ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ВСКРЫТИИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

Крутопадающими месторождениями называются месторождения, угол падения которых превышает 30⁰.

Разработка подобных месторождений в зависимости от их размеров может выполняться целиком или отдельными участками.

Если рассмотреть крутопадающую залежь, то возможные варианты вскрытия ее отдельных частей могут быть осуществлены так, как показано на рис. 2.1 [5].

Транспортные подходы к части месторождения, расположенные выше основной отметки промышленной площадки (точка 0), могут быть осуществлены либо полутраншеями по рельефу местности (по линии 0^’ –1-3), либо по насыпи (по линии 0-1), либо штольней с рудоспуском (по линии 0^’ –2-3).

Для вскрытия горизонтов карьера, расположенных ниже отметки промплощадки, необходимо проходить либо систему наклонных траншей внутри карьера (по линии 0^’–8-5-4), либо шахту (0-6) с квершлагами (7-8, 9-5, 10-4), либо наклонную шахту (0’’-5).

Горнотехнические условия месторождений, к которым относят параметры залежи и контуры карьера, принятые технологию и систему открытой разработки и ее параметры, степень технического оснащения карьера, грузооборот, направление грузопотоков и др., оказывают существенное влияние на выбор способа вскрытия.

При достаточной разведанности месторождения с последующим односторонним развитием работ, капитальные траншеи обычно располагают стационарно на весь срок существования карьера на нерабочем или временно нерабочем бортах.

Для ускорения строительства карьера, увеличения фронта работ, уменьшения объема горно-капитальных работ и затрат на их выполнение траншеи могут располагаться и не стационарно на рабочих бортах, как правило, по контакту полезного ископаемого (скользящие съезды при железнодорожном транспорте и временные – при автотранспорте).

Рис. 2.1. Схема вскрытия месторождения

Расположение вскрывающих выработок и направление развития вскрышных работ в пределах контуров (границ) карьерного поля обусловливают объемы горно-капитальных работ и первоначальной капитальной вскрыши, среднегодовые объемы вскрышных работ, сроки строительства карьера и достижение проектной производственной мощности по добыче полезного ископаемого, размер капитальных затрат на приобретение горно-транспортного оборудования.

В общем виде открытые горные работы подразделяются на вскрышные, под которыми понимают выемку, перемещение и размещение вскрышных пород в отвалах, и добычные, включающие выемку, перемещение и складирование или разгрузку полезного ископаемого на промежуточных складах или обогатительных фабриках.

По назначению и особенности выполнения выделяются:

1) горно-капитальные работы (ГКР), включающие проведение капитальных траншей или полутраншей, разрезных траншей (полутраншей) или котлованов и удаление вскрышных пород на горизонте до размеров минимальной рабочей площадки для создания первоначального фронта работ уступа;

2) эксплуатационные работы, выполняемые предприятием за счет собственных средств после сдачи карьера в эксплуатацию. Кроме собственно добычных и вскрышных работ они включают и работы по подготовке последующих горизонтов, то есть проведение въездных (наклонных или крутых) траншей или полутраншей, разрезных траншей (полутраншей) или котлованов.

На крутопадающих месторождениях вскрытие и подготовка горизонтов (уступов), в отличие от пластовых, горизонтальных, выполняются в течение всего срока существования карьера. На пластовых месторождениях подготовка горизонтов заканчивается со сдачей карьера в эксплуатацию по окончании выполнения горно-капитальных работ в период строительства карьера.

2.2. ОТКРЫТЫЕ ГОРНЫЕ ВЫРАБОТКИ

Открытыми горными выработками называют выработки с незамкнутыми контурами поперечного сечения. К ним относятся траншеи, полутраншеи и котлованы.

Траншея – это открытая горная выработка трапециевидной формы в поперечном сечении, ограниченная снизу подошвой (дном) и наклонными плоскостями с боков, именуемыми бортами.

Основными параметрами траншеи являются ширина ее основания, продольный уклон, длина, угол откоса бортов и строительный объем.

В зависимости от назначения различают капитальные, разрезные и специальные траншеи.

Капитальные траншеи (полутраншеи) предназначены для вскрытия месторождения или отдельных его участков (карьерных полей). В них размещаются, в зависимости от вида транспорта, рельсовые пути, автодорога или транспортные установки.

Ширина основания (дна) траншеи определяется в зависимости от типа экскаватора, способа ее проведения и числа транспортных полос. В учебных расчетах она может приниматься по данным работ [3, с.206 и 211, табл.6.3 и 6.4] или [9, с.202, табл.9.1].

Глубина траншеи соответствует высоте уступа, а ее длина определяется в зависимости от продольного (руководящего) уклона и максимальной глубины. Руководящим уклоном именуется тангенс максимального угла наклона основания (дна) траншеи J, преодолеваемого карьерным транспортом.

, (2.1)

где L_к.т – длина проекции осевой (наклонной) линии траншеи на горизонтальную плоскость (продольный прилежащий катет треугольника).

В соответствии с этим измерение уклона может выполняться в долях единицы: tgJ, промилле ‰, отношение высоты подъема к одной тысяче метров длины траншеи, процентах (то же, на 100 м длины) или углом наклона основания (дна) траншеи J = arctg i_к.т в градусах.

Следовательно, длина наклонной капитальной траншеи определится как

, (2.2)

Значение уклонов капитальных траншей в зависимости от вида транспорта могут приниматься по данным табл.2.1 [2, с.40].

Таблица 2.1

Значение продольного уклона капитальных траншей

В зависимости от других признаков различают следующие типы капитальных траншей (табл.2.2).

Таблица 2.2

Типы капитальных траншей по Е.Ф. Шешко

Вскрытие крутопадающих месторождений обычно выполняют системой внутренних, капитальных траншей или комбинированно: внешними – несколько (2-4) верхних, и общими внутренними – все остальные горизонты. Системой капитальных траншей считают их совокупность, обеспечивающую вскрытие всех рабочих горизонтов карьера.

При вскрытии месторождений внутренними траншеями принципиальное значение имеет форма их трассы.

Трассой траншей называется линия, определяющая положение оси пути траншей в пространстве. Проекция трассы на горизонтальную плоскость называется планом, а на вертикальную – продольным профилем трассы. Если упоминают только трассу траншеи, то имеют в виду ее план. Для размещения системы траншей в пространстве карьера выполняют их трассирование, под которым понимают установление направления продольной оси траншей и положения их в плане и профиле. Трассу траншей устанавливают в полном соответствии с ее продольным уклоном, длиной, радиусами кривых, а также длиной и профилем участков примыкания на горизонтах (уступах) карьера.

Примыкание может выполняться на руководящем (i_р) или смягченном уклонах (i_см = 0,65×i_р) и на горизонтальных площадках длиной 150-500 м при железнодорожном и 20-50 м при автомобильном транспорте.

Форма трассы считается простой, если она имеет одно направление на всем протяжении, и сложной, если она состоит из нескольких участков разного направления. Трасса внешних траншей всегда простая, а внутренних -–как простая, так и сложная.

Если протяженность трассы системы траншей превышает длину борта карьера, на котором производится ее трассирование, то возможны следующие случаи:

1) трасса размещается на одном борту карьера, а ее простые отрезки разного направления соединяются тупиками или петлями минимально допустимого радиуса; подобные трассы соответственно называют тупиковыми и петлевыми (рис.3.2 и 3.6);

2) трасса переводится с одного борта карьера на другой до полного размещения ее на всю глубину карьера, такая форма трасы именуется спиральной.

Тупиковая трасса применяется при железнодорожном транспорте на глубоких карьерах. Она может быть внутреннего и смешанного внешневнутреннего заложения, отличаясь от простой трассы меньшей провозной способностью.

Отрезки одного направления тупиковых трасс (ступени) в зависимости от длины карьерного поля, величины уклона траншеи и высоты уступа (формула 2.2) могут вскрывать от одного до трех-пяти уступов. В последнем случае трассу называют ступенчато-тупиковой.

Комбинированная внешняя и внутренняя трасса на глубоких карьерах применяется для сокращения числа тупиков изменения направления движения составов. При этом верхние три-четыре уступа вскрывают внешними, а нижние – внутренними траншеями.

Спиральная трасса представляет кривую, располагаемую на бортах карьера.

Минимальный периметр карьера Р_н на отметке начала спиральной трассы

Р_н = Р_нз + 2p×Н_спр×ctgg_ср , (2.3)

где Р_нз - периметр дна карьера, м;

Н_спр - глубина вскрытия спиральной трассой, м;

g_ср - средний угол откоса бортов карьера, град.

Петлевая трасса применяется при использовании на глубоких карьерах автомобильного и реже железнодорожного транспорта.

При вскрытии месторождения с переменными элементами залегания трасса капитальных траншей может быть комбинированной (например, простой и тупиковой, простой и спиральной, тупиковой и петлевой и т.д.).

Разрезные траншеи, являясь продолжением капитальных, проходятся горизонтально или с небольшим уклоном, подготавливают первоначальный фронт работ на вскрытых горизонтах.

Специальные траншеи предназначены для иных, кроме вскрытия и подготовки горизонтов, целей, например, для дренажа месторождения.

2.3. КЛАССИФИКАЦИЯ СПОСОБОВ ВСКРЫТИЯ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

Из многих классификаций способов вскрытия наибольшее распространение получила классификация проф. Е.Ф. Шешко [20]. В основу этой классификации положено наличие, расположение, количество обслуживаемых горизонтов (уступов) и назначение вскрывающих выработок. По данным признакам способы вскрытия приведены в табл.2.3.

Наименование способа вскрытия обычно обусловливается главными, определяющими признаками в следующей последовательности.

1. Число обслуживаемых горизонтов (уступов).

2. Положение вскрывающих выработок относительно контуров карьера.

3. Форма трассы при вскрытии общими внутренними траншеями (полутраншеями).

Например, месторождение вскрыто общей, внутренней траншеей со ступенчато-тупиковой формой трассы или месторождение (карьерное поле) вскрыто общей, внутренней траншеей со спиральной формой трассы и т.д.

Пластовые угольные и некоторые рудные месторождения поверхностного типа горизонтального и пологого залегания с незначительной до 40 м мощностью вскрышных пород обычно вскрываются внешними и реже внутренними наклонными траншеями.

Условия применения, особенности разработки, вскрытия, объемы и последовательность выполнения горно-капитальных и подготовительных работ на этих месторождениях приведены в методических указаниях по выполнению дипломных и курсовых проектов [16, 17].

Таблица 2.3

Классификация способов вскрытия месторождений

окончание табл.2.3

Кроме того, внешними траншеями могут вскрываться несколько верхних горизонтов наклонных и крутопадающих пластовых и штокверковых глубинных и нагорно-глубинных месторождений, нижние горизонты которых обычно вскрывают общими внутренними.

2.3.1. Вскрытие месторождений общими внутренними

траншеями

Этот способ характеризуется тем, что все уступы карьера вскрываются одной общей траншеей (полутраншеей), имеющей тупиковую, петлевую, спиральную или комбинированную трассу. Применяется для вскрытия глубинных и нагорных месторождений любой формы и залегания.

Разработка месторождений, вскрытых данным способом, оправдана до глубины 200 м и более.

Вскрытие месторождений общими внутренними

траншеями с тупиковой трассой

Применяется для вскрытия достаточно вытянутых глубинных месторождений при их отработке до глубины 150-200 м и более с применением железнодорожного транспорта.

Сущность способа заключается в последовательном вскрытии горизонтов наклонными траншеями, которые проводятся на одном из бортов карьера, оканчивающихся на рабочих горизонтах тупиковыми площадками. Тупиковые площадки оборудуются маневровыми путями для разминовки груженых и порожних составов с переменой направления их движения.

Другие возможные типы разъездов на тупиковых площадках приводятся у В.В. Ржевского [1, с.254].

Минимальная длина карьера L_к(min) по простиранию залежи при вскрытии ее простыми съездами (рис.2.3) соответствует длине наклонной части съезда и двух тупиковых площадок, м

L_к(min) = , (2.4)

где Н_к - глубина карьера при отработке залежи с использованием железнодорожного транспорта, м;

i_р - 0,040-0,060 (40-60 ‰) - руководящий уклон траншеи при движении электровозного и тепловозного транспорта [11, с.40];

L_т.п - 150-250 м - длина тупиковых площадок примыкания траншей на рабочих горизонтах [9, с.244].

Для снижения времени маневров локомотивов на тупиковых площадках с увеличением производительности экскаваторов и локомотиво-составов на вытянутых месторождениях наклонные траншеи

Рис.2.2. Вскрытие месторождения общей внутренней

траншеей с тупиково-телескопической трассой

Рис. 2.3. Вскрытие месторождения общей внутренней

траншеей со ступенчато-тупиковой трассой

(съезды) располагают ступенями по 3-4 уступа в каждой ступени в зависимости от длины траншей и карьера (см. рис.2.2).

Траншеи (съезды) обычно располагают стационарно на нерабочем борту со стороны лежачего бока залежи.

Если это ведет к увеличению сроков строительства карьера, траншеи (съезды) могут закладываться на рабочих бортах, и они (съезды) становятся скользящими (см. рис.2.4). Такие съезды в свое постоянное положение на нерабочем борту перемещаются вместе с рабочими бортами по мере срабатывания панелей (экскаваторных заходок). Ширина скользящих съездов в этом случае определяется необходимостью отработки панелей на их наклонном основании и равна не менее 40-50 м. Их длина из-за снижения уклона до i_р = 0,015 составляет 660-1000 м при высотах уступов соответственно равных 10 и 15 м. Поэтому вскрытие скользящими съездами может применяться при любых условиях залегания месторождения с минимальной длиной фронта уступа не менее 800-1000 м.

При вскрытии залежи простыми (телескопическими) съездами минимальная длина карьерного поля составляет 700-800 м, а сложными (ступенчатыми) – 1500-1900 м.

Подготовка нового горизонта заключается в проведении капитальной (наклонной) траншеи на его нижнюю отметку, разрезной траншеи - на длину всего уступа или его части, разноса борта траншеи до размеров минимальной рабочей площадки, обеспечивающей проведение капитальной траншеи на очередной, нижележащий горизонт (уступ).

Простые тупиковые съезды обеспечивают объем перевозок (грузооборот) карьера 16-20 млн. т в год, а двухпутные съезды с телескопическим развитием путей при двух съездах на борту карьера или со ступенчатыми съездами – 35-75 млн. т в год.

Достоинства способа:

- возможность применения при разработке месторождений с различными условиями залегания;

- простота подготовки и ввода в эксплуатацию новых рабочих горизонтов;

- возможность одновременной отработки большого числа рабочих горизонтов.

Недостатки:

- наличие большого количества наклонных траншей, проведение, оборудование и поддержание которых требует больших средств, что значительно удорожает стоимость горных работ;

- прерывность движения локомотиво-составов с большими затратами времени на маневры в тупиках снижает пропускную и провозную способность траншеи и увеличивает численность парка подвижного состава;

- значительное снижение производительности экскаваторов на счет усложнения их работы на скользящих наклонных съездах с переменной высотой уступа;

в

Рис.2.4. Комбинированное вскрытие месторождения внешней

траншеей с общими внутренними скользящими съездами

со ступенчато-тупиковой трассой

- затруднения ведения буровзрывных работ на уступах переменной высоты;

- необходимость частых передвижек стрелочных переводов и путей скользящих съездов;

- ухудшение условий работы локомотиво-составов на наклонном i_р = 0,015 основании съездов.

Вскрытие месторождений общими внутренними, тупиковыми траншеями (съездами) достаточно широко распространено на отечественных и зарубежных карьерах.

Вскрытие месторождений общими внутренними

траншеями с петлевой трассой

При вскрытии месторождений данным способом для изменения направления движения вместо тупиковых площадок устраивают горизонтальные площадки для размещения закругления автомобильных дорог и реже железнодорожных путей для безостановочного следования по ним средств транспорта (рис.2.7 и 2.8).

Горизонтальная площадка шириной не менее двух радиусов кривых (при автомобильном – 40-60 м и железнодорожном – 200-300 м) в зависимости от угла откоса борта карьера создается за счет выемки, полувыемки-полунасыпи или насыпи при пологих бортах.

Способ применяется для вскрытия нагорных и глубинных месторождений, отрабатываемых с применением автотранспорта и реже железнодорожного.

Подготовка новых горизонтов в данном случае существенно не отличается от таковой при вскрытии тупиковыми стационарными съездами.

Достоинства способа:

- высокая пропускная способность траншей;

- возможность при благоприятных условиях (угол падения a £ 30⁰) вскрытия глубоких горизонтов месторождения при небольших объемах вскрышных работ;

- увеличение глубины карьера без его реконструкции и нарушения нормального режима эксплуатации.

Недостатки:

Необходимость устройства горизонтальной площадки для петлевого разворота средств транспорта, объем и стоимость сооружения которой достигает значительной величины. Объем горных работ в этом случае возрастает пропорционально третьей степени значения радиуса петли.

Вскрытие месторождений общими внутренними

траншеями со спиральной трассой

В отличие от способов вскрытия общими внутренними траншеями с тупиковой трассой, когда траншеи обычно располагают на одном из бортов карьера, в данном способе траншеи огибают контуры залежи так, что наклонные траншеи приобретают вид пространственной спирали (рис.2.9). Горно-подготовительные работы в данном случае выполняются в следующей последовательности (рис.2.10).

С поверхности, по предельному контуру карьера, проходится первая наклонная траншея с уклоном, соответствующим виду транспорта (рис.2.10, А). По достижении этой траншеей основания первого уступа, ее при железнодорожном транспорте продолжают горизонтально на длину 150-250 м (разрезная траншея на длину площадки примыкания) и далее проходят разрезную траншею на длину уступа или части его. Затем на горизонте развивают подготовительные работы путем разноса борта разрезной траншеи до создания минимальной рабочей площадки, достаточной для заложения капитальной траншеи на следующий горизонт. Эта траншея также закладывается по предельному контуру карьера (рис.2.10, Б). Вскрытие и подготовка последующих горизонтов производится аналогичным образом. При автомобильном транспорте длину горизонтальных площадок уменьшают до 20-50 м.

На каждом эксплуатационном (рабочем) горизонте эти площадки переоборудуются в пункты примыкания временных путей к постоянным в спиральных траншеях. В последние годы этот способ вскрытия находит все более широкое применение и при автомобильном транспорте. В этом случае для сокращения объема горно-капитальных работ и сроков строительства карьеров вскрытие отдельных горизонтов и месторождения в целом начинают не с конечных, а с промежуточных рабочих контуров карьера временными траншеями (съездами), (рис.2.11).

При больших грузооборотах карьеров вскрытие этим способом производят парными стационарными или временными траншеями (съездами), (рис.2.12). Движение порожних автосамосвалов при этом производится по траншее короткой трассы с уклоном 100-120 ‰, а груженых – по длинной с подъемом 60-80 ‰.

Рис.2.7. Вскрытие месторождения общими внутренними парными траншеями

с петлевой трассой

Рис.2.8. Вскрытие нагорного месторождения общей

полутраншеей с петлевой трассой

Рис.2.9. Вскрытие месторождения общей внутренней траншеей

со стационарной спиральной трассой

Рис.2.10, а. Этапы вскрытия месторождения общей внутренней

траншеей со стационарной спиральной трассой

Рис.2.10, б. Этапы вскрытия месторождения общей внутренней

траншеей со стационарной спиральной трассой

(окончание см. на с. 70)

Рис.2.11. Вскрытие месторождения общей внутренней траншеей

с временной спиральной трассой

Рис.2.12. Вскрытие месторождения общими парными внутренними

траншеями со стационарной спиральной трассой

Вскрытие общими спиральными траншеями применяют при разработке обширных месторождений с большой горизонтальной площадью при параметрах, достаточных для вписывания спиральных съездов в проектные контуры карьера на глубину до 250 м и более. Этим условиям в значительной мере удовлетворяют штокообразные и очень мощные пластовые месторождения, имеющие в плане округлую форму. С увеличением параметров месторождения условия для данного способа вскрытия становятся более благоприятными. При заложении траншей по предельному контуру карьера необходимо предварительно выполнить особо тщательное оконтуривание месторождения.

Достоинства способа:

- непрерывность движения транспортных средств и отсутствие крутых поворотов поездов позволяет увеличить пропускную способность траншей;

- постоянная трасса по предельному контуру карьера позволяет оборудовать ее с прочным покрытием;

- удобная форма примыкания трассы рабочих горизонтов к трассе капитальных траншей.

Недостатки:

- напряженность работы транспорта;

- малое количество горизонтов в работе.

Вскрытие месторождений крутыми траншеями

Вскрытие данным способом заключается в проведении от поверхности до рабочих горизонтов относительно короткой и более крутой траншеи (18⁰ для конвейерных и до 45⁰ для скиповых подъемников, рис.2.13). Этот способ применяется после отработки месторождения до 120-130 м, когда вскрытие его наклонными траншеями с применением однотипных железнодорожного или автомобильного видов транспорта становится экономически неоправданным.

Крутые траншеи, располагаются на нерабочих бортах карьера перпендикулярно (поперек) или диагонально и оборудуются подъемниками. Поперечное расположение траншей применяется при скиповых и клетевых подъемниках в тех случаях, когда угол откоса борта карьера J_к не превышает допустимого наклона трассы траншеи a_т, то есть J_к £ a_т. Диагональное расположение траншей с прямолинейной диагональной или ломаной трассой применяется при конвейерных подъемниках, когда J_к > a_т.

Принципиальной особенностью вскрытия крутыми траншеями является наличие трех звеньев транспортирования горной массы: транспортирование по забойным путям или дорогам, подъем по крутой траншее и транспортирование на поверхности. Это вызывает необходимость строительства перегрузочных пунктов с прерыванием процесса транспортирования, что затрудняет организацию работ транспорта в целом.

Для бесперебойной работы карьера в период углубки крутой траншеи вскрытие месторождения может выполняться двумя взаимозаменяемыми траншеями, оборудованными наклонными подъемниками. В этом случае один из наклонных подъемников в период эксплуатации используют для выдачи полезного ископаемого, а другой – для подъема вскрышных пород.

Основным преимуществом вскрытия месторождений крутыми траншеями является возможность преодоления большой разности высот на коротких расстояниях, что приводит к снижению объема и стоимости горно-капитальных работ. Кроме того, отпадает надобность устройства на бортах карьера широких транспортных площадок, как при вскрытии наклонными траншеями. В результате этого увеличивается угол откоса и рабочего борта карьера и, как следствие, снижаются объемы вскрышных работ с увеличением глубины карьера при сохранении значения коэффициента вскрыши.

Конвейерные установки в крутых (18⁰) траншеях (рис.2.14) применяются для подъема мягких пород или скальных – после их предварительного дробления.

Достоинства вскрытия месторождения крутыми траншеями:

- возможность подъема горной массы со значительной глубины на небольшой длине траншеи, являющейся кратчайшим путем транспортирования из карьера;

- минимальный объем породных работ при проведении капитальных траншей;

- меньший объем вскрышных работ в сравнении со вскрытием наклонными траншеями, что позволяет отработать месторождение на большую глубину при том же значении коэффициента вскрыши.

Недостатки:

- трудность подготовки новых горизонтов при действующей крутой траншее;

- необходимость устройства и обслуживания верхней и нижней приемных площадок.

2.3.2. Комбинированные способы вскрытия

Комбинированные способы вскрытия (см. рис.2.4) получили широкое распространение при отработке крутопадающих месторождений углубочными системами.

Рис.2.13. Вскрытие месторождения общей наклонной и крутой

траншеями со скиповым подъемником

Рис.2.14. Вскрытие месторождения общей крутой траншеей

с конвейерным подъемником

Из многочисленных вариантов комбинированного вскрытия наиболее распространенными являются:

1) вскрытие верхних горизонтов внешними траншеями, а нижних общими внутренними - с тупиковой, петлевой или спиральной трассами;

2) вскрытие общими внутренними траншеями с комбинированными трассами – тупиковых со спиральными, спиральных с с тупиковыми, спиральных с петлевыми и др.;

3) траншейные с бестраншейными способами.