Отвалообразование при открытой разработке полезных ископаемых

Открытая разработка месторождений полезных ископаемых связана с необходимостью выемки и перемещения, значительных объеме вскрышных пород, покрывающих, а иногда и подстилающих (при разработке крутых месторождений) залежь. Перемещаемые объемы вскрышных пород размещаются (складируются) на специально отводимых для этой цели площадках. Насыпь, образующаяся в результате складирования вскрышных пород, называется отвалом, а совокупность производственных процессов по размещению вскрышных пород в отвал – отвальными работами. Технология, механизация и организация отвальных работ составляют сущность и содержание процесса отвалообразования. Отвалообразование является завершающим этапом в технологической цепи производства вскрышных работ. От четкого и безаварийного выполнения отвальных работ в значительной степени зависят технико-экономические показатели работы горного и транспортного оборудования и всего карьера в целом.

Высота отвального уступа зависит в основном от физико-технических свойств складируемых пород и пород, лежащих в основании отвала а также от средств механизации отвальных работ. Увеличение высот отвального уступа и отвала в целом ведет к уменьшению занимаемых площадей под отвалы, объема работ по строительству и содержаний транспортных коммуникаций и к увеличению производительности отвального оборудования. Число отвальных уступов определяется в зависимости от площади, отводимой под отвалы, и общего объема вскрышных пород.

В зависимости от места расположения отвала по отношению к конечному контуру карьера различают внутренние отвалы, располагаемые в выработанном пространстве, и внешние отвалы, располагаемые за конечным контуром карьера Использование выработанного пространства карьеров для размещения вскрышных пород позволяет сократить расстояние перемещения вскрыши. При этом отпадает необходимость в дополнительных площадях для размещения отвалов и сокращаются объемы работ по рекультивации земель, нарушенных горными работами, однако создание внутренних отвалов возможно при разработке горизонтальных и пологах залежей, вынимаемых на всю мощность.

При выборе мест расположения внешних отвалов руководствуются следующими положениями. Отвалы должны располагаться по возможности ближе к карьеру, чтобы свести к минимуму затраты на перемещение вскрыши т забоя в карьере до пункта разгрузки на отвале. Подступы к отвалам должны быть удобными и не иметь крутых подъемов и спусков. Под отвалами не должно быть запасов полезного ископаемого, пригодных к разработке открытым способом в ближайшее время. Для складирования пород в первую очередь следует занимать площади непригодные или малопригодные для использования в сельском хозяйстве (болота, овраги и др.). Положение отвалов не должно мешать развитию горных работ на карьере. Отвалы целесообразно располагать на склонах гор, холмов, чтобы обеспечить минимум затрат на их сооружение. Приемка способность отвалов должна обеспечивать размещение вскрыши, удаляемой из карьера за весь период его работы.

Высота отвального уступа зависит в основном от физико-технических свойств складируемых пород и пород, лежащих в основании отвала, а также от средств механизации отвальных работ. Увеличение высоты отвального уступа и отвала в целом ведет к уменьшению занимаемых площадей под отвалы, объема работ по строительству и содержанию транспортных коммуникаций и к увеличению производительности отвального оборудования. Число отвальных уступов определяется в зависимости от площади, отводимой под отвалы, и общего объема вскрышных пород. Ограничивающим фактором возможного числа уступов на отвале является общая рациональная высота отвала и несущая способность пород, лежащих в основании отвала.

Угол откоса отвальных уступов обычно равен углу естественного откоса пород, размещаемых в отвале. Он зависит от физико-технических свойств пород, их степени разрыхления и влажности.

Объем породы (м3), который можно разместить на данной площади отвала при его максимальном заполнении (в целике) на равнинной местности, определяется по формуле

Vо = (kн.о / kр.о) [Sо ?hо – Pо (?hо)2 ctgбо + 1/3 р (?hо)3 ctg2бо], (37)

где kн.о=0,8-0,9- коэффициент, учитывающий неравномерность отсыпки породы в отвал;

kр.о = l,l-1,2 – остаточный коэффициент разрыхления породы в отвале;

Sо – площадь отвала, м ;

h0 – высота отвального уступа, м;

Ро – периметр основания отвала, м;

бо – результирующий угол откоса отвала, градусы.

Часть периметра отвала, на котором происходят прием и размещение вскрышных пород, составляет фронт отвальных работ. Разбивка фронта отвальных работ на отдельные участки (тупики) позволяет рассредоточить по фронту основные и подготовительные работы при отвалообразовании. Длина отдельного тупика изменяется в широких пределах и зависит в основном от принятого способа механизации отвальных работ, площади отвала, объема вскрышных пород, размещаемых в отвале.

Процесс отвалообразования включает возведение первоначальных отвальных насыпей, разгрузку и складирование вскрышных пород, планировку поверхности отвала и перемещение транспортных коммуникаций на отвале.

В зависимости от места расположения отвала по отношению к конечному контуру карьера различают внутренние отвалы, располагаемые в выработанном пространстве, и внешние отвалы, располагаемые за конечным контуром карьера. Использование выработанного пространства карьеров для размещения вскрышных пород позволяет сократить расстояние перемещения вскрыши. В начальный период разработки горизонтальных и пологих залежей, когда создается выработанное пространство карьера, вскрышные породы также вывозятся на внешние отвалы.

При выборе мест расположения внешних отвалов руководствуются следующими положениями. Отвалы должны располагаться по возможности ближе к карьеру, чтобы свести к минимуму затраты на перемещение вскрыши от забоя в карьере до пункта разгрузки на отвале. Подступы к отвалам должны быть удобными и не иметь крутых подъемов и спусков. Под отвалами не должно быть запасов полезного ископаемого, пригодных к разработке открытым способом в ближайшее время. Для складирования пород в первую очередь следует занимать площади непригодные или малопригодные для использования в сельском хозяйстве (болота, овраги и др.). Положение отвалов не должно мешать развитию горных работ на карьере. Приемная способность отвалов должна обеспечивать размещение вскрыши, удаляемой из карьера за весь период его работы.

Применяется бульдозерное отвалообразование. Поверхность бульдозерного отвала должна иметь уклон 4–5° в сторону центра отвала.

Необходимая площадь (м2) под отвал определяется по формуле:

Sо=Vвkр.о/(Hоkо), (38)

где Vв – объем вскрыши, подлежащий размещению в отвале, м ;

kр.о = l,l-1,2 – остаточный коэффициент разрыхления породы в отвале;

Но – высота отвала, м;

kо – коэффициент, учитывающий использование площади отвала (при одном уступе ko = 0,8-0,9; при двух уступах ko =0,6-0,7).

Sо=13537803,52 • 1,1 / (15 • 0,9) = 12530,3 м2.

Безопасность производства отвальных работ в значительной степени зависит от устойчивости откоса отвальных уступов. Поэтому высота отвального уступа, при которой обеспечивается необходимая устойчивость его откоса, должна устанавливаться индивидуально для каждого карьера и различных типов вскрышных пород и способов механизации отвальных работ. Увеличивать проектную высоту отвального уступа без достаточного обоснования не разрешается.

Существенное влияние на устойчивость отвалов оказывает порядок отсыпки пород. В основание отвала необходимо укладывать наиболее устойчивые и легкодренируемые породы (скальные). При отсутствии таких пород в основание отвалов следует укладывать перфорированные керамические или металлические трубы и обкладывать их ветками, а затем слоем скальных пород.

Во избежание скопления воды на поверхности отвалов (во впадинах) ей следует придавать форму, обеспечивающую хороший сток воды с целью предотвращения образования оползней.

Запрещается спускаться и подниматься по откосам отвальных уступов, а также находиться вблизи их основания.

Формирование отвалов веерное с помощью бульдозеров по транспортной схеме. Транспорт – автомобильный, углы устойчивых откосов принимаются 45. По всей длине отсыпаемого участка устраивается предохранительная берма не менее 5 м. Так же по всей длине фронта работ на отвалах устраивается породная отсыпка за призмой обрушения высотой не менее 1 м.

Бульдозерное отвалообразование включает в себя разгрузку автосамосвалов на верхней площадке отвального уступа, перемещение пород под откос уступа, планировку поверхности отвала, ремонт и содержание автодорог.

Каждый отвал состоит из трёх участков равной длины по фронту разгрузки. На первом участке ведётся разгрузка, на втором – планировочные работы, третий участок – резервный.

Применяется бульдозер Б-170. Высота отвала 15 м, отвалы одноярусные.

1. Площадь отвала определяется по формуле

So = W·kp / h·ko, (39)

где W – объём пород, подлежащий размещению в отвале за срок его существования, м3, W = 907000 м3;

kp – коэффициент разрыхления пород в отвале (kp = 1,05 – 1,2);

h – высота отвала, м, h = 15 м;

ko – поправочный коэффициент, учитывающий откосы и неравномерность заполнения площади (для одноярусных отвалов ko = 0,8 – 0,9).

So = (907000 ·1,1) / (15·0,85) = 78251 м2

2. Длина отвального участка по условию планировочных работ:

Lo.y = Qб /Wo, (40)

где Qб – производительность бульдозера в смену, м3/смену;

Wo – удельная приёмная способность отвала, м3/м

Определим техническую производительность бульдозера:

; (41)

где V- объем призмы волочения породы, срезаемой отвалом, V=6,5 м3;

Kр- коэффициент разрыхления породы, Kр=1,2;

Kв- коэффициент использования машины во времени, Kв=0,7;

Tц- продолжительность цикла;

(42)

где LH- расстояние набора породы, LH=5м

LП- расстояние на которое перемещается, LП=10м;

VН- средняя скорость при наборе породы,VН=0,7 м/с;

VП- средняя скорость рабочего хода бульдозера, VП=0,85 м/с;

VО- средняя скорость холостого хода бульдозера,VО=1,5 м/с;

tп- время на переключение скоростей,tп=8 сек.

Tц=5/0,7+10/0,85+15/1,5+8=37 сек.

Принимаем продолжительность цикла равную 37 секунд.

м3/час

Производительность в смену Qсм= Qб · Тс = 368,9·8 =2951 м3/смену.

Определим число бульдозеров необходимые для работы:

N = V / Qсм (43)

N = 3488 / 2951 = 1,18

Для нормальной работы карьера необходимо 2 бульдозера Б-170.

Удельная приёмная способность отвала для автосамосвалов КамАЗ-65201, м3/м:

Wo = Va·/ b, (44)

где Va – вместимость кузова автосамосвала, м3, Va = 16 м3;

– коэффициент кратности разгрузки по ширине кузова, =1,2;

b – ширина кузова автосамосвала, м 2,5 м

Wo = 16·1,2 / 2,5 = 7,68 м3/м.

Lo.y = 2951 / 7,68 = 384,2 м.

3. Длина отвального участка по условиям беспрепятственной разгрузки автомашин:

Lo.y = (Na·a·tp.м) / Tp , (39)

где Na – число автомашин, обслуживающих отвальный участок, Na = 3;

a – ширина полосы, занимаемая при маневрировании и разгрузки, м,

a = 25 м;

tp.м – продолжительность разгрузки и манёвра автомашины на отвале, мин., tp.м = 1,5 мин.;

Tp – продолжительность рейса автосамосвала, мин., Tp = 12 мин.

Lo.y = (3·25·1,5) / 12 = 9,37 м

Окончательно принимаем длину отвального участка 385 м.

4. Число рабочих отвальных участков:

No = Wc / (nб·Qб), (40)

где Wc – объём вскрышных пород, складируемых на отвале, м3/смену, Wc = 3488 м3/смену;

nб – число бульдозеров на отвале, nб = 2;

Qб – производительность бульдозера, м3/смену, Qб = 2951 м3/смену

No = 3488 / (2· 2951) = 0,59

Для данного карьера достаточно иметь один рабочий отвальный участок.

Длина фронта разгрузки:

, м, (41)

где: lп =1820 – ширина полосы по фронту, занимаемая автосамосвалом, м;

NА – число одновременно разгружающихся автосамосвалов;

; (42)

Nч – число автосамосвалов, разгружающихся в отвале в течение часа;

tр.м = 1,52 – продолжительность разгрузки и маневрирования автосамосвала, мин;

; (43)

Пк.ч – часовая производительность карьера по вскрыше, м3;

kнер = 1,251,5 – коэффициент неравномерности работы карьера;

VА – объём вскрыши, перевозимый автосамосвалом за рейс, м3.

;

Принимаем .

.

Принимаем Nа=1.

м,

Длина отвального фронта:

, м.

.

При появлении признаков оползневых явлений работы по отвалообразованию должны быть прекращены до разработки и утверждения, специальных мер безопасности. Работы прекращаются и в случае превышения регламентированных инструкциями по отвалообразованию скоростей деформации отвалов. Работы на отвале возобновляются после положительных контрольных замером скоростей деформаций отвалов с письменного разрешения технического руководителя карьера.

Возможность отсыпки отвалов на заболоченных и несдренированных территориях определяется специальным проектом, предусматривающим необходимые меры безопасности отвальных работ.

Запрещается производить сброс (сток) поверхностных и карьерных вод в отвалы. Высота породных отвалов и отвальных ярусов, углы откоса и призмы обрушения, скорость продвижения фронта отвальных работ устанавливаются проектом в зависимости от физико-механических свойств пород отвала и его основания, способов отвалообразования и рельефа местности.

Проезжие дороги должны располагаться за пределами границ скатывания кусков породы с откосов отвалов.

На отвалах должны устанавливаться предупредительные надписи об опасности нахождения людей на откосах, вблизи их основания и в местах разгрузки транспортных средств.

Автомобили должны разгружаться на отвале в местах, предусмотренных паспортом, вне призмы обрушения (сползания) породы. Размеры этой призмы устанавливаются работниками маркшейдерской службы и регулярно доводятся до сведения лиц, работающих на отвале.

На отвалах должны устанавливаться схемы движения автомобилей. Зона разгрузки должна быть обозначена с обеих сторон знаками в виде изображения автосамосвала с поднятым кузовом с указателями направления разгрузки.

Площадки бульдозерных отвалов и перегрузочных пунктов должны иметь по всему фронту разгрузки поперечный уклон не менее 3°, направленный от бровки откоса в глубину отвала на длину базы работающих автосамосвалов, и необходимый фронт для маневровых операций автомобилей, автопоездов, бульдозеров и др.

Зона разгрузки должна быть ограничена с обеих сторон знаками. По всему фронту в зоне разгрузки должна быть сформирована в соответствии с паспортом породная отсыпка (предохранительный вал) высотой не менее 0,5 диаметра колеса автомобиля максимальной грузоподъемности, применяемого в данных условиях. Предохранительный вал служит ориентиром для водителя.

Запрещается наезжать на предохранительный вал при разгрузке. При отсутствии такого вала и его высоте менее требуемой запрещается подъезжать к бровке отвала ближе, чем на 5 м или ближе расстояния, указанного в паспорте. Все работающие на отвале и перегрузочном пункте должны быть ознакомлены с данным паспортом под роспись.

Подача автосамосвала на разгрузку должна осуществляться задним ходом, а работа бульдозера — производиться перпендикулярно верхней бровке откоса площадки. При этом движение бульдозера производится только ножом вперед с одновременным формированием перед отвалом бульдозера предохранительного вала в соответствии с паспортом перегрузочного пункта.

Работа в секторе должна производиться в соответствии с паспортом ведения работ и регулироваться специальными знаками и аншлагами.

Расстояние между стоящими на разгрузке и проезжающими транспортными средствами должно быть не менее 5 м.

На территории складирования горной массы (пород), на разгрузочных площадках, перегрузочных пунктах (складах) запрещается нахождение посторонних лиц, автотранспорта и другой техники, не связанных с технологией ведения разгрузочно-погрузочных работ. Во всех случаях люди должны находиться от механизма на расстоянии не менее чем 5 м.

Геолого-маркшейдерской службой организации должен быть организован систематический контроль за устойчивостью пород в отвале. Частота наблюдений, число профильных линий и их длина расположение, тип грунтовых реперов и расстояние между ними на профильных линиях определяются проектом наблюдательной станции.