Основные принципы и закономерности формирования рабочей зоны карьера

Рабочей зоной является та часть карьера, в которой в данный период эксплуатации предприятия находятся рабочие площадки, размещено основное горно-транспортное и вспомогательное оборудование, большая часть внутрикарьерных и энергетических коммуникаций и ведутся вскрышные и добычные горные работы.

Рабочая зона карьера представляет собой сложную пространственную поверхность, которая изменяет конфигурацию по мере своего развития в процессе отработки месторождения. Рабочая зона состоит из рабочих площадок и уступов, внутренних съездов и разрезных траншей, внутренних отвалов, площадок под перегрузочными пунктами, временными складами горной массы и др. В рабочей зоне поддерживают нормативную величину готовых к выемке запасов полезного ископаемого.

Эффективность разработки месторождения и качество добываемого полезного ископаемого во многом определяются конструкцией и эволюцией во времени и пространстве рабочей зоны, т.е. принятым порядком ее создания н развития.

Формирование рабочей зоны в карьере осуществляется в соответствии с определенными закономерностями, принятыми критериями и оценивается рядом показателей, таких, как скорость перемещения забоя, скорость перемещения фронта работ уступа или группы уступов, скорость и направление углубки, площадь рабочей зоны и темп ее изменения и др.

Скорость перемещения забоя, м/мес.

где Q – эксплуатационная производительность выемочного оборудования, работающего в забое, м³/мес; S₃ – площадь забоя, м².

где h — высота уступа, м; а — ширина заходки, м.

Развитие карьера характеризуется двумя основными направлениями: горизонтальным продвижением рабочих уступов и понижением горных работ.

Скорость перемещения линии фронта работ, м/год,

где L_Б — длина экскаваторного блока (фронта работ на один экскава­тор), м.

Для постоянного сохранения и возобновления фронта работ при разработке наклонных месторождений необходимо вскрывать и подготавливать новые горизонты — углублять карьер. Для этого на нижележащий горизонт проходят наклонную въездную траншею, которая вскрывает этот горизонт. От нее для создания фронта работ проводят горизонтальную разрезную траншею Р₁ (рис. 3.3). Эту траншею затем расширяют и, когда будет вынут объем V₁ т.е. создана рабочая площадка шириной, достаточной для вскрытия (проведения наклонной траншеи) нижележащего горизонта возможны его вскрытие и подготовка. Далее проводят въездную и разрезную траншею Р₂ и вынимают объем V₂ и т.д.

Приодинаковой ширине рабочих площадок угол откоса рабочего борта, градус,

где Ш_Р.П. — ширина рабочих площадок, м; а— угол откоса рабочих уступов, градус.

Въездные и разрезные траншеи на смежных уступах в процессе углубки карьера располагают в определенном положении. Линия OD, соединяющая между собой нижние бровки траншей на смежных уступах, представляет собой направление углубки карьера вкрест простирания карьерного поля, а угол р является углом углубки карьера (см. рис. 3.3).

Рабочую зону следует формировать, исходя из соотношений между направлением и скоростью понижения горных работ υ_У, направлением и скоростью подвигания фронта работ υ_Ф и углом рабочего борта карьера. Взаимосвязи перечисленных параметров, характеризующих развитие определенного участка рабочей зоны, показаны на рис. 3.4.

Предположим, что вскрытие новых горизонтов осуществляется в породах лежачего бока, и дно карьера в течение года перемещается в глубину по линии 00^/ т.е. углубление карьера идет под углом β. Годовая скорость углубления υ_y' по названной линии выражается отрезком 00^/ а вертикальная скорость (темп углубления) У_г = υ_y'sin β. Откосы рабочего борта OEM и ОК через год занимают положения О^/А и O'N при сохранении постоянных углов откоса α_Р.

Для обеспечения возможности углубления карьера и поддержания нормальной ширины рабочих площадок, рабочие уступы должны быть отодвинуты в горизонтальном направлении в обе стороны по линиям ОА и ОВ.

При этом добычные работы в пределах рудного тела будут понижаться со скоростью v₀, выражаемой отрезком ЕF, а нерабочий борт карьера будет формироваться со скоростью υ_б, выражаемой отрезком КN.

Соответствующие вертикальные скорости будут равны:

Взаимосвязь скоростей развития горных работ при различных вариантах углубки карьера показана на рис. 3.5.

По этому рисунку могут быть получены следующие соотношения скоростей, м/год:

где У_г и У_г' — скорости углубки карьера со стороны висячего и лежачего боков; У₀ — скорость понижения добычных работ; У_н - скорость формирования нерабочего борта карьера; υ_Р и υ_Р^/, — горизонтальные скорости подвигания рабочих уступов в сторону висячего и лежачего боков; α_Р, α_Рi — углы откоса рабочего борта, градус; β — угол направления углубки карьера, градус; β_н — угол падения рудного тела, градус; α_Н — угол погашения нерабочего борта карьера, градус.

По приведенным формулам можно определять величину максимальной скорости углубки карьера при максимально возможной скорости перемещения фронтов уступов, а также определят требуемую скорость перемещения фронтов уступов для обеспечения необходимого углубления горных работ. Эти задачи решают при обосновании технической возможности принятого при исследовании режима горных работ календарного графика.

В зависимости от величины параметров, входящих в формулы, скорость углубки карьера ограничивается интенсивностью работ либо в направлении ОА, либо в направлении ОВ. При У_Г=У_г' ограничения одинаковы, и может быть достигнута максимальная скорость углубки. Тогда при У_г =mах

если

и при

Важным следствием полученных уравнений является неравенство скоростей понижения горных и добычных работ в случае, когда углубка карьера ведется по пустым породам висячего или лежачего бока, т.е. когда дно карьера формируется вне рудного тела.

Скорости понижения добычных работ можно определить также по обшей формуле

Знак плюс берут, когда работы ведут от лежачего бока залежи к висячему, минус — при осуществлении работ в противоположном направлении.

Регулировать соотношение У=f(υ_ф, υ_Р) можно в определенной степени изменением угла рабочего борта α_Р. Если уменьшение угла рабочего борта может быть осуществлено увеличением ширины рабочих площадок, то его максимальное значение жестко ограничено минимально допустимой шириной рабочей площадки Ш_р.п.min.

Однако известны и на практике широко применимы технологические приемы некоторого увеличения угла α_Р. В частности, с целью увеличения результирующего угла рабочего борта его профиль делают ломаным. На рис. 3.6 показано, что рабочий борт, имеющий угол α_Р (положение 1), можно разделить на три участка (положение II), из которых два (1—2 и 3—4) сохраняют угол α_Р обеспечивающий нормальную ширину рабочих площадок, а на участке 2—3 применяются уменьшенные по ширине площадки, что позволяет увеличить угол наклона рабочего борта на этом участке до величины α_Р2. Такая конструкция позволяет увеличить результирующий угол рабочего борта.

По мере углубки карьера осуществляют расконсервацию уступов участка 2—3, но переводят во временно нерабочие другие уступы (положение III). Таким образом, поддерживают ломаный профиль борта и увеличивают на длительный период результирующий угол рабочего борта α_Р1, что позволяет сделать календарный график более экономичным.

На других участках карьера временно нерабочие уступы могут быть на иных горизонтах, что делает форму поверхности рабочей зоны сложной и меняющейся во времени и в пространстве.

Конструкция и размеры рабочей зоны в любой момент разработки месторождения должны обеспечивать установленную на данный период производительность карьера по полезным ископаемым установленного сортамента и качества, выполнение запланированных объемов вскрышных работ, обеспечивать осуществление горных работ с макси мальной эффективностью, соответствовать перспективному плану развития горных работ (принятому варианту режима горных работ).

Для того чтобы выдержать установленную производительность по добыче, суммарная площадь добычной рабочей зоны, число добычных уступов и длина добычного фронта работ должны обеспечить необходимый объем вскрытых и готовых к выемке запасов полезного ископаемого и рациональную расстановку в карьере соответствующего числа добычных экскаваторов.

Однако при равных условиях, чем больше рабочая зона, тем больше затраты, которые требуются на создание фронта работ и его поддержа­ние, опережающую выемку вскрыши, подготовку новых горизонтов, транспортирование горной массы на большие расстояния и др. Поэтому для того, чтобы обеспечить сокращение затрат на проведение горных работ, следует стремиться к тому, чтобы площадь и высота рабочей зоны в любой момент были минимальными, но достаточными.

Конструкция, размеры и динамика развития рабочей зоны различны на горизонтальных и наклонных месторождениях.

При разработке горизонтальных месторождений горные работы после окончания горно-подготовительных работ ведут без углубки карьера, рабочая зона перемещается в карьерном поле по мере разработки карьера, но по своей конструкции и размерам сохраняется в основном стабильной (рис. 3.7, а).

Ширина рабочей зоны составляет около 100-150 м. Высота зоны может слегка изменяться соответственно колебаниям рельефа местности и мощности пласта, а длина зоны — соответственно изменениям конечного контура карьера.

При разработке наклонных и крутопадаюших месторождений размеры рабочей зоны изменяются по мере увеличения глубины карьера с темпом, пропорциональным углу падения залежи.

На карьерах, разрабатывающих пологопадаюшие месторождения, постепенно увеличивается число вскрышных уступов и, следовательно, увеличивается площадь вскрышной зоны и длины фронта работ по вскрыше. Параметры добычной и отвальной зон остаются стабильными (рис. 3.7, б). Эти изменения происходят медленно, так как при ежегодном подвигании фронта работ на 100-200 м глубина карьера увеличивается не более чем на 0,5—1,5 м.

При разработке наклонных и крутопадающих месторождений рабочая зона в первый период расширяется, а затем, достигнув границ карьера, уменьшается пропорционально углам погашения бортов карьера (рис. 3.7, в). В условиях сложноструктурных месторождений не всегда могут быть достаточно четко выделены границы вскрышной и добычной зон. Поэтому в обшей изменяющейся площади рабочей зоны можно выделить изменяющуюся по месту расположения, но стабильную по суммарной плошади добычную зону, длина фронта работ на которой должна обеспечивать заданную производительность карьера по добыче с учетом установленного режима выдачи различных сортов руд.

Важной задачей при проектировании системы разработки является обоснование рациональных размеров рабочей зоны карьера, в первую очередь числа рабочих уступов, объемов готовых к выемке запасов горной массы. Стремление к снижению текущих объемов вскрышных работ неизбежно требует увеличения углов наклона рабочих бортов карьера за счет сокращения площадок рабочих уступов, применения различных модификации систем разработки в отдельных зонах работ.

Обобщение практических данных изменения параметров систем разработки показало, что с ростом глубины карьеров увеличивается число рабочих уступов, снижаются готовые к выемке запасы горной массы, интенсивность их отработки и в целом горных работ. Объемы готовых к выемке и отрабатываемых (в течение года) запасов горной массы существенно сокращаются на нижних горизонтах рабочей зоны, что резко отрицательно сказывается на воспроизводстве запасов и является важным фактором уменьшения возможной производительности карьера по руде.

Динамику развития рабочей зоны следует обосновывать, исходя из долгосрочной перспективы развития горных работ в карьере, т.е. исходя из режима горных работ и календарного графика разработки.

Система разработки неразрывно связана с комплексом горного и транспортного оборудования и вскрытием рабочих горизонтов. Она должна обеспечивать создание производительной и надежной транспортной системы карьера.

Благоприятные условия эксплуатации комплексов горного и транспортного оборудования, концентрации и интенсификации горных работ, как правило, возникают при использовании малоуступных (три-шесть) рабочих зон с отстройкой стационарных нерабочих бортов карьера. Несмотря на увеличение текущих объемов горной массы в отдельные периоды, такие системы разработки ведут к существенному улучшению технико-экономических показателей горного предприятия.