И грузоподъемности автосамосвалов 2 страница

Пласты горных пород в период образования залегали более или менее горизонтально, но под действием тектонических (горообразовательных) процессов, протекавших в земной коре, первоначальное залегание пород нарушалось в той или иной степени. В некоторых районах пласты оказались собранными в складки. Они могут занимать любое положение в земной коре.

Нарушения нормального залегания пластов называются дислокациями. Дислокации без разрыва сплошности называются пликативными, с разрывом сплошности – дизъюнктивными.

К пликативным нарушениям относятся утолщения и утонения пластов, а также складчатость (рисунок 1.5). Складка, обращенная выпуклостью вниз, называется синклиналью, а выпуклостью вверх – антиклиналью.

Антиклиналь Синклиналь

Рисунок 1.5. Складчатость месторождения

К дизъюнктивным нарушениям относятся сбросы, взбросы, надвиги и др. (рисунок 1.6).

Положение месторождения в земной коре определяется элементами его залегания. К ним относятся простирание и падение.

Протяжение пласта в длину называется простиранием. Линия пересечения пласта с горизонтальной плоскостью называется линией простирания (рисунок 1.7).

Направление простирания пласта определяется углом, который составляет линия простирания с меридианом. Линия, лежащая в плоскости пласта перпендикулярно линии простирания, называется линией падения, а само направление этой линии – падением пласта. Угол, который составляет линия падения пласта с горизонтальной плоскостью, называется углом падения пласта.

Мощность пласта или иной залежи как элемент залегания представляет собой расстояние по нормали между кровлей и почвой. Такую мощность т называют истинной, или нормальной. Расстояние между кровлей и почвой, измеряемое по горизонтали, называют горизонтальной мощностью m _г, а по вертикали – вертикальной мощностью m _в (рисунок 1.8).

Рисунок 1.8. Параметры пространственной ориентации месторождения полезных ископаемых: 1 - висячий бок залежи; 2 - лежачий бок залежи; 3 - нормальная (по перпендикуляру) мощность рудного тела; 4 - горизонтальная мощность; 5 - угол падения залежи; 6 - угол склонения рудного тела; 7 - длина простирания; 8 - глубина залегания; 9 - глубина распространения

 

Месторождения полезных ископаемых отличаются весьма разнообразными условиями залегания, влияющими на выбор технических средств и порядок производства горных работ.

Типы месторождений различают по характерным признакам.

По форме выделяют залежи:

изометрические – развитые примерно одинаково во всех направлениях: штоки, гнезда и т.п.;

плитообразные – вытянутые преимущественно в двух направлениях при относительно небольшой мощности: пласты, пластообразные залежи, линзы;

столбообразные и трубообразные – вытянутые в одном направлении (главным образом по падению) при сравнительно небольших, мало отличающихся друг от друга размерами в сечении;

смешанные – представленные одновременно несколькими формами (например, пласты и линзы, столбы и жилы);

сложные – когда трудно выделить преимущественное тяготение к одной из перечисленных групп (например, ветвящиеся жилы, вкрапленности, гнезда).

Рельеф поверхности может быть равнинным, холмистым, представлен возвышенностью или ее склоном, наконец, залежь может находится под водой.

По строению различают: простые залежи с однородным строением без прослоек и включений; сложные залежи содержащие прослои, пропластки, включения пустых пород; рассредоточенные залежи, имеющие сложное строение, при котором полезное ископаемое и пустые породы распределены в толще земной коры без определенной закономерности и четко выраженных контактов.

По углу падения залежи делят на горизонтальные, пологие, наклонные, крутые (крутопадающие) и сложного залегания (таблица 1.3).

 

Таблица 1.3. Классификация залежей полезных ископаемых

по углу падения

Тип залежи	Угол падения, градус
при подземной разработке	при открытой разработке
Горизонтальные
Пологие	До 20	До 10
Наклонные	20–50	10–30
Крутые	Более 50	Более 30
Сложного залегания	Переменное направление падения

Классификация залежей по мощности представленная в таблице 1.4 обуславливает, также как и классификация залежей по углу падения технологию и способ разработки.

Таблица 1.4. Классификация залежей полезных ископаемых
по мощности

Тип залежи	Мощность, м
при подземной разработке, т	при открытой разработке
горизонтальные и пологие, m в	наклонные и крутые, m г
Тонкие	До 0,8	–	–
Весьма малой мощности	–	До 5	До 25
Малой мощности	0,8–3	5–20	25–75
Средней мощности	3–20	20–40	75–150
Мощные	Более 20	–	–
Большой мощности	–	Более 40	Более 150

 

1.4. СПОСОБЫ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

 

Способ разработки (способ добычи) – это совокупность технических средств и технологических процессов по извлечению полезных ископаемых из недр Земли.

Существуют следующие способы добычи полезных ископаемых: подземный, открытый, комбинированный, со дна водоемов (озер, морей и океанов), геотехнологический и скважинный. Добычу полезных ископаемых осуществляют горные предприятия.

Горное предприятие – самостоятельная производственная единица, осуществляющая разведку, добычу и обогащение полезных ископаемых. Горное предприятие, осуществляющее добычу и первичное обогащение полезных ископаемых, называется горнодобывающим. Существуют следующие виды горнодобывающих предприятий: шахта, рудник, карьер (разрез), прииск, промысел.

Шахта – горное предприятие, предназначенное для добычи полезных ископаемых подземным способом.

Рудник – горное предприятие, служащее в основном для подземной добычи руд, горно-химического сырья и строительных материалов. Этим понятием иногда пользуются для обозначения нескольких шахт (карьеров), объединенных в единую административно-хозяйственную единицу с централизованным хозяйством.

Карьер – горное предприятие, осуществляющее добычу полезных ископаемых открытым способом. Разрез – карьер по добыче угля.

Прииск – горное предприятие по добыче россыпных месторождений драгоценных металлов (золотой прииск).

Промысел – горное предприятие по добыче жидких и газообразных полезных ископаемых (нефтяной промысел).

Разработкой месторождения называют комплекс работ по вскрытию, подготовке и выемке полезного ископаемого. Эти работы являются стадиями разработки месторождения. Вскрытие и подготовка осуществляется посредством проведения горных выработок. Выемку (добычу) полезного ископаемого ведут в забоях, применяя при этом различные способы его разрушения.

Открытый способ предусматривает добычу полезных ископаемых непосредственно с дневной поверхности.

Открытые горные работы наболее древний способ. Еще 10 – 12 тыс. лет назад твердые породы для каменных орудий человек добывал из ям, канав. В дальнейшем их вытеснили подземные.

Потребовался новый качественный скачок в развитии механизации горных работ, чтобы открытая добыча полезных ископаемых стала ведущей.

Более 60% угля и минерального сырья для потребностей энергетики, черной и цветной металлургии и 99% сырья для производства стройматериалов добывается открытым способом.

Глубина некоторых карьеров достигает 700-800 м, их производительность достигает 200-300 млн.м³/год по горной массе.

В ближайшем будущем минерально-сырьевая база будет характеризоваться:

- снижением качества полезных ископаемых;

- увеличением глубины разработки

- усложнением горно-геологических условий

- ухудшением экономических показателей за счет увеличения себестоимости разработки.

Развитие геотехнологических методов добычи позволит ввести в эксплуатацию более бедные, глубоко залегающие месторождений со сложными горно-геологическими условиями, разработка которых обычными способами нерентабельна.

Физико-химические методы добычи полезных ископаемых отличаются экологической чистотой, позволяют избежать выдачи на поверхность пустых пород, исключить присутствие людей под землей, повысить производительность труда, полностью автоматизировать все технологические процессы. Социальные последствия их использования выразятся в изменении места и роли человека-горняка, содержания, характера его труда.

2. ОСНОВЫ ОТКРЫТОЙ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

 

2.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТЕХНОЛОГИИ ОТКРЫТЫХ
ГОРНЫХ РАБОТ

 

Открытая разработка представляет собой комплекс горных работ, при котором все производственные процессы, необходимые для извлечения полезного ископаемого из недр земли, совершаются непосредственно с земной поверхности (рисунок 2.1). Поэтому применялась она еще в древнейшее время, когда извлекались только те полезные ископаемые, которые залегали наиболее близко к земной поверхности. По мере увеличения глубины работ открытый способ становился невыгодным, так как удаление увеличивающегося объема пустых пород посредством мускульного труда было слишком трудоемким и дорогим. Поэтому открытый способ разработки на длительное время был в основном вытеснен подземным, при котором не требовалось выемки пустых пород. Лишь с конца XIX века в связи с внедрением горных машин открытые работы начали получать широкое распространение. С этого времени, а особенно в 30–50 годы XX столетия, применение открытого способа разработки непрерывно расширялось во всем мире. Так, если в 1950 г. доля добычи угля открытым способом составляла 11 %, то к 1980 г. она увеличилась до 38 %, а по Кузбассу составляет более 40 %. За это же время объем добычи железной руды возрос с 44 до 88%.

 

Рисунок 2.1. Схема открытой разработки месторождения: 1 – экскаватор;

2 – автосамосвал; 3 – бульдозер; 4 – буровой станок; 5 – рабочие горизонты; 6 – взорванная масса; 7 – залежь полезного ископаемого;

8 – скважины; 9 – въездная траншея; 10 – отвал пустых пород

 

В России наиболее старыми являются Уральские железорудные карьеры. Горные работы в них ведутся с XVIII века – на Гороблагодатском с 1735 г., на Высокогорном с 1781 г. Однако техническая оснащенность карьеров была низкой – преобладали ручная погрузка и конная откатка грузов. Горное машиностроение было развито слабо. Путиловский завод, единственный в России изготовлявший экскаваторы, выпустил всего 25 штук. Они были громоздкие, малопроизводительные, с паровым приводом и на железнодорожном ходу.

Значительное развитие открытых горных работ началось в период первых пятилеток. Были введены в действие такие крупные карьеры, как Магнитогорский железорудный (1930 г.), Коунрадский меднорудный (1936 г.), Краснобродский и Бачатский угольные разрезы (1948–1950 гг.) и др.

Наиболее быстрое развитие открытых горных работ началось в послевоенный период, чему способствовал выпуск современного карьерного горнотранспортного оборудования. В период 1947–1950 гг. на карьеры стали поступать экскаваторы СЭ-3, драглайны ЭШ-4/40, ЭШ-6/60, ЭШ-14/65, большегрузные автосамосвалы и думпкары и другая техника, что способствовало значительному улучшению технико-экономических показателей открытого способа добычи. Для разработки скальных пород в дальнейшем были созданы новые буровые станки шарошечного и огневого бурения, карьерные экскаваторы мехлопаты с ковшом вместимостью до 20 м³, думпкары грузоподъемностью 180 т, автосамосвалы грузоподъемностью 110–180 т, а также целая серия вспомогательного оборудования.

С внедрением новой техники совершенствовались технология ведения горных работ и параметры карьеров. Сейчас проектируются карьеры глубиной до 700 м. Высота уступа увеличилась с 7 до 40 м. Широкое применение получили бестранспортные и транспортно-отвалъные технологические схемы, повысилась интенсивность отработки (углубка карьеров достигает 15–20 м/год), возросла производственная мощность карьеров.

Одной из характерных особенностей открытых горных является необходимость удаления значительных объемов покрывающих и вмещающих пород. Поэтому, при открытой разработке различают вскрышные и добычные работы.

Под вскрышными работами понимают совокупность производственных процессов по выемке и удалению пустых пород, обеспечивающих доступ к полезному ископаемому.

Добычными работами называют совокупность производственных процессов по извлечению полезного ископаемого из недр земли.

Объем вскрышных работ обычно в несколько раз превышает объем добычных, а при добыче ценных полезных ископаемых – и в 10–20 раз. Вскрышные и добычные работы ведутся совместно, причем вскрышные несколько опережают добычные во времени и пространстве. Вскрышу укладывают в специальные насыпи – отвалы. Совокупность объемов пустых пород и полезного ископаемого называют горной массой.

Количественная оценка удаляемых вскрышных пород производится с помощью специального показателя – коэффициента вскрыши. Под ним понимают объемное ли весовое количество пустых пород, приходящееся на единицу объема или массы полезного ископаемого. Коэффициент вскрыши показывает, какое количество вскрыши необходимо переместить в отвалы для добычи единицы полезного ископаемого. Коэффициент вскрыши измеряется в т/т, м³/м³, м³/т.

Различают несколько основные виды коэффициентов вскрыши (рисунок 2.2):

средний (К_ср) – отношение объема вскрышных пород в конечных контурах карьера к запасам полезного ископаемого в этих же контурах;

текущий (К_т) – перемещаемых в отвалы в течение месяца, квартала, полугодия, года,

эксплуатационный (К_э) - отношение объема вскрышных пород к объему полезного ископаемого за период эксплуатации карьера;

граничный (К_гр) – максимально допустимое соотношение объемов пустых пород и полезного ископаемого, при котором открытая разработка месторождения экономически целесообразна.

а	б
в	г

Рисунок 2.2. Схемы к расчету коэффициентов вскрыши: а – средний;

б – текущий; в – эксплуатационный; г - граничный

 

Разработка месторождения открытым способом рентабельна, когда себестоимость добычи полезного ископаемого (С_о) не превышает какой-то допустимой величины (С_и). В качестве допустимой себестоимости чаще всего принимают оптовую цену за 1 м³ полезного ископаемого или себестоимость добычи подземным способом. Граничное условие С_о = С_и. Границу открытых горных работ (предельную глубину карьера) устанавливают по величине граничного коэффициента вскрыши, из условия К_ср ≤ К_гр.

В ходе разработки месторождения открытым способом мож­но выделить четыре периода: подготовительный, строительный, эксплуатационный, заключительный.

Подготовительный период включает работы по подготовке месторождения, осушению и ограждению от вод поверхностного стока.

В строительный период входят работы по созданию начального фронта вскрышных и добычных работ, строительство транспортных коммуникаций.

Эксплуатационный период охватывает горные работы по вскрыше и добыче в пределах плана.

Заключительный период –это работы по рекультивации нарушенных горными работами земель.

Степень экономической эффективности открытых горных работ характеризуется величиной технико-экономических показателей, к основным из которых относятся прибыль, рентабельность, себестоимость.

Под прибылью понимается разница между ценностью реализуемой товарной продукции и затратами на ее производство.

Рентабельность –это отношение прибыли, полученной в течение года, к общей величине средств (основных и оборотных фондов), находящихся на предприятии.

Себестоимость (С_о) –затраты, приходящиеся на 1 т добычи полезного ископаемого, складываются из затрат на собственно добычу (С_д) и вскрышу (С_в):

С_о = С_д + С_в·К,

где К – коэффициент вскрыши, т/т.

Преимущества открытых горных работ по сравнению с подземными состоят в следующем:

-применение более мощной и производительной техники, в результате чего достигается лучшие технико-экономические показатели – производительность труда в 5–8 раз выше, а себестоимость добычи в 2–4 раза ниже, чем на шахтах;

-капитальные затраты, связанные со строительством карьера в 2–4 раза меньше, чем на строительстве шахт одинаковой с карьером мощностью;

-более высокие темпы роста производительности труда и снижения затрат на добычные работы;

-на карьерах меньше потери полезного ископаемого и легче производить раздельную выемку различных сортов руд;

-при открытой разработке месторождений легче увеличить в случае надобности производственную мощность предприятия;

-на карьерах обеспечиваются более высокая безопасность труда и лучшие производственные условия.

Вместе с тем открытым разработкам свойственны и недостатки:

-необходимость отчуждения больших земельных угодий для размещения карьеров и отвалов пустых пород;

-понижение уровня грунтовых вод на больших площадях;

-зависимость от климатических условий, что наиболее сильно проявляется в условиях сурового климата.

 

2.2. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ, ЭЛЕМЕНТЫ И ПАРАМЕТРЫ КАРЬЕРА

 

Карьер в хозяйственном значении – это горное предприятие, осуществляющее открытую разработку месторождения, а в техническом значении – это совокупность открытых горных выработок, служащих для разработки месторождения. Угольные карьеры обычно называют разрезами.

Месторождения или его часть, разрабатываемые одним карьером, называется карьерным полем. Площадь карьерного поля обычно составляет от 0,5 до 4 тыс. га. Участок земной поверхности, занимаемый карьером, его службами и цехами, называется земельным отводом. Площадь земельного отвода во много раз превышает площадь карьерного поля. На рисунке 2.3 представлена схема основных объектов карьера в границах земельного отвода.

В процессе горных работ поверхность карьерного поля полностью нарушается и в толще земной коры образуется открытое выработанное пространство.

Месторождение при открытой разработке разделяется на отдельные горизонтальные или наклонные слои. Каждый верхний слой отрабатывают с опережением по отношению к нижнему, в результате чего борт карьера, т. е. его боковые поверхности, имеют ступенчатую, или уступную, форму.

Уступом называется часть толщи пород, имеющая рабочую поверхность в форме ступени и разрабатываемая самостоятельными средствами выемки, погрузки и транспорта (рисунок 2.4). Обычно высота уступа принимается не менее высоты черпания экскаватора и на большинстве карьеров составляет 10–15 м, а иногда достигает 20–40 м.

 

Рисунок 2.4. Схема уступа: 1 – верхняя площадка уступа; 2 – нижняя площадка уступа; 3 – откос уступа; 4 – верхняя бровка уступа; 5 – нижняя бровка уступа; 6 – забой уступа; α – угол откоса уступа

 

Различают рабочие и нерабочие уступы. На рабочих уступах производится выемка пород или добыча полезного ископаемого. Уступ имеет нижнюю и верхнюю площадки, откос и бровки.

Откосом уступа называется наклонная поверхность, ограничивающая уступ со стороны выработанного пространства. Линии пересечения откоса уступа с его верхней и нижней площадками называются соответственно верхней и нижней бровками.

Горизонтальные поверхности рабочего уступа, ограничивающие его по высоте, называют нижней и верхней площадками. Площадка, на которой расположено оборудование для разработки, называется рабочей площадкой. Ширина рабочих площадок составляет 40–70 м и более. Площадка уступа, характеризуемая высотной отметкой, называется горизонтом. Площадки, на которых работы не производятся, называются бермами. Различают предохранительные и транспортные бермы.

Угол наклона уступа α к горизонтальной плоскости называется углом откоса уступа. Угол откоса рабочих уступов обычно равен 65–80°, а нерабочих – 45–60°.

Поверхность уступа, являющаяся непосредственным объектом горных работ и перемещающаяся в результате ведения этих работ, называется забоем уступа.

Уступ разрабатывают последовательными параллельными полосами – заходками с применением или без применения буровзрывных работ.

Часть заходки по ее длине, подготовленная для разработки, называется фронтом работ уступа. Суммарная протяженность фронтов работ уступов составляет фронт работ карьера.

Боковые поверхности, ограничивающие карьер, называют бортами карьера. Борт карьера, на котором производят горные работы, называют рабочим бортом, на котором горные работы уже не производят – нерабочим.

Нижняя, обычно горизонтальная поверхность – это дно (подошва) карьера. Линии пересечения бортов карьера с поверхностью и дном образуют верхний и нижний контуры карьера. Контуры, достигнутые к моменту окончания горных работ, называют конечными. Условную поверхность, проходящую через верхний и нижний контуры карьера, именуют откосам борта карьера, а угол, образованный откосом борта и его проекцией на горизонтальную плоскость – углом откоса борта карьера.

К основным параметрами карьера относят: конечную глубину, размеры по дну и на поверхности, углы откоса бортов, общий объем горной массы и запасы полезного ископаемого в его контурах.

 

2.3. СИСТЕМА РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

 

По определению акад. В.В. Ржевского «под системой открытых горных разработок понимается определенный порядок выполнения подготовительных, вскрышных и добычных работ, обеспечивающий для данного месторождения безопасную, экономичную и полную выемку кондиционных запасов полезного ископаемого».

При разработке горизонтальных и пологих месторождений полезных ископаемых с незначительной мощностью вскрыши и полезного ископаемого подготовительные работы обычно завершаются в период горно-капитальных работ, когда создается первичный фронт вскрышных и добычных работ на карьере посредством проходки разрезных траншей. Система разработки таких месторождений относится к группе сплошных систем (с постоянным положением рабочей зоны), так как практически зона по глубине за весь период эксплуатации месторождения остается неизменной (рисунок 2.5).

Рисунок 2.5. Схема сплошной системы разработки: Н_к – глубина карьера,

h_в – высота вскрышного уступа, h_д – высота добычного уступа, А_в – шрина вскрышной заходки, А_д – ширина добычной заходки, А_о – ширина отвальной заходки, Б – транспортная полоса, R_р – радиус разгрузки экскаватора.

 

При разработке наклонных и крутых залежей в период эксплуатации ведутся вскрытие и нарезка новых рабочих горизонтов. В этом случае положение рабочей зоны постоянно меняется, поэтому системы разработки таких месторождений относятся к группе углубочных систем – с переменным положением рабочей зон (рисунок 2.6).

 

Рисунок 2.6. Элементы и параметры карьера: 1 – выработанное пространство; 2 – рабочий борт карьера; 3 – конечные контуры карьера;
α – угол откоса уступа; φ – угол откоса рабочего борта; γ_В – угол откоса нерабочего борта со стороны висячего бока залежи; γ_Л – угол откоса нерабочего борта со стороны лежачего бока залежи; П – ширина рабочей площадки; h – высота уступа; Н_К – конечная глубина карьера;
В_К – ширина карьера по верхнему контуру; L_К – длина карьера по верхнему контуру; b_Т – ширина траншеи

 

2.3. ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ

 

Весь комплекс горных работ на карьерах можно разделить на связанные между собой производственные процессы. Процесс (от латинского слова – processus – продвижение) – совокупность последовательных действий для достижения какого-либо результата. При ведении горных работ общим результатом производственных процессов является добыча полезного ископаемого. Основными производственными процессами на карьерах, которые определяют характер производства, являются: подготовка горных пород к выемке, выемочно-погрузочные работы, перемещение (транспортирование) горной массы, отвалообразование вскрышных пород и разгрузка или складирование полезного ископаемого.

 

2.3.1. ПОДГОТОВКА ГОРНЫХ ПОРОД К ВЫЕМКЕ

 

Подготовка горных пород к выемке заключается в разрушении массива различными способами на куски, удобные для последующей выемки, погрузки и транспортирования. Рыхлые и мягкие породы могут разрабатываться непосредственно из массива экскаваторами или другими выемочными машинами. Подготовка плотных и наименее прочных полускальных пород ведется обычно навесными рыхлителями на тракторах тяжелого типа. Подготовка к выемке скальных и полускальных пород осуществляется посредством буровзрывных работ, при этом кусковатость взорванных пород должна быть оптимальной.

Размеры максимально допустимого куска во взорванной горной массе определяются параметрами транспортных средств, дробилок и других приемных устройств, а также условиями работы оборудования.

Максимально допустимый линейный размер куска породы d_к (м), равен:

для одноковшовых экскаваторов – ;

для транспортных средств – ;

для конвейерного транспорта – ;

для дробилок – ,

где Е – вместимость ковша экскаватора, м³; V –вместимость кузова автосамосвала или думпкара, м³; В_к –ширина конвейерной ленты, м;
А_д –ширина приемного отверстия дробилки, м.

Куски, имеющие размеры больше допустимых, называют негабаритными и подвергают дополнительному дроблению.

Подготовку пород к выемке ведут следующими способами: механическими (используя органы горных машин), гидравлическими (нагнетанием, насыщением водой, растворением), физическими (токами высокой и промышленной частоты, электромагнитным полем, высокотемпературной газовой струей и пр.), химическими, с использованием энергии взрыва, комбинированными. На выбор способа подготовки влияют: вид и свойство пород, мощность предприятия, требования к качеству добываемого сырья, а также климатические условия.

Наиболее универсально и эффективно взрывное разрушение – основной способ подготовки к выемке на месторождениях с полускальными и скальными породами.

Под взрывом понимают чрезвычайно быстрые окислительные химические реакции с образованием новых соединений, выделением большого количества тепла (3400–6000 кДж/кг) и газов, способных производить разрушение и перемещение окружающей среды. В горной промышленности применяют взрывы с использованием химических взрывчатых веществ.