Статья: Оптимизация параметров рабочей зоны карьеров, осуществляющих повторную разработку месторождений с утраченными полезными ископаемыми

УДК 622.015

Институт проблем природопользования и экологии НАН Украины

Оптимизация параметров рабочей зоны карьеров, осуществлЯющих повторную разработку месторождений с «утраченными» полезными ископаемыми

А.Г. Шапарь

Л.В. Якубенко

Одной из самых сложных проблем при реализации идей устойчивого развития является обеспечение прав будущих поколений на природные ресурсы. Это особенно актуально применительно к так называемым, невозобновляемым природным ресурсам, к которым относится минеральное сырье. Возможность решения этой проблемы обстоятельно рассмотрены в трудах ИППЭ НАН Украины.

Современный этап развития открытого способа разработки месторождений полезных ископаемых, в т.ч. и в Кривбассе, характеризуется повышенным вниманием к вовлечению в эксплуатацию техногенных месторождений в шламохранилищах и повторной отработке богатых потерянных руд в зонах обрушения подземных рудников.

Первое направление становится привлекательным благодаря тому, что уровень развития технологий обогащения существенно повысился и освободившиеся емкости в шламохранилищах могут быть повторно использованы.

Актуальность второго направления связана с тем, что разубоженные богатые руды после обрушения верхних участков месторождений, при их разработке подземным способом, по содержанию полезного компонента выше по сравнению с современными кондициями на эти руды, при этом отпадает необходимость отчуждения сельскохозяйственных земель, так как территория зон обрушения уже была отчуждена. Поскольку горные работы в этом случае ведутся в зонах обрушения, то основной проблемой является безопасность производства.

Научные и практические разработки последних лет, обеспечивающие вовлечение в эксплуатацию таких месторождений путем использования существующих технологических схем, решают эту задачу лишь частично.

Поэтому разработка способов безопасного ведения открытых горных работ, обеспечивающих полноту выемки полезного ископаемого из обрушенного или ослабленного подземными выработками массива горных пород, является актуальной научной задачей.

Приведенные исследования показывают, что одним из наиболее приемлемых технологических приемов для осуществления извлечения «потерянного» полезного ископаемого, является доработка таких месторождений наклонными слоями.

Сущность разработанной технологической схемы [1], предназначенной для разработки крутопадающих месторождений с неустойчивым состоянием массива горных пород, представленной на рисунке 1, заключается в следующем.

Рисунок 1 - Технологическая схема отработки карьерного поля наклонными слоями с односторонним развитием фронта горных работ

Формирование наклонных выемочных слоев для отработки карьерного поля осуществляется в период его вскрытия. Для этого в одном из торцов карьерного поля осуществляют одновременную нарезку с поверхности несколько наклонных вскрывающих выработок, угол наклона которых равен руководящему углу наклона транспортных коммуникаций.

Для обеспечения безопасной эксплуатации месторождения с нарушенной устойчивостью породного массива горную массу, заключенную в контурах карьерного поля, отрабатывают наклонными выемочными слоями, которые сочетают в себе функции выемочных слоев и транспортных коммуникаций. При этом рабочая зона карьера формируется поперечными добычными блоками, которые являются верхним основанием наклонных вскрывающих выработок и диагональными блоками, образующиеся при разносе боковых сторон этих выработок.

В период основного срока службы карьера вскрытие и подготовка наклонных выемочных слоев к их отработке осуществляется не в самой нижней части карьера, как это общепринято при существующих способах отработки крутопадающих месторождений, а в самой верхней части карьерного поля, расположенной в противоположном торце. В этом случае нарезка нового наклонного слоя осуществляется путем проходки двух горизонтальных съездов и разрезной траншеей с организацией сквозного движения транспортных средств.

При таком формировании рабочей зоны карьера достигается необходимая рассредоточенность горного оборудования (расстояние между поперечными экскаваторными блоками составляет 350-400 м). Кроме того, так как карьерное поле отрабатывается наклонными слоями, то: во-первых, поперечный блок по наклонной плоскости постепенно приближается к возможным пустотам, образованным подземными работами, вследствие чего сдвижение горных пород может произойти не по всей площади выемочного слоя, а только в его самой нижней точке. В этом случае объем разведочного бурения с установкой датчиков наблюдения за состоянием горного массива резко снижается.

Во-вторых, в связи с тем, что угол наклона выемочных слоев равен руководящему углу наклона транспортных коммуникаций, то устраняется необходимость не только дублирования, но и проведения их вообще, так как по сути вся площадь наклонных слоев является транспортными коммуникациями. В этом случае сдвижение горных пород и, как следствие, образование воронок обрушения не вызывает полной остановки производственных процессов в карьере. Следующим положительным моментом совмещения функциональности выемочного слоя с транспортными коммуникациями является обеспечение снижения дальности транспортирования в рабочей зоне карьера, так как транспортное средство из экскаваторного забоя к пункту разгрузки перемещается по кратчайшему пути.

Исследование взаимосвязей между параметрами рабочей зоны карьера и степень их влияния на режим горных работ представляет собой сложную и многовариантную задачу. Для решения этой задачи разработана математическая модель формирования рабочей зоны карьера наклонными слоями. Эта модель позволила увязать параметры рабочей зоны карьера с параметрами карьерного поля, условиями залегания рудного тела, а также с производственной мощностью горного предприятия по полезному ископаемому и вмещающим породам.

Величина текущих объемов производства вскрышных работ определяется с одной стороны производительностью карьера по руде, с другой - направлением отработки карьерного поля. Производительность карьера по горной массе определяется параметрами его рабочей зоны:

- высотой рабочей зоны по вскрышным и добычным работам;

- скоростью и направлением подвигания фронта горных работ;

- скоростью (темпом) и направлением углубки горных работ;

- высотой уступов;

- шириной рабочих и транспортных площадок.

Высота уступов, ширина рабочих площадок и транспортных берм определяется в соответствии с параметрами горно-транспортного оборудования согласно норм технологического проектирования карьеров и вводятся в математическую модель рабочей зоны карьера как постоянные величины.

Общеизвестно, что при стабильном объеме добычи полезного ископаемого, высота добычной рабочей зоны и скорость подвигания фронта горных работ имеют обратно-пропорциональную зависимость. С увеличением количества добычных уступов скорость подвигания фронта горных работ уменьшается и наоборот. Эта зависимость характера и при формировании рабочей зоны карьера наклонными слоями. Кроме того, при отработке карьерного поля наклонными слоями количество добычных слоев, рассредоточенных по простиранию пласта полезного ископаемого и угол ориентирования вскрышных диагональных блоков взаимосвязаны прямо-пропорциональной зависимостью.

Рассмотрим влияние ширины добычных рабочих площадок на количество добычных наклонных слоев, на длину и скорость подвигания фронта добычных работ для горно-геологических условий карьера «Северный» ГОК «Укрмеханобр» ОАО «Мариупольский металлургический комбинат им. Ильича», которым осуществляется повторная отработка железных руд открытым способом.

Исходя из конструктивных особенностей разработанных технологических схем ширина добычных рабочих площадок (Ш.д.р.п.) принимает значения, кратные длине съезда ().

Так как значения параметров рабочей зоны карьера носят дискретный характер, то результаты проведенных исследований удобнее представить в виде таблиц. В таблице 1 представлены установленные параметры рабочей зоны карьера в зависимости от ширины добычных рабочих площадок.

В таблице 2 представлено изменение параметров рабочей зоны карьера в случае возникновения аварийной ситуации и временного выхода из строя нижнего добычного наклонного слоя.

Анализ результатов проведенных исследований показывает, что и при работе карьера в штатном режиме и в случае возникновения аварийном ситуации параметры рабочей зоны карьера не выходят из рамок их нормативных значений только при ширине добычных рабочих площадок, не превышающих двойной длины съезда.

Таблица 1 - Параметры рабочей зоны карьера при формировании ее наклонными слоями

Таблица 2 - Параметры рабочей зоны карьера при формировании ее наклонными слоями в случае возникновения аварийной ситуации

Исходя из условия сохранения функциональности разработанных технологических схем, ширина добычных рабочих площадок должна быть не менее двойной длины съезда (? 2).

В результате проведенных исследований по определению параметров рабочей зоны с установлением взаимосвязи между ними, а также их влияние на календарное распределение извлечения горной массы на протяжении срока службы карьера разработана методика расчета календарных планов производства горных работ.

Рассмотрим особенности и последовательность расчета объемов извлечения горной массы на протяжении срока службы карьера:

1. Объемы извлечения горной массы с шагом определяются по формуле: крутопадающий месторождение карьер горный

,

до выполнения условия (рабочая зона карьера достигла противоположного торца карьерного поля по поверхности):

, шт.,

где , м3,

, м3,

, град.,

, м,

, град,

, шт.,

, шт.,

где n' - порядковый номер нижнего наклона слоя; L - длина карьерного поля, м; hc - высота отрабатываемого слоя, м; в- угол погашения торца карьера, град.; г- результирующий угол добычной рабочей зоны карьера, град.; ц- угол ориентирования транспортных берм, град.; m - горизонтальная мощность рудного тела, м; l - длина съезда, м, ip - руководящий уклон съезда (слоя); n - количество добычных наклонных площадок в рабочей зоне карьера, шт.; - ширина добычных рабочих площадок; nв - количество вскрышных слоев, покрывающих рудное тело; Hв - вертикальная мощность покрывающих пород.

2. При достижении рабочей зоной карьера противоположного торца карьерного поля по поверхности расчет объемов извлечения горной массы с шагом выполняется по формуле:

, м3 (1)

где Cn - величина, равная

,

,

- результирующий угол откоса рабочего борта карьера со стороны висячего или лежачего бока рудного тела, град.

При определении объемов горной массы по формуле (1) учитывается только положительное значение величины Cn. При достижении положительных значений Cn этот параметр определяется с шагом до получения результата

, град.,

где - ширина транспортных берм, м.

Определение объемов добычи полезного ископаемого осуществляется в следующей последовательности:

1. Сравниваем порядковый номер наклонного слоя n'с количеством вскрышных слоев, покрывающих полезное ископаемое, при:

1) , м3,

2) ,

, м3,

3) ,

, м3,

где , шт.; Hв - вертикальная мощность покрывающих вскрышных пород, м; m - горизонтальная мощность пласта полезного ископаемого, м; l - длина съезда, м;