема вскрытия нагорного карьера с использованием рудоскатов (по Ю.И. Анистратову)

Как капитальные выработки, рудоскаты располагают на поверхности склона за контуром карьерного поля (рис.7.4). Место расположения рудоскатов должно обеспечить их минимальную длину между карьером и пунктом приема горной массы. Профиль рудоската может иметь один уклон, обеспечивающий надежную гравитационную доставку, или разный: в верхней части – 40º; в средней – 35º; в нижней – 30º. В сечении рудоскат представляет собой траншею с крутыми углами откоса бортов. Для уменьшения износа стенок и дна практикуют сплошную или частичную обшивку их стальными листами или рельсами. В основании рудоската откос борта у накопительной площадки может быть 70–80º, высота должна соответствовать высоте развала руды, безопасного для погрузки выемочно-погрузочной техникой. Для уменьшения параметров развала на приемной (накопительной) площадке сооружают отбойный вал. [1].

Чтобы исключить заклинивание кусков перемещаемой горной массы в желобе должно выполняться условие:

b_ж ≥ d_max, (7.9)

где b_ж – ширина желоба, м.; d_max – максимальный линейный размер куска горной массы, поступающей в рудоскат, м.

При разработке россыпей гидравлическим и дражным способом (раздел 12), вскрывающими выработками являются котлованы. Размеры котлована при гидравлической разработке обеспечивают размещение в нем землесоса и гидромонитора. Глубина котлована при дражном способе разработки должна обеспечить всплытие понтона при меженном уровне воды в долине, а также свободный вывод из-под понтона городков при его сборке.

При использовании для вскрытия «траншей-каналов», ширина выработки по дну превышает 1/5 длины земснаряда, высота уровня воды в канале на 0,6–1,0 м величину осадки земснаряда [12].

Для вскрытия месторождений заводнением используют гидротехнические сооружения: плотины, перемычки, насыпи.

Плотина – подпорное сооружение, перегораживающее водоток с целью создания разностей уровней воды выше и ниже этого сооружения [14].

По материалам изготовления выделяют шесть типов плотин: бетонные, железобетонные, деревянные, земляные, из каменной наброски или сухокаменной кладки; смешанные. При разработке россыпей наибольшее распространение получили земляные плотины [12].

В основные элементы плотины входят: тело, верховой и низовой откосы, гребень, водослив (рис. 7.5).

Высота сооружаемой плотины зависит от создания необходимого уровня воды со стороны верхнего бьефа и класса ответственности плотины, определяющего возвышение гребня плотины над уровнем воды. Для I класса ответственности возвышение гребня плотины составляет 1,3 м; для II класса – 1,0 м, для III и IV классов – 0,8 м.

Ширина гребня зависит от наличия на ней автодороги и высоты плотины. Ширина плотины по низу должна обеспечить ее устойчивость от опрокидывания. Она должна примерно в 5 раз превышать максимальный напор воды до этого горизонта [31]. Проектирование и строительство земляных плотин должно выполняться из условия: кривая падения фильтрационного напора ни в коем случае не должна выходить за низовой откос.

Перемычки – это простейшие плотины, сооружаемые бульдозером из отвалов драги, что позволяет поднять уровень воды в забое на 1–2, иногда 3–4 м. Насыпь перемычки имеет более крутые откосы, чем плотина, а ширину гребня выдерживают достаточной ля прохода сооружающей ее машины. [12].

Подземные вскрывающие выработки подразделяют на перепускные (рудо- и породоспуски) и транспортные (тоннели, штольни, наклонные и вертикальные стволы, квершлаги).

Перепускные выработки могут быть вертикальными или наклонными (65–80º). Наиболее распространены вертикальные рудоспуски круглого сечения. Как правило, их располагают внутри карьера, предпочтительно в центре тяжести рудной залежи.

Во избежание зависания диаметр рудоспуска принимают не менее четырех- и пятикратного размера максимального куска перепускаемой руды. С этой целью повышенные требования предъявляют к форме его поперечного сечения: в нем не должно быть выступов, пережимов и сужений. Установлено, что выступ в виде сегмента высотой, равной 8 % диаметра, останавливает перемещающийся при выпуске поток руды; при высоте сегмента, равной 5% диаметра, становится невозможным возобновление движения руды после перерыва в выпуске. Площадь поперечного сечения рудоспусков на действующих карьерах изменяется от 4,15 до 63,6 м², а глубина – от 27 до 600 м. Годовая производительность рудоспуска колеблется от 0,5 до 10 млн.т., чаще всего, она не превышает 1 млн.т. при крупности перепускаемой горной массы до 400 мм. [38].

Конструктивно рудоспуск состоит из устья, ствола и выпускного устройства (рис. 7.6). В нижней части ствола сооружают аккумулирующую емкость для уменьшения динамического воздействия падающих кусков руды. Ширина ее должна быть в 2-3 раза больше диаметра рудоспуска, а высота – в 6-7 раз. Выпускную щель желательно иметь прямоугольной формы с отношением высоты к ширине 0,6:0,9. Ширина щели не должна превышать средний размер куска выпускаемой руды более чем в 2,5-3 раза.

На нагорных карьерах в комбинации с рудоспусками используют штольни с перемещением по ним локомотивосоставов узкой или нормальной колеи. Площадь поперечного сечения такой выработки составляет от 15–20 м² (узкая колея) до 30–40 м² (нормальная колея). Изредка для перевозки руды используют автосамосвалы.

Площадь поперечного сечения наклонных стволов, оснащенных конвейерами, достигает 17–22 м² (рис. 7.7). Она зависит от конструктивных параметров и количества устанавливаемых конвейеров.

Для вскрытия глубоких горизонтов карьеров при железнодорожном транспорте используют тоннели, которые, как правило, являются продолжением пройденной вскрышной траншеи. Площадь поперечного сечения однопутных железнодорожных тоннелей составляет 45–47 м² в свету. Для разминовки поездов устраивают подземные камеры.