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.


    1. Прогнозирование структурных и прочностных свойств вскрышных пород

    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  , 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( 
    max

    пород уступа ; d e max ,


    • соответственно максимальный и минимальный предел

    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

    . 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: