Условия применения углубочных систем разработки

Форма и строение залежей. Пласты, пластообразные залежи и свиты пластов характерны для угольных (Кузбасс, Урал, Экибастуз, Приморский край), железорудных (Кривбасс, Сарбайское, Качарское, Коршуновское), апатитовых и фосфоритовых (Хибины, Каратау), меднорудных (Удокан, Джезказган) и других месторождений.

Изометрические залежи, в основном массивного и штокверкового типов, характерны для многих месторождений руд цветных металлов, железистых кварцитов бассейна КМА, хризотил-асбеста и др. Трубообразные залежи характерны для алмазных месторождений. Разрабатываются также залежи переходных форм.

Большинство пластообразных залежей имеют четкие контакты, но неравномерное качество как го отдельным залежам, так и в пределах одной залежи по глубине и в плане. Многие месторождения, в первую очередь штокверкового типа (руды цветных металлов, хризотил-асбест, ряд руд химического сырья и т. д.), являются сложноструктурными, характеризуясь отсутствием четких контактов залежей, многочисленными включени­ями пустых пород, наличием нескольких (до десятка и более) рудных тел сложной формы, неравномерным качеством руды на участках, расстояние между которыми измеряется несколькими метрами, и т. д. Б целом для наклонных и крутых месторождений характерны многочисленные геологические нарушения, обусловливающие изменение пространственного положения, формы и размеров залежей, а также качества полезных ископаемых.

Преобладающие типы и мощность пород. Па всех наклонных и крутых месторождениях вскрышные породы — это в первую очередь покрывающие залежи наносы, вмещающие породы, прослои и включения. На угольных месторождениях вмещающие породы обычно полускальные и скальные (первого и второго классов по трудности разработки), а сам уголь является плотной или полускалыюй породой. Для многих рудных месторождений характерны метаморфизованные, осадочные и изверженные скальные вмещающие породы и полезные ископаемые с широким диапазоном изменения показателя трудности разработки пород (П_тр изменяется от 4—5 до 20 и более). Промерзшие полускальные и скальные (многолетнемерзлыс) вмещающие породы и полезные ископаемые типичны для месторождений северных и северо-восточных районов.

Обычная мощность угольных пластов изменяется от нескольких до десятков метров; такой диапазон мощности характерен и для пластообразных залежей руд цветных металлов, мине­рального химического сырья, хризотил-асбеста и др. Мощность железорудных залежей изменяется от десятков до сотен метров. Характерным является: одновременная разработка пород с различными показателями П_тр, отличающимися на 3—5 категорий и более; повышение трудности разработки пород с углублением карьера вследствие увеличения прочности и уменьшения трещиноватости пород даже одного минералогического состава.

Мощность покрывающих пород (в основном четвертичных отложений) обычно невелика (от нескольких метров до 30— 40 м). В то же время во все большем масштабе в разработку открытым способом вовлекаются месторождения с мощностью покрывающих пород до 100 и даже 150 м. Покрывающие породы на таких месторождениях мягкие, плотные, разнородные и полускальные.

Обводненность и температурный режим. Месторождения глубинного и высотно-глубннного типов, как правило, обводнены (от одного до шести водоносных горизонтов). Отрицательный температурный режим многолетнемерзлых мягких, плотных и полускальных пород с глинистым скелетом небла­гоприятно сказывается на выполнении технологических процессов и обеспечении устойчивости откосов отдельных уступов в летний период.

Рельеф поверхности. На выбор технологических решений (в основном по вскрытию, компоновке генплана) существенно влияет холмистый рельеф и особенно — сложный рельеф поверхности высокогорных месторождений. При этом он влияет на селе- и лавиноопасность и устойчивость отвалов, от него зависит местоположение обогатительных фабрик и отвалов, а следовательно, и расстояние транспортирования полезного ископаемого и вскрышных пород, а также является исходным фактором при выборе порядка разработки нагорных месторождений, комплексов вскрышного и добычного оборудования, расположения приемных пунктов горной массы.

По мере развития горных работ на нагорных карьерах изменяется и рельеф поверхности, что определяет целесообразность в ряде случаев изменения вскрышного и добычного технологического комплексов.

Форма и размеры карьеров. Конечные форма и размеры в плане карьера глубинного вида определяются его глубиной Я_к, углами заложения нерабочих бортов γ_и и размерами залежи на уровне дна. Размеры карьерного поля могут ограничиваться: наличием участков, где мощность залежи меньше допустимой, либо участков с непромышленным содержанием полезных компонентов; наличием природных или искусственных преград; большим расстоянием между отдельными залежами месторождения.

Форма поверхностного контура глубоких карьеров обычно округлая, независимо от формы залежи в плане. В то же время форма и размеры контура каждого горизонта и карьера в целом в начальный период отработки месторождения определяются формой и размерами залежи и применяемой системой разработки (рис. 4.4) и в меньшей степени — размерами и формой конечных контуров отдельных горизонтов и карьерного поля в целом.

С углублением карьера возрастает трудность разработки пород, увеличивается высота подъема горной массы и расстояние перевозок вскрышных пород. Уменьшение размеров нижних горизонтов обусловливает стесненные условия работы комплексов оборудования, в первую очередь транспорта. Усложняется также управление качеством добытого полезного ископаемого, возрастает водоприток. Условия производства горных работ особенно усложняются при достижении карьером глубины 150—200 м и более.

Обеспечение плановых объемов добычи полезного ископаемого достигается:

1) выбором добычных и вскрышных технологических комплексов, в наибольшей мере соответствующих природным и организационным условиям каждого этапа разработки и обеспечивающих преемственную связь между комплексами на смежных этапах и в период реконструкции карьера;

2) изменением схем вскрывающих трасс и способа вскрытия как с каждым новым этапом разработки (обычно при реконструкции карьера), так и в пределах одного этапа, соблюдая в целом принятую систему вскрывающих трасс;

3) регулированием параметров системы разработки с целью управления текущими объемами вскрышных работ как по этапам, так и в пределах этапов разработки.

Варианты развития горных работ

В общем случае при разработке наклонного или крутого месторождения с параллельным подвиганием фронта в карьере возможны семь вариантов начального положения и направления развития горных работ (рис. 4.5): варианты 1 и 2 характеризуют применение поперечной однобортовой системы разработки, 3 и 4 —продольной двухбортовой, 5 и 6 —продольной однобортовой, 7—поперечной двухбортовой систем разработки. Для каждого варианта характерны определенные способы вскрытия и режим горных работ.

Варианты 1 и 2 в простейших условиях разработки равноценны по объему вскрышных работ и способу вскрытия. В обоих случаях вскрывающие выработки и соответствующие транспортные коммуникации являются стационарными.

При вариантах 3 и 4 объемы горно-капитальных работ небольшие, но условия эксплуатации транспорта сложные, так как вскрывающие выработки являются нестационарными, по крайней мере для группы нижних рабочих горизонтов. Разрезную траншею можно проводить по вмещающим породам со стороны висячего или лежачего бока залежи или по залежи. В первом случае облегчается раздельная разработка полезного ископаемого, уменьшаются его потери и разубоживание; проведение таких траншей обязательно при продольных системах разработки маломощных (до 30—40 м) залежей. При разработке мощных залежей (200 м и более) чаще проводят разрезные траншеи по залежи вблизи ее лежачего бока для достижения более равномерного режима вскрышных работ и ускорения перевода временных съездов в постоянные.

Развитие горных работ по варианту 5 связано с выполнением от контура карьера со стороны висячего бока залежи больших объемов горно-строительных работ, а следовательно, и с большими капитальными затратами и продолжительным сроком строительства карьера.

При углах падения залежи β до 30—35° при варианте 6 развития работ непосредственно от лежачего бока залежи стационарные съезды можно устраивать на нерабочем борту карьера (с углом γ_н) без дополнительного его разноса (γ_н ≤β).

При наклонных вытянутых залежах горные работы развиваются чаще всего по варианту 6 — от лежачего бока залежи с использованием продольной однобортовой системы разработки.

С увеличением угла падения залежи (β>γ_н) объем вскрышных (горно-капитальных) работ в начальный период разра­ботки по варианту 6 увеличивается (см. рис. 4.5). Поэтому на крутых месторождениях горные работы развивают от середины карьерного поля к висячему и лежачему бокам залежи по вариантам 3 и 4 с использованием продольной двухбортовой системы разработки. Отработку вскрышных пород со стороны ее висячего бока можно вести равномерно при меньшем числе экскаваторов или форсированно для ускоренного ввода стационарных вскрывающих выработок.

При весьма вытянутых карьерных полях и применении автотранспорта, а также скиповых подъемников иметь излишний фронт горных работ невыгодно из-за больших объемов горно-капитальных работ и протяженности транспортных коммуникаций. В этом случае возможно применение вариантов поперечных систем разработки. При поперечном расположении и двустороннем развитии фронта (вариант 7) характерны относительно небольшие объемы горно-капитальных работ и расстояния транспортирования по горизонтам — соответственно на 20— 40 и 30—40 % меньше, чем при продольной однобортовой системе разработки. Однако при применении поперечной двух-бортовой системы разработки необходимо обеспечить высокие скорости подвигания и углубления горных работ, иметь повышенные уклоны внутрикарьерных дорог и иногда сооружать крутые траншеи, оборудованные наклонными подъемниками. При использовании автотранспорта возможна поперечно-продольная система разработки.

Мульдообразиые залежи в большинстве случаев начинают разрабатывать с крыльев залежи с подвиганием фронта вкрест простирания (рис. 4.6, а), что позволяет уменьшить в начальный период объемы вскрышных работ. Система разработки в этом случае продольная двухбортовая. При разработке мульд возможно также подвигаиие фронта работ по простиранию (рис. 4.6, б), что улучшает условия устойчивости бортов и иногда допускает частичное размещение пород во внутренних отвалах (принято, например, в варианте проекта Нерюнгринского угольного разреза).

При разработке относительно коротких рудных тел, когда карьер с самого начала имеет округлую форму в плане, а также многих месторождений строительных горных пород возможно радиально-круговое развитие горных работ на каждом горизонте от середины во все стороны; подготовка горизонтов осуществляется котлованами. Круговое развитие горных работ на горизонтах целесообразно также при разработке залежей, приуроченных к куполообразной возвышенности, при этом направление развития горных работ — от границ карьерного поля к центру.

Применение кольцевой центральной и поперечно-продольной систем разработки позволяет в короткие сроки добиться высокого темпа углубления горных работ, при минимальном объеме горно-капитальных работ достичь залежи и начать добычные работы, уменьшить объемы вскрышных работ в первый эксплуатационный период разработки.

При крутых и относительно коротких в плане залежах принципиально возможно веерное развитие горных работ на рабочих горизонтах с использованием веерно-рассредоточенной системы разработки. При этом, как правило, трасса вскрывающих выработок является стационарной или полустационарной и имеет спиральную форму. Ось веера для каждого горизонта располагается в пункте примыкания горизонтального участка трассы к вскрывающей траншее. Веерная рассредото­ченная система разработки характеризуется специфическими особенностями.

Во многих случаях при рациональной разработке месторождений в сложных условиях необходимо применять на различных участках разные системы или отдельные варианты систем в зависимости от изменений горно-геологических условий и масштаба горных работ. Довольно часто по мере развития горных работ на карьере оказывается целесообразным последовательное (реже одновременное) применение различных систем разработки.