Содержание к диссертации
Введение
1 Проблемы разработки глубокозалегающих рудных месторождений 11
1.1 Современное состояние и перспектива развития горных работ на глубоких рудных карьерах 11
1.2 Развитие теории применения внутреннего отвалообразования в глубоких карьерах 26
1.3 Опыт проектирования и применения внутреннего отвалообразования 33
1.4 Выводы 42
2 Исследования факторов, определяющих эффективность технологии горных работ с внутренним отвалообразованим 44
2.1 Принципы оценки технологии 44
2.2 Взаимосвязь параметров и показателей ведения горных работ с внутренним отвалообразованием в условиях округлых карьерныхполей 48
2.3 Степень влияния различных факторов на оценочные показатели горных работ 56
2.4 Выводы. Цели и задачи работы 64
3 Разработка перспективных систем разработки с внутренним отвалооб разованием и исследование их параметров и показателей 67
3.1 Формирование банка систем разработки с внутренним отвалообразованием и исследование их параметров и показателей 67
3.2 Углубочные системы разработки со ступенчатыми схемами внутреннего отвалообразования 74
3.3 Взаимосвязь параметров и показателей горных работ при применении слоевых схем формирования внутренних отвалов 90
3.4 Взаимосвязь параметров и показателей внутреннего отвалообразования при применении сплошных и смешанных углубочно-сплошных систем разработки 97
3.5 Сравнительная оценка систем разработки 105
3.6 Выводы 115
4 Изыскание эффективных способов управления параметрами рабочей зоны 117
4.1 Особенности формирования рабочей зоны глубоких карьеров. Термины и понятия 117
4.2 Взаимосвязь параметров и показателей рабочей зоны 122
4.3 Зависимость угла наклона рабочих бортов карьеров от определяющих фактров 133
4.4 Скорость понижения горных работ 140
4.5 Выводы 150
5 Изыскание ресурсосберегающих способов вскрытия месторождений 151
5.1 Ресурсосберегающие схемы вскрытия 151
5.2 Факторы, определяющие объем вскрывающих выработок 163
5.3 Условия и эффективность применения крутых уклонов вскрывающих выработок 167
5.4 Адаптация ресурсосберегающих способов вскрытия к реальным условиям глубокозалегающих месторождений 176
5.5 Выводы 182
6 Исследование эффективности и области применения перспективных систем разработки 184
6.1 Особенности определения экономической эффективности горных работ с внутренним отвалообразованием 184
6.2 Зависимость стоимостных показателей горных работ от определяющих факторов 189
6.3 Управление режимом горных работ. Определение экономической эффективности и области применения технологии горных работ с внутренним отвалообразованием 200
6.4 Выводы 216
Заключение 218
Список литературы
- Развитие теории применения внутреннего отвалообразования в глубоких карьерах
- Взаимосвязь параметров и показателей ведения горных работ с внутренним отвалообразованием в условиях округлых карьерныхполей
- Углубочные системы разработки со ступенчатыми схемами внутреннего отвалообразования
- Зависимость угла наклона рабочих бортов карьеров от определяющих фактров
Введение к работе
Актуальность работы. Особенностью современного этапа развития отечественной горнодобывающей промышленности является значительная сложность горно-геологических условий большинства месторождений твердых полезных ископаемых. Месторождения и залежи, расположенные относительно близко от поверхности Земли, к настоящему времени в основном отработаны или дорабатываются. Возникла необходимость отработки глубоких горизонтов эксплуатируемых месторождений, а также бедных месторождений и глубоко залегающих. Коэффициент вскрыши на отечественных карьерах в среднем в четыре раза выше по сравнению с карьерами других основных добывающих стран мира. Их эксплуатация требует значительных трудовых и энергетических ресурсов, а также земельных площадей для размещения вскрышных пород, зачастую высокотоксичных.
Одним из наиболее перспективных технологических решений, направленных на сбережение ресурсов при открытой добыче минерального сырья, является ведение горных работ с внутренним отвалообразованием, которое широко применяется в угольной промышленности при разработке месторождений большой протяженности, особенно в Кузнецком бассейне, на отдельных карьерах которого объем внутреннего отвалообразования достиг почти 100 %. Однако эта технология не нашла должного применения при разработке глубокозалегающих месторождений рудного и нерудного минерального сырья, где ее применяют, как правило, только на стадии доработки месторождений, причем в ограниченных объемах с параметрами, далекими от оптимальных.
Вопросам внутреннего отвалообразования посвящено большое число трудов отечественных ученых. Они в основном касаются разработки месторождений, имеющих большие размеры по простиранию. Возможность же внутреннего отвалообразования при разработке месторождений небольшой длины слабо изучена, что в значительной степени и явилось одной из причин его ограниченного применения. Поэтому разработка геотехнологических основ внутреннего отвалообразования при разработке глубокозалегающих месторождений, соответствующих округлым карьерным полям, к которым относится большинство рудных месторождений, является актуальной проблемой. Ее решение диктуется необходимостью повышения эффек-
тивности разработки многих рудных месторождений.
Цель работы – обоснование технических возможностей и экономической целесообразности применения внутреннего отвалообразования при разработке глубокозалегающих месторождений ограниченной длины.
Основная идея работы состоит в том, что эффективность и расширение области применения внутреннего отвалообразования при разработке глубокозалегающих месторождений ограниченной длины достигаются путем управления формированием карьерного пространства и его рабочей зоны, предусматривающим создание выработанного пространства на полную глубину карьера и складирование в нем вскрышных пород на основе совершенствования существующих и разработки новых систем разработки, способов вскрытия, схем формирования внутренних отвалов и их параметров, отвечающих требованиям ведения горных работ в стесненных условиях и обеспечивающих сокращение затрат на транспортирование вскрышных пород и снижение потребности в земельных ресурсах.
Объектом исследования является технология и параметры ведения горных работ с внутренним отвалообразованием при разработке глубокозалегающих месторождений ограниченной длины, соответствующих округлым карьерным полям.
Область исследований – изыскание рациональных параметров вскрытия, порядка развития карьерного пространства, способов формирования внутренних отвалов и обоснование критериев их оценки, установление взаимозависимостей между ними и определяющими их факторами.
Предмет исследования – выявление взаимосвязей горно-геологических, горнотехнических и экономических параметров и показателей способов вскрытия и систем разработки с параметрами внутренних отвалов и последовательностью их формирования при разработке глубокозалегающих месторождений ограниченной длины.
Защищаемые научные положения:
1. Управлением последовательностью формирования карьерного пространства на основе предложенных систем разработки и способов вскрытия возможно создать условия расположения отвалов вскрышных пород на местах, освобожденных от рудных залежей.
2. Наиболее перспективные технологические схемы формирования рабочей зоны глубоких карьеров с временной консервацией бортов и уступов подчиняются общей закономерности, отражающей взаимосвязь всех основных параметров и показателей систем разработки и технологических процессов открытых горных работ и позволяющей на основе разработанных аналитических и статистических зависимостей осуществлять управление параметрами рабочего пространства в интерактивном режиме при проектировании и эксплуатации месторождений с применением внутреннего отвалообразования.
3. При определении руководящих уклонов вскрывающих выработок учет кривизны бортов, глубины вскрытия и отрабатываемых объемов горной массы позволяет до 2 – 5 раз уменьшить объемы дополнительного разноса бортов для размещения этих выработок.
4. Высокая эффективность внутреннего отвалообразования в глубоких карьерах ограниченной длины достигается путем формирования карьерного пространства при опережающем строительстве на одном из флангов передового карьера с промежуточной глубиной и создания на противоположном фланге выработанного пространства для размещения оставшихся объемов вскрышных пород.
Методы исследований. В работе использован комплекс методов, включающих анализ литературных источников и обобщение практики; системный технико-экономический и структурно-функциональный анализ; теория вероятности и ошибок; аналитический и статистический (дисперсионный анализ, множественной корреляции и регрессии) методы; методы технико-экономического моделирования, вариантов и производственного эксперимента.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается результатами современных методов исследований; корректным использованием разработанных экономико-математических моделей, их сходимостью с фактическими данными и результатами других исследователей и производства; соответствием технологических и экономических критериев отечественной и мировой практики; использованием результатов исследований в проектах и нормах технологического проектирования.
Научная новизна работы состоит в:
- выявлении причин и факторов, ограничивающих применение внутреннего
отвалообразования при разработке глубокозалегающих месторождений ограниченной длины;
- выявлении взаимосвязи основных параметров и показателей перспективных технологических схем формирования рабочей зоны карьеров и установление на этой основе аналитических и статистических зависимостей удельной длины активного фронта горных работ, угла откоса рабочих бортов и интенсивности горных работ от факторов, обеспечивающих возможность определения их целесообразных значений в интерактивном режиме;
- разработке метода и установлении рациональных значений уклона вскрывающих выработок с учетом кривизны бортов, глубины вскрытия и объемов горной массы, отрабатываемых с применением этих уклонов;
- разработке перспективных углубочных систем разработки с внутренним отвалообразованием, основанных на формировании внутренних отвалов наклонными ярусами с уменьшающейся высотой по мере понижения горных работ в карьерном пространстве;
- установлении зависимости себестоимости вскрышных пород и перевозки горной массы автомобильным транспортом от объемов и глубины карьера, расстояния транспортирования, физико-механических свойств горных пород и природно-климатических условий с учетом динамики развития горных работ;
- разработке рационального режима горных работ при внутреннем отвалообразовании на основе строительства передового карьера и оптимизации его глубины с учетом эффекта от перераспределения времени отработки вскрышных пород и снижения затрат на их транспортирование и платы за земельные ресурсы;
- установлении условий и области применения внутреннего отвалообразования при разработке глубокозалегающих рудных месторождений.
Научное значение заключается в:
- выявлении причин незначительного, несистематического применения внутреннего отвалообразования на глубоких рудных карьерах небольшой длины;
- развитии теории и создании основ эффективного применения внутреннего отвалообразования при разработке глубокозалегающих рудных месторождений ограниченной длины с использованием автомобильного транспорта и карьерных погрузчиков;
- установлении общей взаимосвязи параметров и показателей схем формирования рабочей зоны глубоких карьеров с временной консервацией бортов и уступов;
- учете кривизны бортов при определении величины руководящего уклона вскрывающих выработок;
- обосновании комплекса систем разработки с внутренним отвалообразованием, аккумулирующим достоинства и в значительной степени устраняющим недостатки существующих систем;
- определении технико-экономических условий применения внутреннего отвалообразования при разработке глубокозалегающих месторождений ограниченной длины.
Практическое значение работы состоит в том, что выявлены возможности и разработаны способы повышения эффективности внутреннего отвалообразования при освоении глубокозалегающих месторождений ограниченной длины, базирующиеся на: системах разработки, предложенных для условий округлых карьерных полей; методиках определения технологических параметров и их рациональных значений для углубочных систем разработки; установленных условиях и областях эффективного применения различных систем разработки; доказательстве необходимости и возможности рассмотрения применения внутреннего отвалообразования еще на ранних стадиях принятия проектных решений.
Личный вклад автора заключается в:
- установлении взаимосвязей параметров и показателей формирования рабочей зоны глубоких карьеров при временной консервации бортов и уступов;
- разработке метода определения удельной длины активного фронта горных работ, углов откоса рабочих бортов и скорости понижения горных работ при временной консервации бортов и уступов;
- разработке метода и определении рациональных значений повышенного уклона автомобильных съездов в глубоких карьерах в зависимости от кривизны бортов, глубины вскрытия и вскрываемых объемов горной массы;
- разработке способа регулирования режима горных работ при освоении глу- бокозалегающих месторождений ограниченной длины с внутренним отвалообразва-
нием;
- выявлении взаимосвязи параметров и показателей технологии ведения гор-
ных работ с внутренним отвалообразованием;
- установлении зависимости себестоимости вскрышных работ и себестоимости транспортирования горной массы от определяющих факторов при применении автомобильного транспорта;
- определении области и условий применения систем разработки с внутренним отвалообразованием при освоении глубокозалегающих месторождений ограниченной длины.
Реализация результатов работы. Методические подходы, результаты и выводы работы использованы при составлении и разработке схемы развития минерально-сырьевой базы Свердловской области до 2015 года, проектов Горишне-Плавнинского и Лавриковского месторождений Полтавского ГОКа, при выполнении ТЭО освоения ряда месторождений марганцевых руд Североуральского марганцеворудного бассейна, при проектировании карьеров Горного управления комбината «Магнезит», учтены при разработке проекта « Норм технологического проектирования предприятий черной металлургии». Подход к вскрытию глубокозалегающих месторождений с повышенным уклоном вскрывающих выработок использован при выборе способа разработки месторождения Восход и законтурных запасов карьера Южный Донского ГОКа, а также ряда месторождений руд цветных металлов Южного Урала.
Апробация работы. Основные положения диссертации и ее отдельные результаты доложены и обсуждены на международных конференциях «Проблемы разработки месторождений глубокими карьерами» (г.Челябинск, 1996 г.) и «Проблемы геотехнологии и недроведения» (г. Екатеринбург, 1998 г.), на симпозиумах и конференциях Московского государственного горного университета в рамках «Неделя горняка» (1999, 2002, 2008 гг.), на международной научно-технической конференции «Итоги и проблемы производства, науки и образования в сфере добычи полезных ископаемых открытым способом» (г. Екатеринбург, 2002 г.), на международной научно-технической конференции «Проблемы открытой разработки месторождений полезных ископаемых (Хохряковские чтения)» (г. Екатеринбург, 2007 г.), на Уральских горнопромышленных форумах «Горное дело, оборудование, технологии» (г. Екатеринбург, 2006, 2008, 2009 г.), на научно-технических советах институтов Гипроруда и Уралгипроруда, Донского и Полтавского ГОКов, комбината «Магнезит».
Работа выполнена при поддержке гранта «Геоинформационное, геомеханиче-
ское и геотехнологическое обеспечение освоения стратегически важных объектов минерально-сырьевого комплекса Сибири и Дальнего Востока» по государственному контракту с Федеральным агентством по науке и инновациям (шифр заявки «2009-1.1-151-066-004»», государственный контракт № 002.740.11.0317).
Публикации работы. По результатам выполненных исследований опубликовано 37 научных работ, в том числе 16 в рецензируемых изданиях, рекомендуемых ВАК России.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения на 206 страницах машинописного текста, списка литературы из 156 наименований, 58 рисунков и 19 таблиц.
Автор выражает глубокую благодарность научному консультанту докт. техн. наук, член-корр. РАН, проф. В.Л.Яковлеву за оказанную методическую помощь при работе над диссертацией, проф., докт. техн. наук, акад. АЕН В.С.Хохрякову, проф., докт. техн. наук В.М.Аленичеву, проф., докт. техн. наук С.В.Корнилкову за поддержку и ценные советы при обсуждении и формировании работы, ст. науч. сотр., докт. техн. наук М.Г.Саканцеву за многолетнее творческое сотрудничество и помощь в проведении исследований, инж. Т.М.Зыряновой, Р.Н.Зуйковой, Н.У.Макаровой – за всестороннюю помощь в подготовке и оформлении работы.
Автор считает своим долгом выразить признательность коллегам по работе в Московском государственном горном университете, ИПКОНе и ИГД СО РАН за поддержку и критические замечания, оказавшие положительное влияние на выполнение исследований.
Развитие теории применения внутреннего отвалообразования в глубоких карьерах
Глубина горных, работ является фактором, от которого в значительной степени зависит большинство технико-экономических показателей разработки месторождений открытым способом. Увеличение глубины ведет к снижению производительности труда, ухудшению показателей использования оборудования, увеличению капитальных вложений, повышению себестоимости товарной продукции, то есть к ухудшению почти всех показателей, характеризующих эффективность разработки. Влияние глубины работ на технико-экономические показатели проявляется в основном через две группы факторов - природных и производственных.
К природным факторам относятся крепость и блочность пород, тектонические нарушения массива, направление слоистости пород, степень их метаморфизма, водо-обильность массива и т.д. По данным М.В. Васильева [9], крепость пород увеличивается с глубиной наиболее интенсивно, как правило, в верхней части массива (до 100 -150м). Дальнейшее увеличение крепости происходит менее заметно. В результате увеличения крепости снижается производительность буровых станков и возрастает себестоимость бурения скважин. При увеличении глубины работ на 100 м производительность бурения снижается в среднем на 15 - 25%.
Увеличение размера блоков пород отражается на себестоимости и качестве дробления пород, а также на производительности выемочно-погрузочного оборудования. При увеличении глубины карьера на 50 м естественная блочность пород и руд увеличивается в среднем на 0,26 м, а вызванное этим увеличение себестоимости дробления составляет 5 - 6%.
Водообильность в большинстве случаев также возрастает с глубиной, так как связана с блочностью и трещиноватостью. Увеличение водопритока требует увеличения затрат на осушение за счет более дорогостоящего подземного водопонижения, бурения экранирующих понизительных скважин и т.д. Кроме того, повышенная обводненность требует использовать специальные и более дорогостоящие типы ВВ. Увеличение минерализации вод с глубиной требует применения коррозионно-устойчивого оборудования и материалов. Из числа производственных факторов наибольшее влияние на показатели эффективности горных работ оказывает расстояние транспортирования горных пород. Это вызвано тем, что трудозатраты на транспорт находятся в прямой зависимости от глубины разработки; при этом расстояние транспортирования с увеличением глубины возрастает не только за счет увеличения длины транспортных коммуникаций, но и за счет увеличения длины станций, разъездов, тупиков и т.д. Коэффициент развития трассы при большой глубине карьера достигает 1,7 - 1,8. Поэтому при железнодорожном транспорте возрастает количество маневровых операций, значительно снижается оборачиваемость составов. За 1960 - 1980 гг. снижение производительности автосамосвалов и локомотивов на каждые 100 м глубины составило 25 - 27% [9]. С увеличением глубины происходит сокращение фронта горных работ, что ведет к снижению длины экскаваторного блока и к более частым перемещениям экскаватора, к усложнению маневрирования транспортных средств. Кроме того, увеличение глубины ведет к уменьшению ширины рабочих площадок, особенно в период подхода рабочих бортов к предельным контурам, вызываемого стремлением к снижению пиковых объемов вскрышных работ. В результате снижается количество одновременно взрываемых скважин, ухудшаются условия дробления, увеличивается выход негабарита. Все это приводит к снижению производительности экскаваторов.
С увеличением глубины карьеров и связанным с этим ухудшением условий разработки возрастает себестоимость горных работ. Так, если средняя глубина железорудных карьеров с 1970 по 1998 г. увеличилась с 70 до 190 м, то себестоимость і горной массы в ценах 1984 года возросла с 70 до 155 коп/м .
Наиболее значительно с увеличением глубины горных работ изменяются показатели работы карьерного транспорта. При этом происходит снижение производительности транспортных средств и увеличение себестоимости транспортирования. Производительность автосамосвалов снижается из-за увеличения высоты подъема горной массы и протяженности затяжных подъемов на грузовых направлениях, что существенно влияет на скоростной режим и моторесурс двигателя. В среднем снижение производительности автосамосвалов на 100 м увеличения высоты подъема составляет 35 - 40%. Снижение производительности локомотивосоставов на 100 м глубины составляет 25-35%. Наиболее значительно с увеличением глубины горных работ изменяются стоимостные показатели карьерного транспорта. Согласно исследованиям Института горного дела УрО РАН, в среднем на каждые 10% увеличения глубины горных работ себестоимость перевозки 1 т горной массы железнодорожным и автомобильным транспортом возрастает на 7 - 10%. Влияние глубины горных работ на показатели работы автомобильного транспорта очень наглядно демонстрирует табл. 1.3 [1], в которой приведены данные по Гайскому карьеру за период с относительно стабильным уровнем цен и других нормативных показателей, влияющих на себестоимость перевозок. При среднегодовом темпе увеличения высоты подъема горной массы из карьеров Гайского ГОКа на 14% производительность автосамосвалов уменьшалась на 8,2% ежегодно, а себестоимость перевозок возрастала на 7,4%. На Сарбайском карьере за 1981 - 1991 гг. глубина увеличилась на 69 м (с 285 до 354 м), а цены на оборудование, материалы, топливо и электроэнергию оставались относительно постоянными, услуги управления горного железнодорожного транспорта возросли на скальной вскрыше на 57%, автотранспорта - на 69%, в целом транспортных цехов - на 64%.
Взаимосвязь параметров и показателей ведения горных работ с внутренним отвалообразованием в условиях округлых карьерныхполей
На рудных карьерах использование выработанного пространства для размещения вскрышных пород не получило такого распространения, как в угольной промышленности, и если используется для этих целей, то, главным образом, для размещения вскрышных пород в соседних ранее отработанных карьерах; при этом внегинекарьерное отвалообразование применяется только там, где отработанные карьеры расположены на небольшом расстоянии от действующих. Так было использовано выработанное пространство Гологорского карьера комбината «Магнезит», карьера Старый Сибай Башкирского медно-серного комбината, Юго-восточного участка на Учалинском ГОКе, карьера Объединенный того же ГОКа, карьеров объединений «Южуралникель», «Севбокситруда», Донского ГОКа и др.
На комбинате «Магнезит» для размещения вскрышных пород Карагайского карьера был использован Гологорский карьер, имевший объем 34 млн. м , глубину 144 м, размеры в плане 800x500 м; он располагался практически вплотную к Карагайскому карьеру. С 1974г. в него начали поступать вскрышные породы. Отсыпка велась на частично затопленное пространство, так как водоотлив в карьере был ликвидирован. Развитие отвала производилось в основном с западного борта, примыкающего к Карагайскому карьеру, узкой полосой вдоль южного борта. После заполнения карьера началось наращивание отвала в высоту, которая значительно превысила господствующий уровень поверхности.
Внешнекарьерное отвалообразование было применено при разработке Западной залежи Никольского месторождения на том же комбинате «Магнезит» путем последовательной отработки ее отдельных участков. В результате были значительно сокращены затраты на транспортирование и отвалообразование вскрышных пород.
Карьер Старый Сибай, имеющий глубину 120 м, был использован для размещения вскрышных пород соседнего Сибайского карьера. Заполнение производилось с борта карьера.
Подобным образом были размещены вскрышные породы карьера им. XIX партсъезда Учалинского ГОКа в карьере Юго-западного участка.
Из-за отсутствия вблизи необходимого количества свободных земельных площадей большая часть вскрышных пород карьера Молодежный Учалинского ГОКа размещена в полностью отработанном карьере Объединенный того же ГОКа. Большое расстояние между карьерами, составляющее восемь километров, предопределило выбор для перевозки вскрыши автомобильно-железнодорожного транспорта. Отработка Молодежного карьера велась с применением автомобильного транспорта; затем вскрыша на поверхности перегружалась в железнодорожный транспорт и доставлялась на Объединенный карьер. Отсыпка рыхлых и полу скальных пород велась в оползневом режиме [63]. Объединенный карьер имеет ступенчатую форму дна и, соответственно, глубину на отдельных ступенях от 50 до 180 м. В этих условиях складирование предусмотрено в один ярус с разгрузочной площадки на уровне поверхности. Место складирования зависело от типа пород. Поскольку скальные породы были предназначены для последующих закладочных работ, то их складирование производилось в более мелкой части карьера (глубиной 80 м) с целью облегчения последующей погрузки и обеспечения минимального расстояния транспортирования до закладочного комплекса. Однако складирование остальных пород - рыхлых и полускальных - в глубокую часть карьера (до 180 м) было сопряжено с возникновением оползней. Поэтому их отсыпку было решено производить комбинированным экскаваторно-бульдозерным способом в оползневом режиме. Железнодорожные пути располагаются на верхнем подуступе, а экскаватор типа механическая лопата - на нижнем за пределами призмы обрушения. Экскаватор отсыпал по краю нижнего подуступа вал максимально возможной высоты. При этом в результате оползневых явлений часть породы сползала вниз, остальная часть после стабилизации отвала сталкивалась бульдозером вниз.
На Донском ГОКе выработанное пространство карьера III Геофизический было использовано для размещения вскрышных пород карьеров Южный и V Геофизический. Общий объем складируемых пород составил 9,5 млн. м3. При этом расстояние транспортирования вскрышных пород из карьера Южный, осуществляемое автотранспортом, сократилось на 0,8 км. Отсыпка пород велась одним ярусом высотой 150 м.
Внешнекарьерное отвалообразование применено в Бакальском рудоуправлении, где для размещения вскрышных пород карьера Экипировка было использовано выработанное пространство Северо-Восточного карьера [142]. Для вскрытия залежи, отрабатываемой этим карьером, необходимо было переместить автомобиль ным транспортом порядка 1,5 млн. м вскрышных пород. Внешний бульдозерный отвал, где могли быть размещены эти объемы, находился на расстоянии более одного километра. В то же время в непосредственной близости к карьеру Экипировка находился отработанный карьер Северо-Восточный, частично уже заполненный вскрышными породами. Поэтому институт «Уралгипроруда» принял решение разместить вскрышные породы карьера Экипировка в данном карьере, которое и было реализовано на практике. В результате применения внешнекарьерного отвалообра-зования расстояние перевозки вскрышных пород сократилось на 0,6 км, было сохранено от нарушения 6,4 га земли и, кроме того, подготовлено к рекультивации еще 7,8 га.
По проекту института «Укргипроруда» с 1979 г. скальной вскрышей засыпается карьер № 1 Ново-Криворожского ГОКа одним отвальным уступом на глубину 175 м. В 1983 - 1985 гг. одним отвальным уступом был засыпан Скелеватский карьер, попавший в зону ведения горных работ Южного ГОКа. Ведется засыпка карьера № 2 Центрального ГОКа из карьера № 1.
Внешнекарьерное отвалообразование применяется на рудных карьерах там, где позволяет сложившаяся ситуация. Оно не зависит от горно-геологических условий. Ограничением является, главным образом, расстояние между действующим карьером и карьером, используемым для размещения вскрышных пород.
Непосредственно внутрикаръерное отвалообразование, при котором вскрышные породы размещаются в выработанной части собственного карьера, в горнорудной промышленности весьма редко. Основное условие для него - ступенчатая форма дна карьера. Засыпке подвергается верхняя ступень, на которой горные работы достигают предельных границ в более ранние сроки. Так произошло на Объединенном карьере Учалинского ГОКа, где во время доработки один из флангов карьера подошел к предельному контуру раньше другого, и на Гайском карьере № 1. На последнем, дно которого имело ступенчатую форму, после отработки южной части месторождения выработанное пространство было засыпано вскрышными породами северной части карьера.
Углубочные системы разработки со ступенчатыми схемами внутреннего отвалообразования
Степень влияния различных факторов на оценочные показатели, характеризующие эффективность ведения горных работ с внутренним отвалообразованием, во многом определяется системой разработки. Факторы, определяющие оценочные показатели технологических схем, основанных на углубочных и сплошных системах разработки, могут быть сведены в две группы: управляемые, неуправляемые. К управляемым относятся системы разработки, способ вскрытия, технологические схемы выполнения отдельных операций горных работ (формирование рабочей зоны, формирование внутренних отвалов и т.д.) и их параметры. Главным фактором, определяющим показатели горных работ с внутренним отвалообразованием, является система разработки. Основными неуправляемыми факторами являются глубина и длина карьера, мощность и угол падения рудных тел. При этом первые можно считать условно неуправляемыми, так как они сами зависят от эффективности применяемой технологии. При этом одни факторы воздействуют на отдельные показатели, другие - на совокупность показателей.
Из неуправляемых факторов наибольшее влияние на основные технологические показатели углубочных систем разработки оказывают длина и глубина карьера, из управляющих - высота выемочного слоя. Особенно значительное влияние они оказывают на удельный вес внутреннего отвалообразования. Изменение высоты выемочного слоя Яв на величину 0,1ЯК ведет к изменению удельного веса внутреннего отвалообразования в зависимости от условий (глубины и длины карьера) в пределах 1,5 - 2,5% (рис. 2.4). В свою очередь, степень влияния длины и глубины карьера зависит от высоты выемочного слоя. При Нв = 0,65#к изменение длины карьера на каждые 100 м ведет к изменению удельного веса внутреннего отвалообразования в среднем на 0,75%), изменение глубины карьера на 100 м приводит к его изменению на 1,5 - 2%. При Нв = Нк соответствующее изменение длины карьера ведет к изменению удельного веса внутреннего отвалообразования на 1,2 - 1,5%; изменение же глубины на 100 м - к изменению удельного веса на 1,8 - 2,3 %, то есть из управляющих факторов наиболее существенное влияние на удельный вес внутреннего отвалообразования оказывает высота выемочного слоя.
Удельная экономия внутрикарьерных перевозок также увеличивается с увеличением глубины карьера, но находится в более сложной зависимости от высоты выемочного слоя и глубины карьера. По мере увеличения высоты выемочного слоя до некоторого значения удельная экономия достигает максимума и затем начинает снижаться. Высота слоя, при которой удельная экономия внутрикарьерных перево зок достигает максимума, составляет 60 -70% от глубины карьера. При этом само максимальное значение удельной экономии внутрикарьерных перевозок зависит от глубины карьера: чем больше глубина, тем меньше удельная экономия. Так, при глубине карьера 280 м и его длине 400 м максимальное значение удельной экономии составляет 14%; при глубине 420 м и длине 400 м 12,3%. Вместе с тем удельная экономия имеет тенденцию к увеличению при увеличении длины карьера. В результате приведенные выше цифры при длине карьера 1200 м составляют 17,7 и 16,4%, соответственно.
Удельный объем дополнительного разноса бортов для размещения дополнительных вскрывающих выработок при применении углубочных систем разработки зависит, главным образом, от длины карьера (рис. 2.5) и, в меньшей степени, от его длины карьера, глубины и высоты выемочного слоя. При высоте выемочного слоя, равной глубине карьера, объем дополнительного разноса бортов включает лишь объем наклонного съезда, пройденного на полную глубину карьера. При высоте выемочного слоя Нв Нк объем дополнительного разноса включает объем соединительной транспортной бермы, обеспечивающей гру-зотранспортную связь рабочей зоны с внутренним отвалом, и объем 200 400 600 800 1000 LK, м наклонного съезда, начальной вы 1 Д»=0,5 Нк; 2 - Нв = Нк; ( ) - сотной отметкой которого явля нь 280м; (--) -Як=420м
Зависимость объема допол- ется верхняя отметка выемочно нительного разноса бортов го слоя, нижней - дно карьера. В случаях Нв = Нк и Нв = 0,65ЯК удельный объем дополнительного разноса бортов при длине карьера 400 м находится в пределах 24 - 30%, при длине 800 м - в пределах 16-21%, при длине 1200 м 12 - 16%. При этом в случае, когда Нв = Нк, до ля наклонного съезда в общем объеме дополнительного разноса бортов составляет 100%, в случае Яв = 0,65ЯК - от 70 до 85%.
Как следует из приведенных данных, объем дополнительного разноса бортов является основным фактором при решении вопроса о целесообразности применения углубочных систем разработки. Это обусловлено тем, что при небольшой высоте выемочного слоя удельный объем дополнительного разноса бортов превышает и удельный вес внутреннего отвалообразования, и удельную экономию внутри-карьерных перевозок. Тем более, что эти вместе взятые показатели характеризуют экономию средств для выполнения только двух технологических процессов -транспортирования и размещения вскрышных пород во внешнем отвале. Естественно, что в этом случае внутреннее отвалообразование будет неэффективно. При большой высоте выемочного слоя, то есть когда удельная экономия внутрикарьер-ных перевозок W равна или близка к нулю, внутреннее отвалообразование может быть эффективно при условии CnD-CBAVyO (здесь Св - себестоимость вскрышных работ, руб/м3, Сп - себестоимость транспортирования вскрышных пород по поверхности и размещения их во внешнем отвале, руб/м3). Это может быть выполнено либо при условии большой длины транспортирования вскрышных пород по поверхности, либо при высокой ценности земли и больших затратах на ее рекультивацию, либо при наличии обоих этих условий. Все это подтверждает главную роль объема дополнительного разноса бортов при определении эффективности применения внутреннего отвалообразования на основе углубочных систем разработки. А так как объем дополнительного разноса бортов зависит от способа вскрытия и его параметров, то они и являются главными факторами, определяющими эффективность и конкурентоспособность технологии ведения горных работ с внутренним отвалообразованием на основе углубочных систем разработки.
Зависимость угла наклона рабочих бортов карьеров от определяющих фактров
Углубочные системы разработки со ступенчатыми схемами внутреннего отвалообразования обеспечивают широкие возможности регулирования высоты и места расположения выемочного слоя, высоты выемочного яруса, высоты отвальных ярусов и, как следствие, параметров карьеров первой и второй очереди, удельного веса внутреннего отвалообразования, удельной экономии внутрикарьерных перевозок и других параметров и показателей горных работ.
Главной задачей при определении эффективности углубочной системы с простой ступенчатой схемой отвалообразования является определение высоты и пространственного расположения выемочного слоя. Это обусловлено тем, что объемы вскрышных пород нижних горизонтов относительно невелики по сравнению с объемами всей вскрыши в контурах карьера. Эффект от их размещения во внутреннем отвале, как правило, значительно меньше по сравнению с эффектом размещения вскрышных пород в этом отвале, например, с горизонтов, расположенных в средней части карьера. Так, для карьера глубиной Як = 300 м, длиной La = 1000 м, углах погашения бортов у =45 размещение во внутреннем отвале вскрышных пород слоя /zcp = 15м, находящегося на глубине Н, = 150 м, обеспечивает экономию грузовой работы Э = 2Ht (Нк - Щ hcp Lcn ctg у = 2-150 (300 -150) 15 1000 1 = 675 млн. м3м. Размещение такого же пятнадцатиметрового слоя с глубины 250 м обеспечит экономию грузовой работы 2 50 (300 - 50) 15 1000 1 = 375 млн. м3м. Иначе говоря, эффективность размещения вскрышных пород во внутреннем отвале с глубины 150 м больше, чем с глубины 250 м.
Размер и расположение выемочного слоя относительно дна карьера являются одними из главных параметров углубочной системы с простой ступенчатой схемой отвалообразования. Выемочный слой по высоте может быть численно равен глубине карьера или быть меньше нее и при этом располагаться в любой по глубине части карьера: верхней, средней или нижней. Это основной параметр, от которого практически зависят все остальные параметры и показатели горных работ при применении внутреннего отвалообразования, то есть основными факторами, определяющими технологические показатели данной системы разработки (удельный вес внутреннего отвалообразования, удельную экономию внутрикарьерных перевозок и объем дополнительного разноса бортов для размещения вскрывающих выработок), являются верхняя и нижняя отметки выемочного слоя.
Другим фактором, определяющим оценочные показатели, является высота выемочного яруса. Благодаря делению выемочного слоя на отдельные выемочные ярусы, высота подъема вскрышных пород сокращается во столько раз, во сколько раз высота выемочного яруса меньше высоты выемочного слоя. Однако при этом объем вскрышных пород, размещаемых во внутреннем отвале, сокращается из-за уменьшения средней высоты внутреннего отвала и увеличения длины карьера пер вой очереди в ущерб длине карьера второй очереди. В конечном итоге эффективность системы разработки зависит от оптимального соотношения этих оценочных показателей. Но данные показатели являются функцией определяющих их факторов. Следовательно, величина технологических показателей и, как следствие, эффективность и возможная область применения системы могут быть установлены только на основе надежных зависимостей от определяющих их факторов. Такие зависимости получены на основе проведенных статистических исследований более 500 вариантов сочетания различных параметров углубочной системы с простой ступенчатой схемой отвалообразования. Рассмотрены варианты глубины карьера от 300 до 400 м, высоты выемочных ярусов от нуля до Нк (здесь Нк - глубина карьера) при разной длине карьера по дну LK. Для каждого варианта глубины карьера и высоты выемочного яруса составлены исходные таблицы, где строки характеризуют верхнюю отметку выемочного слоя, а колонки - его нижнюю отметку. Таким образом, в исходных таблицах для каждого значения глубины, длины карьера и высоты выемочного яруса представлены все возможные варианты высоты и места расположения выемочного слоя. Это наглядно отражают таблицы 3.2, 3.3 и 3.4, в которых для карьера глубиной 360 м, длиной дна 600 м, высотой выемочных ярусов 60 м, мощностью рудного тела М = 60 м и коэффициентом остаточного разрыхления Кр= 1,1 приведены значения относительной длины карьера второй очереди Li , удельного веса внутреннего отвалообразования и удельной экономии внутрикарьерных перевозок при разных размерах и расположении выемочного слоя. В исходных таблицах каждая строка соответствует верхней отметке выемочного слоя, а колонки - его нижней отметке. Отметки приведены в абсолютных и относительных (в скобках) значениях. Число в табл. 3.2, выделенное жирной рамкой, характеризует выемочный слой, верхняя отметка которого находится на высоте 300 м, нижняя - на высоте 120 м, считая от дна карьера.
Содержание таблиц основано на выполнении следующих действий: 1. Длина карьера второй очереди L2, вследствие сложных взаимосвязей с определяющими факторами, определяется методом вариантов с применением графоаналитического метода на основе формул (3.1) - (3.5).
