Элементы и параметры карьера

Месторождение или его часть, разрабатываемую одним карьером, называют карьерным полем. Карьерное поле является объемной геометрической фигурой, характеризуемой размерами в плане и глубиной: оно входит в состав земельного отвода карьера, в пределах которого размещаются также удаленные и карьера вскрышные породы промышленная площадка и другие производственные сооружения.

Как уже отмечалось, разработку горных пород в карьере ведут слоями с опережением в плане верхними слоями нижних. Обычно слои горизонтальны (рис 1.1, а). Иногда пологую залежь разрабатывают наклонными слоями (рис. 1.1, б и в), а крутую – крутыми слоями (рис. 1.1, г).

В общем случае слой является более широким понятием чем уступ. Уступ – это отдельно разрабатываемая часть слоя горных пород, имеющая форму ступени. В наиболее распространенных условиях разработки горизонтальными и наклонными слоями соответственно горизонтальные и наклонные уступы совпадают с ними и имеют ту же высоту (мощность слоя) и размеры в плане. При большой высоте горизонтального слоя (до 50-100 м) его можно разрабатывать и наклонными уступами (рис. 1.1, д). Крутые слои могут разрабатываться горизонтальными уступами (рис. 1.1, г)

Рисунок 1.1 Типовые схемы слоев и уступов:

Нс – высота (толщина) слоя; Ну – высота уступа

Каждый уступ характеризуется высотной отметкой, соответствующей горизонту расположения на нем транспортных коммуникаций. Отметки уступов могут быть абсолютными (относительно уровня моря) или, реже, условные (относительно постоянного пункта на поверхности). У горизонтальных уступов отметки постоянные, а у наклонных – переменные.

Горизонтальные или наклонные поверхности уступа, ограничивающие его по высоте, называют нижней и верхней площадками (рис. 1.2), а наклонную поверхность, ограничивающую уступ со стороны выработанного пространства,- откосом уступа. Углом откоса уступа называют угол, образованный поверхностью откоса уступа и горизонтальной плоскостью, а линии пересечения откоса с верхней и нижними площадками – соответственно верхней и нижней бровками.

Рисунок 1.2 Элементы уступа:

1 и 2 – нижняя и верхняя площадки соответственно; 3 – фронтальный откос уступа; 4 и 5 – верхняя и нижняя бровки соответственно; 6 – места сооружения транспортных коммуникаций; Lфу1 и Lфу2 – длина фронта работ соответственно первого и второго уступов; Ну1 и Ну2 – высота первого и второго уступов соответственно.

Различают рабочие и нерабочие уступы. На рабочих уступах производится выемка пород или полезного ископаемого. Если на площадке располагается оборудование, необходимое для разработки уступа, она называется рабочей площадкой.

Часто уступы разделяют на подуступы (рис. 1.3), которые разрабатываются разным выемочным оборудованием или одним и тем же оборудованием последовательно или одновременно, но имеют единые для уступа транспортные пути.

Рисунок 1.3 Схемы разработки подуступов:

а – одновременно разными экскаваторами; б – последовательно одним экскаватором; в – одновременно двумя экскаваторами; Ну – высота уступа; Ну1 и Ну2 – высота соответственно первого и второго подуступов.

Часть уступа по его длине, подготовленная для разработки, называется фронтом работ уступа, которая измеряется его протяженностью Lф.у. Фронт работ уступа может быть прямолинейным или криволинейным в плане, а протяженность его остается постоянной или изменяется, что зависит в первую очередь от формы и размеров разрабатываемой залежи. Подготовка фронта заключается главным образом в подводе транспортных и энергетических коммуникаций для обеспечения работы оборудования на уступе.

В результате выемки пород происходит отработка уступа. В подавляющем большинстве случаев в карьере одновременно разрабатывается несколько уступов, происходит их подвигание, а часто и создание новых уступов по глубине карьера. Ступенчатые боковые поверхности, образованные откосами и площадками уступов и ограничивающие выработанное пространство, называются бортами карьера (рис. 1.4)

Борт, представленный рабочими уступами, называют рабочим бортом карьера. Линия, ограничивающая карьер на уровне земной поверхности, является верхним контуром карьера, а линия ограничивающая дно (подошву) карьера, его нижним контуром. При производстве горных работ положение рабочего борта, верхнего и нижнего контуров карьера меняется в пространстве. Постепенно отдельные уступы, начиная сверху, достигают конечных контуров (границ) карьера. К моменту погашения (окончания) открытых работ им соответствуют конечная глубина и конечные размеры карьера в плане (рис. 1.4). Откосы уступов нерабочих бортов карьера, на которых горные работы не производятся, разделяются бермами (площадками) транспортными и предохранительными.

Угол между линией, нормальной к простиранию борта и соединяющей верхний и нижний контуры, и горизонталью называется углом откоса борта карьера (рабочего или нерабочего). Величина его зависит от высоты уступов и ширины их площадок и находится в пределах: рабочего борта 7 - 17° (иногда до 23 - 27°), нерабочего борта 25 - 53°.

Совокупность уступов, находящихся в одновременной разработке, называется рабочей зоной карьера. Положение рабочей зоны определяется отметками нижних площадок верхнего и нижнего (на данный момент времени) рабочих уступов карьера (см. рис. 1.4). Длина фронта горных работ карьера представляет собой суммарную протяженность фронтов горных работ всех рабочих уступов.

Рисунок 1.4 Принципиальная схема открытой разработки залежей:

а – горизонтальных; б – наклонных; в – крутых; 1 – выработанное пространство; 2 и 3 – внутренние и внешние отвалы; 4 и 5 – рабочий и нерабочий борта; 6 – конечный контур карьера; 7 – бермы; І, ІІ, ІІІ, ІV – nоследовательность развития работ на уступах; Нр.з – высота рабочей зоны; Нк – конечная глубина карьера; _р. - угол откоса рабочего борта; _н – угол откоса нерабочего борта; _нл- угол откоса нерабочего борта по лежачему боку; _нв - угол откоса нерабочего борта по висячему боку.

Для введения в разработку нового уступа необходимо создать транспортный доступ к нему и первоначальный фронт работ с соответствующей рабочей площадкой.

Для расположения транспортных коммуникаций, по которым будет осуществляться транспортирование горной массы нового уступа на поверхность или вышележащие уступы, необходимо вскрыть уступ, т. е. провести с поверхности или вышележащего уступа специальные (вскрывающие) горные выработки. Эти выработки в большинстве случаев соединяют пункты, расположенные на разных высотных отметках (если вскрывают один уступ, то разница в высотных отметках равна высоте уступа), и поэтому имеют определенный уклон i. При сооружении вскрывающие выработки обычно имеют близкое к трапецеидальному или треугольному сечению и называются соответственно капитальными траншеями и полутраншеями (рис .1.5, в и г)

Для создания начального фронта работ на вскрышном уступе (нарезки уступа) необходимо провести от вскрывающей горизонтальную (реже с небольшим уклоном для стока воды) горную выработку значительной протяженности по сравнению с размерами трапецеидального (треугольного) сечения – разрезную траншею или разрезной котлован, Длина и ширина которого имеют один порядок измерения (рис. 1.5, в и г).

Рисунок 1.5 Схемы горно-подготовительных выработок:

1 и 2 – соответственно капитальные траншеи и полутраншеи; 3,4 и 5 – соответственно разрезные траншеи и котлован; - угол откоса борта траншеи; b – ширина подошвы траншеи; стрелками показано направление развития гонных работ.

Главные параметры карьера следующие:

1. Конечная глубина, которая при разработке наклонных и крутых залежей определяет возможную производственную мощность карьера, размеры его на поверхности, общий объем извлекаемой горной массы. Для горизонтальных и пологих залежей конечная глубина определяется природными условиями и изменяется незначительно за весь период разработки. Конечная глубина устанавливается при проектировании карьера. Современные карьеры имеют глубину от нескольких до 400 м. Проектами предусматривается возможность открытых разработок до глубины 700-900 м.

2. Размеры карьера по поверхности по простиранию и вкрест простирания залежи определяется размерами залежи, дна карьера, глубины и угла откосов бортов. Они устанавливаются графически или аналитически. Форма карьера в плане обычно близка к овальной. Длина карьера изменяется от сотен метров до 8 км, а ширина в зависимости от типа месторождения – до 4 км.

3. Размеры дна карьера устанавливаются оконтуриванием разрабатываемой залежи на отметке конечной глубины карьера. Минимальные размеры дна карьера определяются условиями безопасности выемки и погрузки пород на нижнем уступе (при ширине не менее 20 м, по длине не менее 50-100 м).

4. Углы откосов бортов карьера определяются условиями устойчивости пород прибортового массива и размещении транспортных коммуникаций. Их применяют более крутыми для уменьшения объема вскрышных работ.

5. Общий объем горной массы в контурах карьера является важнейшим показателем определяющими производственную мощность предприятия, срок его существования и др.

При равнинном рельефе поверхности достаточно точно общий объем горной масс V= Sд Hк + Pд H_к ²ctg _ср+1π/3Н_к³ ctg _ср,

Где Sд – площадь дна карьера, м²; Нк – глубина карьера, м; Рд – периметр дна карьера, м; _ср - усредненный угол откоса ортов, градус.

Площадь, форма контура и периметр дна карьера в первую очередь зависят от размеров и конфигурации залежи. Дну карьера придается по возможности округленная форма с целью повышения устойчивости бортов и уменьшения объема извлекаемых вскрышных пород.

6. Запасы полезного ископаемого в контурах карьера – важнейший показатель, определяющий возможный масштаб добычи, срок существования карьера и экономические результаты разработки. Запасы в пределах каждого уступа (горизонта) и карьерного поля в целом устанавливаются при разведке месторождения, а затем утоняются и пересчитываются в контурах карьера при проектировании и эксплуатации его в соответствии с установленными и периодически изменяющимися кондициями на полезное ископаемое.