Система и схема разработки месторождения полезных ископаемых

Система разработки – совокупность подготовительных, нарезных и очистных работ, проводимых в определенном порядке во времени и пространстве, обеспечивающая экономичную и безопасную эксплуатацию месторождения с заданной производственной мощностью при рациональном использовании запасов полезного ископаемого.

Выбор системы разработки осуществляют на основании технико-экономических расчетов.

Основные факторы, определяющие выбор системы разработки: угол падения полезного ископемого, мощность, крепость полезного ископемого и вмещающих пород.

Дополнительные факторы, – склонность к самовозгоранию и слеживанию, необходимость сохранения земной поверхности, подземные воды и поверхностные водоемы, тектоническая нарушенность и др.

Системы разработки пластовых (угольных) месторождений существенно отличаются от систем разработки рудных месторождений.

Классификация систем разработки рудных месторождений

В основе классификации систем разработки рудных месторождений используются следующие классификационные признаки:

тип и размеры месторождения (W.R. Crane, G.J. Young, И. Покровский, Г.Е. Баканов, Л.И. Барон);

способ поддержания выработанного пространства (F.W. Sperr, Y.H. Rayt, E.C. Mitke, В.Н. Семевский и др.);

способ поддержания очистного пространства (J.F. Clelland, C.F. Sackson и E.D. Gardner, классификация Горного бюро США, Н.И. Трушков, Н.А. Стариков, Г.Н. Попов, В.Р. Именитов и др.);

состояние очистного пространства (М.И. Агошков, Р.П. Каплунов и др.);

поддержание в период выемки и последующего заполнения выработанного пространства (В.Т. Маркелов);

тип забоя, способ поддержания кровли, способ подсечки блока (Американский институт горных инженеров и металлургов);

направление фронта отработки и тип заполнения выработанного пространства (О.А. Байконуров);

В России заслуженно получили признание и используются при проектировании подземных рудников классификации М.И. Агошкова и В.Р. Именитова. Системы разработки по В.Р. Именитову подразделяют на 3 класса:

I системы разработки с естественным поддержанием очистного пространства; II системы разработки с обрушением руды и вмещающих пород (без поддержания выработанного пространства); III системы разработки с искусственным поддержанием выработанного пространства

Таблица 1 Классификация систем разработки рудных месторождений по В.Р. Именитову

Системы разработки с естественным поддержанием очистного пространства

Сплошную систему разработки применяют при выемке пологих и наклонных залежей малой и средней мощности при высокой устойчивости руды и вмещающих пород и относительно малой ценности руды. Поддержание кровли стойками, кострами, целиками.

Камерно-столбовую систему разработки применяют при выемке пологих и наклонных рудных тел средней устойчивости руды и вмещающих пород и относительно малой ценности руды. От сплошной системы разработки отличается оставлением ленточных междукамерных целиков и регулярных целиков-столбов.

Рис. 1 Проходка камерной выработки при камерно-столбовой системой слоями: 1 – отработан верхний слой (подсечка); 2 – почвоуступный забой второго слоя

Рис. 2 Камерно-столбовая система разработки (шх.65 Южно-Жезказганского рудника)

Рис. 3 Камерно-столбовая система разработки со шпуровой отбойкой: 1 – камера; 2 – околоштрековый целик; 3 – камерный целик; 4 – рудный массив; 5 – штрек

Камерную систему разработки с этажной отбойкой руды применяют при выемке весьма мощных, мощных и средней мощности крепких руд залегающих в устойчивых породах.

Рис. 4 Камерная система разработки с камерно-целиковым порядком выемки на примере рудника «Кидд Крик» (Канада) 1 – выработки выпуска; 2 – восстающие шпуры подсечки; 3 – скважины диаметром 54 мм; 4 – скважины диаметром 200 мм; 5 – буровые выработки

Схемы расположения скважин при отбойке камерного запаса на руднике

Систему разработки с магазинированием руды применяют при выемке мало мощных и средней мощности крутопадающих рудных жил залегающих в относительно устойчивых породах.

Рис. 5 Система разработки с магазинированием руды: 1 и 3 – откаточный и вентиляционный штреки; 2 – восстающие; 4 – ходки

месторождение рудный пластовый

Изоляция выработанного пространства

При сплошной системе разработки при выемке пологих и наклонных залежей малой и средней мощности при высокой устойчивости руды и вмещающих пород и относительно малой ценности руды применяют изоляцию выработанного пространства созданием защитных полос путем подрыва вмещающих пород.

Критерием необходимости создания защитных полос является значение скорости воздушного потока при самообрушении пород кровли, которая согласно §101 ЕПБ не должна превышать хкрит ? 15 м/сек.

Скорость воздушного потока при самообрушении пород кровли может быть рассчитана по формуле:

С учетом рассчитанной скорости воздушного потока ширина изоляционной породной полосы по кровле выработанного пространства определяется по формуле:

Учитывая влияние угла падения жилы на формирование угла естественного откоса и необходимость полного перевала отбитыми породами выработанного пространства, создание изоляционной полосы при расположении ее по простиранию должно проводиться с подрывом почвы и кровли (рис 7.5).

Рис. 5

Необходимый объем взорванных пород составляет 190 м3 на 10 м полосы. Снижение объема отбойки пород может быть достигнуто при сочетании крепления стойками (с отшивкой) и отбойке только по кровле. Следует отметить, что недопустимо оставление зазора по кровле защитной полосы, т.к. скорость воздушного потока при этом увеличивается пропорционально уменьшению остаточного сечения. Согласно проекту, вторая и третья защитные полосы возводятся по падению жилы 35, соответственно, после погашения целиков в блоках 35/3+35/3а гор.771 м и блоков 35/7+35/10 гор. 720 м. При аналогичных параметрах скорости воздушного потока расчетный объем подрывки пород кровли составляет 60 м3 на 10 м полосы (рис. 7.6).

Рис. 6

3.1. ПОНЯТИЕ О СИСТЕМАХ РАЗРАБОТКИ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСАХ

Под системой разработки понимают определенный порядок производства горных работ в пределах карьерного поля или его участка. Она отражает принятые решения по формированию рабочей зоны карьера в пространстве и времени, соразмерному развитию горных работ на уступах, и должна обеспечить безопасную, планомерную и экономичную разработку месторождения, комплексное извлечение полезных ископаемых, охрану недр и окружающей среды.

При разработке горизонтальных и пологих месторождений рабочая зона карьера формируется в период строительства карьера, а в дальнейшем развивается в горизонтальном направлении. Такие системы разработки называют сплошными или системами разработки без углубки карьера.

Отработка наклонных и крутопадающих залежей характеризуется перемещением фронта работ в горизонтальном на­правлении и в глубину (по мере подготовки новых горизонтов). Такие системы разработки именуют углубочными.

Под фронтом работ уступа понимают часть уступа (по его длине), подготовленную к разработке. Подготовка фронта включает подвод транспортных и энергетических коммуникаций, обеспечивающих функционирование оборудования на уступе. Суммарная протяженность фронтов горных работ всех рабочих уступов образует фронт работ карьера.

Фронт работ уступов может быть ориентирован вдоль длинной и короткой осей карьерного поля, а также иметь кольцевую или эллипсовидную форму (рис. 8.1). Продольноерасположение обеспечивает значительную протяженность фронта работ, создавая благоприятные условия для интенсивной отработки месторождения и раздельной выемки, но обусловливает значительный объем горно-капитальных работ. Его целесообразно применять при малой мощности покрывающих пород.

Поперечное размещение (вдоль короткой оси) фронта работ обеспечивает небольшие объемы горно-капитальных работ и протяженность транспортных коммуникаций, но создает определенные трудности по вскрытию новых уступов и эксплуатации дорожно-путевого хозяйства из-за частого его переустройства. Этот вариант наиболее эффективен при использовании автотранспорта и подготовке горизонтов котлованами, отличаясь высокой интенсивностью разработки.

Кольцевая или близкая к ней конфигурация уступов характерна для месторождений округлой формы. Она обеспечивает минимальные объемы горно-капитальных работ и высокие темпы углубки. но отличается переменной длиной фронта и транспортных коммуникаций на разных этапах разработки.

Перемещение фронта работ может идти параллельно длинной или короткой оси карьерного поля с однобортовой (схема а) или двухбортовой (схема б) выемкой, по вееру (схема в),радиально от центра выемочного слоя к его границам (схема г)или от периферии к центру (схема д).

В общем случае горные работы включают добычные, вскрышные и горно-подготовительные работы.

По степени взаимной зависимости вскрышных, добычных и горно-подготовительных работ различают системы разработки:

зависимые (жестко зависимые), при которых существует жесткая зависимость между вскрышными, добычными и горно-подготовительными работами в отношении последовательности их выполнения во времени и пространстве; при этом плановые вскрытые запасы полезного ископаемого весьма ограниченны (обычно на срок не более 15—45 дней) и порядок ведения горных работ строго регламентируется календарным планом;

полузависимые, при которых вскрышные, добычные и горно-подготовительные работы выполняются без жесткой взаимной увязки во времени; плановые вскрытые запасы могут быть значительными (на период до 3—6 мес); порядок ведения работ регулируется годовым календарным планом, предусматривающим существенные резервы времени между указанными видами работ, что позволяет выполнять их с различной интенсивностью;

независимые, при которых вскрышные, добычные и горно-подготовительные работы выполняются практически независимо друг от друга; при этом вскрытые запасы полезного иско­паемого почти не ограничиваются организацией работ и резервы времени в их проведении весьма значительны.

Обоснование систем разработки предусматривает установление количественных зависимостей между основными размерами залежи, карьерного поля, параметрами элементов системы разработки, параметрами и расстановкой оборудования и производственной мощностью карьера по добычным, вскрышным и горно-подготовительным работам.

Выбор систем разработки основан на следующих положениях:

1. Установление для конкретных условий максимально возможной по природным и техническим условиям производственной мощности карьера по полезному ископаемому. Максимальная мощность карьера зависит от характера комплексной механизации горных работ, закладываемой в основу расчетов системы разработки. Такие расчеты производятся при проектировании новых и реконструкции действующих карьеров.

2. Обеспечение заданной плановой производственной мощности действующего карьера по полезному ископаемому. При расчетах также задаются возможными к применению комплексами оборудования. Задачи этого направления решаются при проектировании карьеров и при техническом обосновании планов добычных и вскрышных работ на действующих предприятиях.

3. Сведение затрат на вскрышные и добычные работы к минимуму (при известных комплексах оборудования и производственной мощности по полезному ископаемому). Такой расчет может быть произведен для нескольких вариантов мощности и комплексов оборудования.

Интенсификация и концентрация горных работ способствует наиболее полному использованию горного и транспортного оборудования. Поэтому реализация максимально возможной по горным условиям производственной мощности карьера связана в большинстве случаев с достижением оптимальных технико-экономических результатов разработки.

Исходными данными для обоснования и исследования системы разработки служат отправные сведения о месторождении и о карьерном поле, о применяемых режиме горных работ, способах вскрытия и возможных для использования комплекcов оборудования.

Оборудование, используемое для добычи полезного ископаемого и удаления вскрыши, образует единый комплекс машин и механизмов. Практически при любой системе разработки можно применять различные комплексы оборудования. В то же время параметры системы разработки (высота уступов, ширина рабочих площадок и др.) взаимосвязаны с рабочими параметрами, расположением, перемещением оборудования на уступах и, в свою очередь, влияют на эффективность его работы. Это две единые диалектические категории: система разработки отражает форму, а комплексная механизация – содержание технологии горных работ. Поэтому акад. В. В. Ржевский ввел понятие о технологических комплексах вскрышных и добычных работ как совокупности комплексов оборудования и технологических решений по вскрытию и системам разработки, совместно обеспечивающих безопасное, высокопроизводительное и экономичное выполнение горных работ в плановых объемах [30].