Общие сведения об открытых горных работах реферат
Обновлено: 05.07.2024
Введение
В настоящее время для отечественной горнодобывающей промышленности характерно опережающее развитие открытого способа разработки месторождений полезных ископаемых. В этих условиях растущий масштаб предприятий и увеличение глубины карьеров все более усложняют и удорожают транспортирование горной массы. На многих карьерах технико-экономические показатели открытой разработки определяются в первую очередь процессом перемещения вскрышных пород и полезного ископаемого.
1. Общие сведения об открытых горных работах
1.1. Сущность и основные понятия открытых горных работ
Добыча полезных ископаемых осуществляется двумя способами – открытым и подземным.
Открытый способ разработки применялся издавна, когда извлекались только те полезные ископаемые, которые залегали наиболее близко к земной поверхности. По мере увеличения глубины работ открытый способ становился невыгодным, так как удаление увеличивающегося объема пустых пород посредством мускульного труда было слишком дорогим. Поэтому открытый способ разработки на длительное время был вытеснен подземным, при котором не требовалась выемка пустых пород. Лишь с конца позапрошлого века в связи с внедрением горных машин открытые работы начали получать распространение, а в последние десятилетия все более интенсивное развитие.
При значительных размерах выработанного пространства (современные карьеры имеют объем выработанного пространства сотни миллионов кубометров и достигают глубины нескольких сотен метров) нарушается естественное равновесие массива горных пород, окружающих карьер. Это может привести к деформациям боковой поверхности карьера (оползни и обрушения), к нарушению нормального ведения горных работ и к авариям. Во избежание таких последствий боковым поверхностям карьера придают определенный наклон, обеспечивающий их устойчивость. В связи с этим возникает необходимость выемки значительных объемов покрывающих и вмещающих полезное ископаемое горных пород, которые называются вскрышными, или вскрышей.
Годовые объемы вскрыши, перемещаемые в современных карьерах, составляют десятки миллионов кубометров и часто во много раз превышают объемы добываемого полезного ископаемого. Полезное ископаемое и вскрыша вывозятся из карьера на поверхность. В благоприятных условиях залегания полезного ископаемого вскрыша, отделенная от массива, может и не вывозиться из карьера, а размещаться в его выработанном пространстве.
Разработка массива горных пород (вскрыши и полезного ископаемого) в границах карьера производится горизонтальными или слабонаклонными слоями. Слои обычно отрабатываются параллельно с некоторым отставанием работ в пространстве и во времени на лежащем ниже слое. Таким образом, боковая поверхность карьера приобретает ступенчатую форму.
Часть толщи горных пород в карьере, имеющая рабочую поверхность в форме ступени и разрабатываемая самостоятельными средствами выемки, погрузки и транспорта, называетсяуступом.
Различают рабочие и нерабочие уступы. На рабочих уступах производится выемка пустых пород или добыча полезного ископаемого.
Уступ имеет нижнюю и верхнюю площадки, откос и бровки.
Откосом уступа называется наклонная поверхность, ограничивающая уступ со стороны выработанного пространства. Линии пересечения откоса уступа с его верхней и нижней площадками называются, соответственно, верхней и нижней бровками.
Горизонтальные поверхности рабочего уступа, ограничивающие его по высоте, называют верхней и нижней площадками. Площадка, на которой расположено оборудование, предназначенное для разработки (буровые станки, экскаваторы, транспортные средства), называется рабочей площадкой. Если площадка остается свободной, то ее называют нерабочей.
Уступ обычно разрабатывают последовательными параллельными полосами – заходками. Торец заходки называется забоем, непосредственно в котором осуществляется выемка породы или полезного ископаемого, в результате чего забой перемещается и отрабатывается заходка.
Высота уступа устанавливается с учетом безопасной работы и зависит от размера экскаваторов и физико-технических свойств пород.
При разработке пластов пространство, образующееся в карьерном поле после извлечения полезного ископаемого, называется выработанным. Его, если это технически возможно, необходимо использовать для размещения пород вскрыши или транспортных коммуникаций, по которым вывозится полезное ископаемое или вскрыша.
Насыпь горных пород, удаленных при разработке месторождения, называется породным отвалом. Отвалы, располагаемые в выработанном пространстве, называются внутренними, а на поверхности вне контура – внешними.
Производство открытых горных работ связано с нарушениями земной поверхности и использованием земельных площадей. Для того чтобы исключить или существенно снизить отрицательное воздействие открытых работ на окружающую среду, в процессе разработки и после отработки месторождения производится рекультивация отвалов, выработанного пространства и других нарушенных участков земной поверхности, а также водоемов.
Преимущества открытых горных работ по сравнению с подземными состоят в следующем:
На карьерах обеспечиваются более высокая безопасность труда и лучшие производственные условия.
Производительность труда на карьерах, как правило, в 5 – 8 раз выше, а себестоимость в 2 – 4 раза ниже, чем в шахтах. При этом на карьерах обеспечиваются более высокие темпы роста производительности труда.
Сроки строительства карьеров меньше сроков строительства шахт равной производственной мощности. Удельные капитальные затраты на строительство карьеров в 2 – 4 раза меньше, чем на строительство шахт.
При открытой разработке меньше потери полезного ископаемого и легче производить раздельную добычу его различных сортов.
При открытой разработке месторождений легче увеличить в случае надобности производственную мощность предприятия.
Недостатки открытых разработок:
Производство открытых горных работ требует отчуждения больших земельных площадей, иногда приводит к понижению уровня грунтовых вод на больших площадях и т.д.
Открытые работы зависят от климатических условий, что наиболее сильно проявляется в условиях Заполярья.
Недостатки открытых горных работ в большинстве случаев перекрываются их преимуществами. Поэтому в настоящее время открытый способ разработки месторождений является эффективным, перспективным и быстро развивается. Увеличиваются не только объемы открытой разработки, но и удельный вес этого способа в общей добыче полезных ископаемых.
Преобладание открытого способа разработки в развитии горной промышленности наблюдается во всем мире, там, где имеются для этого необходимые геологические условия.
Ограничениями для эффективного применения открытого способа разработки являются:
Большая мощность покрывающих пород и значительная глубина месторождения при относительно небольшой мощности залежи, т. е. такие условия залегания, когда объем породы, приходящийся на 1 т добычи полезного ископаемого (коэффициент вскрыши), превышает экономически допустимый предел. В настоящее время граничный коэффициент вскрыши составляет 5 – 15 м 3 /т.
Отсутствие в данной местности достаточно свободных земельных площадей для размещения отвалов и другие ограничения, вызываемые охраной окружающей среды.
Необходимость вложения в короткие сроки очень больших капитальных затрат, размер которых определяется большими размерами современных мощных карьеров.
Взрываемость вскрышного уступа определяют, главным образом, двумя характеристиками слагающих его пород: размером естественных блоков и сопротивляемостью этих блоков взрывному разрушению. Кроме этого, на взрываемость оказывают влияние диапазон изменения этих характеристик пород в уступе, координаты пространственного расположения слоев пород с неоднородными характеристиками и обводненность пород уступа.
Блочность массива вскрышных пород на угольных месторождениях
оценивается средним диаметром естественной отдельности
d е , м. Непо-
средственной характеристикой сопротивляемости естественных блоков взрывному разрушению является величина энергии, затрачиваемой на обра- зование единицы площади новой поверхности. Однако в настоящее время нет простых и надежных способов определения этой характеристики. На разрезах Кузбасса в качестве такой характеристики наибольшее распростра-
нение получило временное сопротивление пород сжатию
Диапазон изменения d е
оценивается коэффициентом неодно-
родности структурных и прочностных свойств пород уступа
К н , простран-
ственное расположение неоднородных по структурным и прочностным свойствам слоев пород - типом строения уступа Т , обводненность пород
уступа - высотой столба воды во взрывных скважинах
h в , м.
Прогнозируют взрываемость вскрышных пород на двух стадиях: при проектировании месторождения к разработке и в период его эксплуатации.
Цель прогноза взрываемости вскрышных пород на стадии проектирова- ния месторождения к разработке - обоснование решений по выбору техно- логии и горнодобывающей техники. Результаты прогноза взрываемости на этой стадии также могут быть использованы для решения задач, возникаю- щих при текущем и перспективном планировании горных работ в период эксплуатации месторождения.
Цель определения взрываемости пород вскрышных уступов на стадии
эксплуатации месторождения - обоснование параметров при составлении типового проекта буровзрывных работ и выполнении корректировочных расчетов к нему.
Наиболее полную и достоверную информацию о взрываемости пород на
этой стадии можно получить непосредственными измерениями: d е
ляют по замерам трещиноватости на откосе уступа;
раторных испытаний образцов горных пород; тип и строение уступа - по его откосу и данным процесса бурения скважин; обводненность - по замерам уровня воды во взрывных скважинах.
Прогнозирование структурных и прочностных свойств вскрышных пород
соответственно максимальный и минимальный предел
Процесс формирования состава и свойств пород угольных месторожде- ний охватывает несколько стадий: образование осадков, их диагенез, после- дующие изменения при эпигенезе вплоть до настоящего метаморфизма и выветривания.
В процессе образования осадков формируются первичные признаки по- род, определяющие их литологический тип: структурно - текстурные осо- бенности, состав обломочного материала, характер переслаивания и др. При диагенезе осадки уплотняются, происходит перераспределение вещества и образуется цемент. Эту стадию считают началом формирования инженерно - геологических свойств пород. При эпигенезе происходят дальнейшее уплот- нение пород, их литификация и вторичные изменения минералогического состава. Следовательно, свойства пород, которыми они обладают к моменту разработки месторождения, являются в большей степени эпигенетическими. Последующие геотектонические процессы изменили достигнутые при эпи- генезе параметры естественной блочности и прочности пород, не оказав су- щественного влияния на другие свойства. В результате этих же процессов часть пород оказалась в зоне гипергенеза и была подвержена выветриванию, вследствие чего их свойства резко изменились.
Указанные предпосылки, а также статистический анализ эксперимен- тальных данных позволили установить, что структурные и прочностные свойства пород определяются, прежде всего, следующими факторами: гео- лого-генетическим комплексом пород, определяющим их возраст; геотекто- ническими условиями формирования пород; эпигенезом; литологическим типом и глубиной залегания пород.
Из выделенных в Кузбассе семи геолого-генетических комплексов объ- ектом буровзрывных работ на угольных месторождениях являются, в основ- ном, вмещающие породы кольчугинской и балахонской серий.
По геотектоническим условиям угленосные районы бассейна разделены на четыре зоны: Приколывань-Томскую - на севере; Пригорношорскую - на юге; Центральную - в центре; Присалаирскую - на юго-западе (табл. 1.1).
Принадлежность угольных месторождений и разрезов к геотектоническим зонам
Марки угля и стадии эпигенеза осадочных пород
В соответствии с рекомендациями геологической службы бассейна и ре- зультатами проведенных исследований вскрышные породы угольных место- рождений по размеру обломочного материала и составу цемента разделены на литологические типы: конгломераты (К) и гравелиты (Г); песчаники (П - на карбонатном и ПГ - глинистом цементах; ПК, ПС, ПМ - соответственно, крупно-, средне, - мелкозернистые); переслаивание песчаника с алевролитом (ПА); алевролиты (А - на карбонатном цементе, АК, АМ - соответственно,
крупно-, мелкозернистые); аргиллиты (АР); породы с большим содержанием углистых материалов (АРУ, АМУ).
Указанные факторы являются входными параметрами в прогнозную модель естественной блочности и прочности пород, глубина залегания кото- рых составляет 60 - 100 м (табл. 1.3).
Примечание. В числителе приведено временное сопротивление пород сжатию
(МПа), в знаменателе - средний диаметр естественной отдельности в массиве (м).
Структурные и прочностные свойства вне этого интервала залегания пород определяют с помощью поправочных коэффициентов (табл. 1.4).
Значения поправочных коэффициентов
Примечание. В числителе приведены поправочные коэффициенты к опре-
делению cж , в знаменателе - для d е .
Прогнозировать структурные и прочностные свойства пород по данным табл. 1.3 и 1.4 можно как на стадии проектирования месторождения к разра- ботке, так и в процессе его эксплуатации.
Исходной информацией для прогноза этих свойств на действующих разрезах являются геологический отчет о результатах разведки месторожде- ния и инженерно-геологический разрез по подготавливаемому к взрыву бло- ку. Инженерно-геологический разрез строят по результатам геолого- маркшейдерской съемки блока. На нем должно быть указано наименование всех литотипов пород, слагающих этот блок, их нормальная мощность и глубина залегания. По геологическому отчету устанавливают геотектониче- ские особенности месторождения (зону), принадлежность пород к геолого- генетическому комплексу (серию) и стадию их эпигенеза. Остальные факто- ры: литотип, координаты его расположения во взрывном блоке и глубину залегания от земной поверхности - определяют по инженерно - геологиче- скому разрезу.
При прогнозе структурных и прочностных свойств вскрышных пород для перспективных месторождений, а также не вскрытых горными выработ- ками полей действующих разрезов вместо инженерно-геологических разре- зов используют геологические разрезы и журналы, которые ведут по каждой разведочной скважине, пробуренной на поле месторождения. В них поин- тервально описывают однородный по составу каждый слой породы с указа- нием его названия, нормальной мощности, глубины залегания и др.
Вскрышные породы угольных месторождений сложены в большинстве случаев несколькими слоями различных литотипов пород, сопротивляемость взрывному разрушению которых неодинакова. Поэтому при определении параметров взрывной подготовки важно знать неоднородность структурных и прочностных свойств пород, слагающих взрываемый уступ, а также зако- номерности смены литотипов пород по высоте этого уступа.
Неоднородность структурных и прочностных свойств пород уступа оп- ределяют по формуле
K d e max cжmax d e min cжmin ,
н 0,4(
cж max
пород уступа ; d e max ,
прочности пород уступа на сжатие, МПа.
При Кн 1 уступ принимают за однородный и рассчитывают для него
параметры взрывной подготовки по средневзвешенным значениям d e и
cж . В неоднородных уступах, когда Кн f 1 , удельный расход ВВ и пара- метры расположения скважинных зарядов необходимо определять с учетом
конкретного расположения неоднородных по d e
слоев пород в ус-
В зависимости от строения угленосной толщи месторождения и приня- той высоты уступа они могут быть представлены следующими типами (рис. 1.1).
Тип А. Строение уступа простое. Параметры d e
пределах интервала, величиной в одну категорию по блочности. Размещение зарядов ВВ в таких уступах не вызывает трудностей.
Тип Б. Уступы типа Б сложены породами, d e
ются в пределах интервала величиной от первой до второй категорий по блочности. По характеру изменения сопротивляемости пород взрывному разрушению в зависимости от высоты уступа выделено 10 вариантов строе- ний уступов этого типа.
Тип Б1. Породы нескольких литотипов расположены во взрывном блоке так, что наиболее прочные и крупноблочные из них находятся в нижней час- ти уступа. Для обеспечения качественного дробления таких пород необхо- димо бурить дополнительные скважины. Заряды в этих скважинах целесо- образно размещать лишь в той их части, где находятся породы повышенной сопротивляемости взрыву. Возможна концентрация энергии взрыва в ниж- ней части уступа за счет применения более мощных ВВ или увеличения их плотности, а также сочетание этих способов.
Тип Б2. Взрываемый уступ сложен породами нескольких литотипов та- ким образом, что наиболее трудновзрываемые породы расположены в верх- ней части уступа. Это один из самых неблагоприятных вариантов строения вскрышных уступов, так как наиболее прочные и крупноблочные породы располагаются в зоне нерегулируемого дробления (в зоне забойки). Такие уступы следует выявлять на стадии проектирования месторождения к разра- ботке и по возможности исключать их за счет изменения параметров систе- мы разработки.
Типы Б3, Б5, Б7, Б9. Общим для уступов этих типов является то, что в верхней их части располагаются породы, имеющие меньшую сопротивляе- мость взрывному разрушению, чем в средней или нижней частях уступа. Поэтому способы регулирования энергии ВВ в уступах в принципе не будут отличаться от рекомендованных ранее, а параметры расположения сква- жинных зарядов ВВ будут в большей степени определяться параметрами пространственного расположения наиболее прочных и крупноблочных сло- ев пород во взрывном блоке.
Типы Б4, Б6, Б8, Б10. Характерная особенность строения этих типов со- стоит в том, что наиболее трудновзрываемые породы или часть их распола- гаются в верхней части уступа, т.е. в зоне нерегулируемого дробления. По- этому в этом случае справедливы рекомендации указанные для уступов типа Б2 с учетом конкретного расположения слоев пород во взрывном блоке.
Тип В. Уступ сложен породами с резко отличающимися параметрами структурных и прочностных свойств, диапазон изменения которых охваты- вает интервал, величиной более двух категорий по блочности (Кн>2). Ос- новная трудность при разрушении таких уступов заключается в своевремен-
Рис. 1.1. Типы строения уступов
ном обнаружении таких слоев пород и определении параметров их про- странственного положения. Схемы размещения скважинных зарядов ВВ не отличаются от уступов типа Б.
Тип Г. Характерен для уступов высотой 15 - 50 м. Строение сложное. Возможно как последовательное повторение структур типа А, Б и В, так и различное их сочетание (Кн f 2). Схемы размещения скважинных зарядов ВВ в таких уступах необходимо рассматривать в каждом конкретном случае от- дельно.
Читайте также: