Одноступенчатое и двухступенчатое вскрытие.

Двухступенчатое вскрытие (так называемый комбинированный способ вскрытия) отличается от одноступенчатого (простого способа) тем, что нижние горизонты вскрываются отдельной выработкой (рис.9). Для подъёма с нижних горизонтов используются скипы, клети или конвейеры. При двухступенчатом вскрытии сохраняется пропускная способность

Рис.9 Двухступенчатое вскрытие вертикальными стволами со скоповыми подъёмами:

1,2,3 – верхний бункер, канатный ходок и машинная камера слепого ствола.

основного ствола независимо от увеличения глубины разработки и, кроме того, уменьшается длина квершлагов на нижних горизонтах. Недостаток же состоит в том, что при скиповом или клетевом подъёме по слепому стволу приходится содержать лишнюю подъёмную установку, а также лишнюю откатку руды от слепого до основного ствола. Заметим, что работа подземного

Рис 10. Двухступенчатое вскрытие с конвейерным подъёмом руды по слепому стволу (1): 2-основной ствол со скиповым подъёмом руды; 3-вспомогательный ствол для нижних горизонтов; 4- рудоспуски с бункерами; 5- дробильная установка; 6 – квершлаги.

транспорта руды в тонно-километрах при двухступенчатом вскрытии останется такой же, как при одноступенчатом, но возникает промежуточная откатка руды с погрузкой и разгрузкой составов, на что и расходуется основное время в работе транспорта.

При конвейерном транспорте руды от слепого ствола к главному и тем более при конвейерном подъёме руды (рис.10) недостатки двухступенчатой схемы смягчаются или устраняются. Перед конвейером (на крупных шахтах и при скиповом подъёме) необходимо иметь подземную дробильную установку.

В мировой практике при скиповом и клетевом подъёмах руды обычно принимают одноступенчатое вскрытие до глубины 1200-1500 м на крупных шахтах и до 1800м и более при относительно малой производительности шахты. (Максимальная глубина вертикальных стволов составляет в Канаде 2200 м, в Южной Африке 2400 м). При большей глубине разработки применяют двухступенчатое вскрытие.

Выбор одноступенчатого или двухступенчатого вскрытия осуществляется путём сравнения вариантов по условию минимизации суммы приведенных затрат.

При сравнении вариантов одно- и двухступенчатого вскрытия осуществляется путём сравнения вариантов по условию минимизации суммы приведенных затрат.

При сравнении вариантов одно- и двухступенчатого вскрытия простейший случай состоит в том, что при обоих вариантах в первую очередь проходят основной ствол на одинаковую глубину, в дальнейшем при одноступенчатом вскрытии углубляют этот ствол, а при двухступенчатом проходят слепой ствол. В этом случае для I очереди эксплуатационные затраты по обоим вариантам одинаковы, а капитальные могут различаться по стоимости основного ствола. Для II очереди затраты подсчитывают по условию (I),

K – сравнительные затраты на вскрытие нижних горизонтов стволом и квершлагами, проходимыми до ввода в эксплуатацию нижних горизонтов, руб.;

K^′ - то же, на ствол и все квершлаги нижних горизонтов, руб.;

С – сравнительные затраты на транспорт и подъем руды с нижних горизонтов и поддержание квершлагов на нижних горизонтах, руб.;

t – срок погашения нижних горизонтов, лет.

В итоге для сравнения вариантов затраты I и II очередей должны быть приведены к одному периоду. В более общем случае величины или сроки затрат различаются на только для II, но и для I очереди вскрытия, если, например, по обоим вариантам проходят основной ствол сразу на полную глубину, которая при одноступенчатом вскрытии значительно больше.

В этом случае варианты сравниваются по условию (3), где

K₁ – затраты на строительство основного ствола, руб.;

K₂ –затраты при одноступенчатом вскрытии залежи на проходку квершлагов основного ствола на нижних горизонтах, а при двухступенчатом – на строительство слепого ствола и его квершлагов, руб.;

С₁=0 – так как эксплуатационные расходы I очереди одинаковы по обоим вариантам;

С₂ – сравнительные затраты на транспорт и подъем руды с нижних горизонтов и поддержание квершлагов нижних горизонтов, руб.;

t₁ – срок службы I очереди вскрытия, лет;

t₂ – срок службы II очереди вскрытия, лет;

На ряде рудников двухступенчатое вскрытие возникло исторически в связи с тем, что в период эксплуатации рудника были обнаружены запасы ниже вскрытых горизонтов на большой глубине, на которую не была рассчитана подъёмная установка основного ствола (Верхний рудник Дальневосточного полиметаллического комбината, Криворожские рудники им.Кирова и «Большевик»).

Вообще на действующих рудниках нередко создаётся положение, когда подъемные возможности основного ствола уже недостаточны для вскрытия нижних горизонтов. Тогда для вскрытия нижних горизонтов могут рассматриваться два варианта: 1) проходка нового основного ствола,

2) двухступенчатое вскрытие – использование существующего основного ствола без углубки его и проходка для нижних горизонтов слепого ствола.

Варианты эти могут сравниваться по условию (I), где

K – сравнительные затраты на строительство ствола и квершлагов, руб.;

С – сравнительные эксплуатационные расходы на транспорт и подъем руды и поддержание квершлагов, руб/год.;

t- срок службы нижних горизонтов, лет;

Y_n – ущерб от потерь руды в охранном целике, руб. Учитывается в том случае, если существующий ствол имеет запасы руды в охранном целике, а новый основной ствол не имеет или имеет меньшую величину.

Глубина I очереди вскрытия, шаг вскрытия (рис.11)

Глубина, до которой в сравнительных расчетах рассматривается вскрытие, определяется как минимальная глубина, за пределами которой возможны одинаковые решения вскрытия по всем сравнительным вариантам. Обычно это будет глубина I очереди вскрытия по варианту с наибольшим шагом вскрытия, равным, например, 6 этажам, если по-другому варианту в пределах этой же глубины будет 2 шага вскрытия по 3 этажа или 3 шага по 2 этажа и т.п.

Иногда по максимальному варианту приходится рассматривать не менее двух очередей вскрытия.

В подавляющем большинстве случаев ствол с поверхности проходят сразу же, в I очередь, на глубину несколько этажей. Это целесообразно, потому что проходка с поверхности в несколько раз дешевле и скорее по сравнению с проходкой из подземных выработок. Но, с другой стороны, увеличение глубины I очереди вскрытия увеличивает сроки строительства и первоочередные капиталовложения. Помимо этого, большой глубине I очереди вскрытия свойственны те же достоинства и недостатки, что большому шагу вскрытия. Напомним, что шагом вскрытия назвают глубину, на которую дополнительно вскрывают месторождение во II, III очередь и т.п. Так, предположим, что имеющиеся выработки обеспечивают эксплуатацию месторождения до глубины, например, 500 м, а за счет

Рис.11. Глубина I очереди вскрытия (H₁) и шаг вскрытия (H₂). Вариант с перепуском руды у ствола: 1 – рудоподъёмный ствол, 2 – рудоспуск, 3 – дозатор скипового подъёма

Осуществления следующей очереди вскрытия (углубка стволов, проходка квершлагов, рудоспусков и т.п.) становится возможной эксплуатация месторождения до глубины 710м. Тогда шаг вскрытия равен 710-500=210 м

Если шаг вскрытия равен одному этажу, то каждый этаж вскрывают отдельным квершлагом, по которому откатывают руду к стволу. Такая схема эффективна при очень большом запасе каждого блока (например, на 10 лет работы и более), а иногда применяется вынужденно в тех случаях, когда не имеется достаточного опережения разведки и вскрытия стволами. В большинстве случаев целесообразно вскрывать сразу по нескольку этажей, чтобы, во-первых, только на нижнем вскрытом горизонте сооружать дробильные установки, приемные бункера скипового подъёма, водоотливные станции и тем самым сокращать их число. Во-вторых, часто, особенно в последние годы, транспортируют всю руда к стволу только по нижнему вскрытому горизонту (рис.12). Этот основной горизонт оборудуют приемными скиповыми бункерами и водоотливной станцией. Остальные же горизонты являются промежуточными

Рис.12. Вскрытие с концентрационными горизонтами (1): 2-основной ствол, 3-квершлаги промежуточных горизонтов; 4- слепой вспомогательный ствол для промежуточных горизонтов последней очереди всткрытия; 5, 6 – скиповой бункер и дозатор

и не имеют грузовых квершлагов, руду и воду с них перепускают на основной горизонт в районе рудного тела. Доставку людей на промежуточные горизонты осуществляют по квершлагам вспомогательного назначения или по слепым шахтным стволам с основного горизонта данной или вышележащей очереди вскрытия, а при самоходном безрельсовом транспорте – по наклонным съездам.

На промежуточных горизонтах возможен электровозный транспорт – с отвозкой руды к рудоспускам, обслуживающим этаж, крыло или участок этажа. Но в большинстве случаев целесообразно исключить на промежуточных горизонтах электровозный транспорт и доставлять руду из блоков питателями, конвейерами, самоходным оборудованием или скреперами непосредственно в участковые рудоспуски, каждый из которых может обслуживать в этаже только один – два блока или даже часть блока.

Основной горизонт, обслуживающий 3-4 этажа и более, принято называть концентрационным горизонтом.

При такой схеме между доставкой и транспортом руды имеется промежуточная, так называемая буферная ёмкость в глубоких рудоспусках. Это устраняет взаимозависимость указанных процессов во времени и тем самым позволяет поднять производительность труда и оборудования до 2-3 раз, особенно при значительном объёме вторичного дробления руды.

На основном горизонте при этой схеме можно сосредоточить погрузку руды на транспорт в небольшом числе пунктов с любой большой производительностью и тем самым резко сократить время погрузки составов, занимающее основную часть продолжительности рейса; увеличить размеры и мощность транспортного оборудования, уложить тяжелые рейсы, полностью автоматизировать электровозный транспорт. Наконец, можно применить конвейерный транспорт руды. Все это способствует удешевлению транспорта, повышению производительности труда на транспорте в несколько раз, а в перспективе в десятки раз.

Таким образом, при увеличении шага вскрытия удешевляется проходка ствола; сокращается необходимый объём околоствольных выработок; снижается себестоимость доставки и транспорта руды; увеличивается концентрация горных работ, что дает дополнительную экономию на вспомогательных работах.

Следует указать и на возможность одновременной подготовки нескольких горизонтов, если в ином случае необходимые работы не укладываются в заданный срок.

Недостатки большого шага вскрытия:

1) увеличение продолжительности вскрытия и первоочередных капитальных затрат;

2) дополнительные затраты на проходку рудоспусков для перепуска руды с промежуточных на концентрационный горизонт

3) увеличение высоты подъёма руды и воды с промежуточных горизонтов

4) увеличение срока поддержания выработок.

Вместе с выбором шага вскрытия, расположения основных и промежуточных горизонтов должен решаться вопрос и о том, проходить ли на промежуточных горизонтах квершлаги для подготовки, а в последующем – для вспомогательных целей, вскрывать промежуточные горизонты основным стволом, слепым стволом или наклонным съездои при самоходном безрельсовом транспорте. (Вопрос этот возникает в том случае, когда промежуточный горизонт не имеет разведочных квершлагов, которые могли бы быть использованы для вспомогательных целей.)

Имеется тенденция увеличения глубины I очереди и шага вскрытия, так как со временем достоинства увеличенных размеров возрастают, а недостатки смягчаются. Так, увеличивается скорость проходки шахтных стволов, увеличивается интенсивность разработки месторождений и в связи с этим сокращается срок службы очереди вскрытия и, следовательно, разница в сроках затрат при большой и малой глубине очереди вскрытия.

Кроме того, в связи с увеличением грузоподъемности вагонов и применением подземных дробильных установок возрастает объем околоствольных выработок на основных горизонтах, что делает особо важным сокращение числа основных горизонтов. Появляется возможность использовать более мощное транспортное оборудование и полностью автоматизировать транспорт на концентрационных горизонтах. Совершенствуются методы проходки восстающих (с помощью самоходных или бурильных установок полков), что облегчает строительство глубоких рудоспусков. Совершенствуются технические средства доставки руды, которые могут быть использованы для подачи руды из блоков непосредственно в участковые рудоспуски.

В мировой практике на передовых в техническом отношении рудниках (при хорошей разведанности месторождений на глубину) стволы проходятся сразу на глубину до 800-1000м и более, шаг вскрытия достигает 500-700м, через такие же расстояния концентрационные горизонты. В Кривбассе, где пройденные ранее стволы использовались при разработке до глубины 500-600 м, новые шахтные стволы проходили с поверхности на глубину сразу 700-1200 м. Таким образом, шахтное поле вскрывали стволами сразу на глубину от 200-300 до 700 м, а шаг вскрытия горизонтов увеличен с 1 до 2 этажей. Увеличение темпов разведки месторождений на глубину и скорости массового проведения горно-капитальных выработок будет способствовать дальнейшему увеличению шага вскрытия месторождений на отечественных рудниках.

Квершлаги от основного ствола на промежуточных горизонтах (при рельсовом вспомогательном транспорте) проходят обычно при производительности шахты приблизительно не менее 1 млн.т в год и длине квершлага не более 0,5 км, в иных случаях вскрывают промежуточные горизонты слепым стволом.

Шаг вскрытия (или глубина I очереди вскрытия), расположение основных и промежуточных горизонтов и способ вскрытия вспомогательных горизонтов выбираются одновременно.

Вариант сравнивается по условию (2) минимизации проведенных затрат. Определяются следующие сравнительные затраты:

1. Капитальные затраты, руб.:

K_ств – на сооружение стволов (этим учитывается разновременность затрат, а при выборе глубины I очереди вскрытия – также и различие способов проходки стволов);

K_{ок выр} – на проходку околоствольных выработок и образование для скиповых бункеров, подземной дробильной установки, водоотливной станции;

K_рудосп – на проходку рудоспусков для перепуска руды с промежуточных горизонтов на основной;

K_кв – на проходку квершлагов (так как на промежуточных горизонтах имеются лишь вспомогательные квершлаги либо вообще их не имеется);

K_{сл ств.} – на сооружение и оборудование слепых шахтных (или наклонных съездов) с основного горизонта на промежуточные, если последние не вскрыты квершлагами.

2. Годовые эксплуатационные затраты, руб.:

С_дост – на доставку руды (так как производительность руды в глубокие участковые рудоспуски выше, чем в эксплуатационные рудоспуски и, тем более, непосредственно в вагоны электровозной откатки);

С_тр – на транспорт руды;

С_{под вод} – на подъем руды и водоотлив (в связи с увеличением высоты подъема с промежуточных горизонтов. Однако часто это не имеет существенного значения и может не учитываться);

С_{всп под} – на содержание вспомогательных подъемов на слепых стволах;

С_{подд выр} – на поддержание выработок при неустойчивых породах т большом горном давлении

Некоторые из этих видов затрат могут не учитываться, если они в рассматриваемом случае заведомо несущественны или решение по частным вопросам очевидно. Например, для крупной шахты при рельсовом вспомогательном транспорте очевидна целесообразность вскрытия промежуточных горизонтов квершлагами и тогда в этом случае нет надобности учитывать затраты на сооружение и эксплуатацию вспомогательных слепых стволов K_кв, К_{сл ств}, С_{всп под.}

В общем случае удобно сначала выбрать способ вскрытия промежуточных горизонтов в каждом варианте. Для этого надо задаться ориентировочно шагом вскрытия I очереди и выбирать (I) вариант из условия:

E_н(К_квК_{сл ств} )+ →min,

где t – срок службы одного шага вскрытия, лет.

После этого может быть найден оптимальный шаг вскрытия с учетом остальных величин. Можно рассчитывать на то, что при найденной оптимальной величине шага останется наиболее приемлемым тот же способ вскрытия промежуточных горизонтов, что и для ориентировочно принятого шага, несмотря на некоторое его отличие от оптимальной величины, поэтому дополнительных корректив расчета не потребуется. Если же в отдельных случаях оптимальный шаг вскрытия окажется намного больше или меньше принятой вначале ориентировочной величины, тогда следует применительно к полученной оптимальной величине проверить выбор способа вскрытия промежуточных горизонтов и затем шага вскрытия.