Системы разработки

Выбор системы разработки зависит от формы залежей и карьерных полей. На вытянутых месторождениях применяют продольные и поперечные системы разработки с параллельным подвиганием фронта работ. В ряде случаев практикуют и комбинированные поперечно-продольные системы [4, 20]. При разработке относительно коротких руд­ных тел округлой формы характерно радиально-круговое развитие горных работ (кольцевые системы разработки) с подвиганием фронта работ от центра к флангам, а на куполообразных залежах – и от границ карьерного поля к центру. В этих же условиях при вскрытии внутренними стационарными траншеями со спиральной формой трассы принципиально возможна веерная рассредоточенная система разработки с поворотным пунктом в точке примыкания траншей к горизонтам.

Особенность продольных и поперечных систем разработки – разнообразие вариантов начального положения и направления развития фронта уступов (рис. 10.1).

Наименьшие объемы горно-капитальных работ и высокую интенсивность отработки обеспечивают 1 и 2-й варианты углубки карьера, причем при подвигании фронта от висячего бока к лежачему ниже уровень потерь и разубоживания, проще осуществлять раздельную выемку. Рабочие горизонты в этом случае вскрывают временными съездами, что усложняет условия эксплуатации транспорта. На карьерах, разрабатывающих мощные месторождения, часто проходят разрезные траншеи непосредственно по залежи вблизи висячего и лежачего боков или по ее центру (вариант 3), что позволяет создавать дополнительные добычные забои в период подготовки новых горизонтов.

Углубка карьера по направлению 4 (схема а)хотя н обеспечивает стационарность вскрывающих выработок, но связана с наибольшим объемом горно-строительных работ. При углах падения залежи до 40° можно исключить разнос борта карьера со стороны лежачего бока, на котором следует располагать стационарные съезды. В остальных случаях вариант 5 хотя и обеспечивает меньший объем работ в период строительства карьера, но уступает вариантам 1-3.

На вытянутых карьерных полях, отрабатываемых с использованием автотранспорта, часто применяют поперечные системы разработки, позволяющие резко сократить объем горно-капитальных работ и уменьшить протяженность транспортных коммуникаций. Высокую интенсивность отработки обеспечивает вариант 6 (схема б).Развитие работ от торцов карьера к центру (варианты 7, 8) обусловливает стационарность вскрывающих траншей, может оказаться целесообразным с учетом господствующих ветров и снегозаносимости карьера, а также позволяет размещать часть породы во внутренних отвалах. Оно характерно и при отработке мульдообразных залежей [30].

Отработку месторождений высотного и высотно-глубинного типов начинают с верхних косогорных горизонтов. Для карьеров, верхний контур которых выходит на склон возвышенности, типична продольная однобортовая система разработки. Подготовку горизонтов ведут разрезными полутраншеями. Контуры отрабатываемых уступов повторяют рельеф косогора. Характерно большое число вскрышных рабочих уступов с узкими площадками, в результате чего развал горной массы при взрывах перекрывает нижележащий горизонт. В этом случае применяют каскадные взрывы – взрывают несколько смежных горизонтов, что уменьшает простои оборудования [30].

Поперечная система разработки в ряде случаев обеспечивает более устойчивый режим вскрышных и добычных работ без существенного увеличения объема горно-подготовительных работ. На вытянутых пластообразных залежах малой мощности возможна перевалка пород за контур карьера в отвалы, расположенные на косогоре. По мере понижения рабочей зоны возникает необходимость переэкскавации части породы, оставленной на склоне у бровки уступа [30].

При обосновании направления развития фронта, высоты уступов, ширины рабочих площадок на карьерах, расположенных в районах с суровыми климатическими условиями, нужно дополнительно учитывать затраты на борьбу со снежными заносами, а также возможность возникновения лавинной опасности в карьере [4].

Кольцевые системы разработки по классификации акад. В.В. Ржевского характерны для отработки округлых карьерных полей.

В случае разработки сложных месторождений на каждом из участков применимы различные системы или отдельные варианты развития фронта в зависимости от изменения горно-геологических условий и масштаба горных работ. Системы разработки могут меняться и по мере углубки карьера.

Добычу полезного ископаемого и удаление вскрыши при углубочных системах разработки осуществляют в основном с помощью карьерных экскаваторов-мехлопат в сочетании с автомобильным, железнодорожным, реже с конвейерным транспортом.

Основные параметры систем: высота и углы откоса уступов, ширина рабочих площадок, длина экскаваторных блоков, углы откоса рабочих бортов. Длина общего фронта работ, как правило, не оптимизируемая величина. Она предопределяется природными условиями месторождения, размерами карьерного поля и связана с общим количеством одновременно разрабатываемых уступов. Однако при стабильной производительности карьера может возникнуть необходимость оптимизации количества одновременно отрабатываемых уступов с целью достижения наилучших технико-экономических показателей разработки, что повлечет за собой и оптимизацию общей длины фронта работ.

Методы определения высоты уступов, ширины рабочих площадок и длины экскаваторных блоков общепринятые, но имеют свои особенности. Так, высота уступов в скальных породах, как правило, меньше максимально возможной высоты, допускаемой действующими правилами безопасности. Дело в том, что при многорядном короткозамедленном взрывании в ряде случаев высота развала превышает высоту уступа. Поэтому для исключения образования в забоях «козырьков», особенно при угрозе смерзания увлажненных пород, соответствующим образом корректируют высоту уступа.

Разная протяженность фронта работ на верхних и нижних горизонтах иногда вызывает стремление регулировать высоту уступа с целью равномерного распределения по горизонтам однотипного оборудования: уменьшить высоту наиболее протяженных верхних уступов и увеличить высоту нижних.

Однако увеличение высоты нижних, как правило, добычных уступов неизбежно ведет к увеличению качественных и количественных потерь. Кроме того, значительная подвижность рабочей зоны в плане и по глубине приводит к постоянному изменению длины фронта работ. В результате уступы с минимальной длиной активного фронта через 5-7 лет становятся верхними и в случае повышенной высоты и недостаточной протяженности для расстановки максимального числа экскаваторов станут ограничивать подвигание рабочей зоны и углубку карьера.

Вследствие этих причин в практике проектирования действует правило: для разработки пород с близкими горнотехническими характеристиками высота уступов должна быть одинаковой, независимо от их расположения по глубине карьера.

При продольных системах разработки подготовка горизонтов траншейная, а подвигание рабочих бортов ведут в основном вдоль короткой оси карьера. Лишь незначительная часть фронта работ при постепенной траншейной подготовке горизонтов перемещается в диагональном направлении к простиранию залежи за счет последовательного расширения траншей на смежных горизонтах.

Для определения количества одновременно разрабатываемых добычных уступов используют известные аналитические зависимости [31]. При большой протяженности залежи число рабочих уступов зависит от расстояния между траншейными забоями на смежных горизонтах [4].

Увеличение годового подвигания фронта работ может быть обеспечено следующими способами [20]: увеличением числа экскаваторов на горизонтах, заменой экскаваторов на ограничивающих горизонтах на более мощные модели, применением вспомогательной технологической схемы на ограничивающих горизонтах в дополнение к основной. Однако внедрение этих мероприятий неизбежно приводит к выполаживанию рабочего борта карьера и увеличению эксплуатационного коэффициента вскрыши [4].

Поэтому необходимо рассматривать и целесообразность возрастания скорости углубки путем увеличения высоты уступа при одновременной замене экскаваторов на более мощные с повышенной высотой черпания, что позволит достигнуть поставленной цели при меньшей скорости подвигания рабочего борта.

При поперечных системах разработки подвигание фронта работ вскрышных и добычных уступов осуществляется вдоль длинной оси карьера – по простиранию залежи или параллельно ей.

На продольных бортах оставляют минимальные или узкие рабочие площадки с целью сокращения текущих объемов вскрыши. Подготовку горизонтов ведут, как правило, котлованами, изредка – траншеями.

Ширину рабочих площадок по простиранию (м) определяют, исходя из размещения развала взорванной горной массы, горно-транспортного оборудования и необходимого резерва запасов:

, (10.1)

где П_min – ширина площадки, учитывающая ширину развала взорванной породы (от первого ряда скважин), размещение автомобильной (железнодорожной) дороги и буровых станков, м; А_у – годовая производительность одного добычного уступа, м; m_г – горизонтальная мощность залежи, м.; h – высота уступа, м; μ – норматив обеспеченности подготовленными запасами полезного ископаемого, лет.

Годовую производительность добычного уступа устанавливают по условию расстановки экскаваторов, или исходя из потребности в сырье.

Длина экскаваторного блока при этом ограничивается только условиями работы карьерного транспорта, что позволяет уменьшить ее величину до 150–200 м при подготовке горизонтов разрезными траншеями и до 50–100 м при подготовке котлованами.

Ширину рабочих площадок вкрест простирания залежи находят только по условию размещения взорванной горной массы и возможности разворота автосамосвалов. По данным А.И. Арсентьева, она составляет 25–40 м. На карьерах Заполярья при большой снегозаносимости целесообразно увеличить ширину рабочей площадки вкрест простирания до 50–55 м.

Угол откоса рабочего борта по простиранию составляет 2–5º, а вкрест простирания – 20–25º, что почти вдвое больше, чем при продольных системах разработки. Вследствие этого значительно снижаются текущие объемы вскрышных работ.

Длина поперечных заходок (вкрест простирания) может быть самой различной, но не менее 30–50 м. При разработке залежей с горизонтальной мощностью до 80–100 м длину поперечных заходок принимают равной мощности залежи.

Длина фронта работ равна суммарной длине поперечных заходок на всех рабочих уступах.

При продольно-поперечных системах разработки фронт добычных работ перемещается по простиранию, а породный фронт – вкрест простиранию залежи или под углом к нему.

Такие системы разработки по данным К.А. Кумачева и В.Я. Майминда [20] применяют при отработке:

- крутых залежей со значительной мощностью наносов, на удалении которых используют высокопроизводительные комплексы, требующие по возможности прямолинейного фронта работ;

- вытянутых наклонных и слабонаклонных залежей, на которых углубка рабочей зоны сопровождается значительным подвиганием вскрышного фронта в направлении от их висячего бока.

Ширину добычных рабочих площадок определяют так же, как и для поперечных систем разработки. Ширину породных рабочих площадок на борту, перемещаемом вдоль короткой оси карьера и в диагональном направлении, принимают по аналогии с шириной площадок на вскрышных уступах при продольных системах разработки.

Отработка округлых залежей кольцевыми системами разработки характеризуется многосторонним подвиганием фронтов добычных и вскрышных работ.

Расчет скорости подвигания уступов в различных направлениях производится так же, как и при продольных системах разработки. Однако скорость подвигания уступов по простиранию и вкрест простирания будет одинаковой только в том случае, если залежь имеет в плане форму правильной окружности.

При выходе уступов из добычной зоны скорость их подвигания будет наименьшей. Для достижения заданной скорости углубки с этими минимально возможными скоростями должно быть обеспечено соответствующее годовое подвигание фронта на нижних породных уступах. Скорость перемещения верхних породных уступов определяют при календарном планировании и окончательно корректируют при составлении планов развития работ.

Длина добычных блоков при подвигании уступов по простиранию в начальный период их отработки равна ширине первоначального котлована и может возрастать затем до горизонтальной мощности залежи. При подвигании вкрест простирания она колеблется от длины котлована до длины залежи по простиранию.