Стадии разработке открытых месторождений полезных ископаемых
При разработке месторождений подземным способом выделяют три основные стадии работ: вскрытие, подготовку и очистную выемку, которые в период строительства горного предприятия выполняются последовательно, а затем в процессе эксплуатации совмещаются.
Под вскрытием понимают проведение комплекса выработок, соединяющих земную поверхность с месторождением и служащих для спуска и подъема людей, доставки материалов и оборудования к рабочим местам, транспортирования и выдачи горной массы и вентиляции. К вскрывающим выработкам относят отвалы шахт, штольни, квершлаги и околоствольные дворы.
Участки месторождения, для которых пройдены все необходимые выработки вскрытия, называются вскрытыми участками, а запасы в пределах этих участков — вскрытыми запасами.
Стадия вскрытия не только открывает доступ к месторождению, но и создает условия для выполнения следующей стадии работ — подготовки.
Стадия подготовки включает проведение комплекса так называемых подготовительных выработок, при помощи которых вскрытые участки месторождения разделяются на этажи, блоки, панели, столбы и ярусы. К подготовительным выработкам относят откаточные штреки, орты и восстающие. Из подготовительных выработок выделяют нарезные выработки, пройденные в массиве полезного ископаемого, для очередной стадии разработки— очистной выемки.
К нарезным выработкам относят выработки горизонта доставки полезного ископаемого, рудоспуски, хозяйственные, вентиляционные и буровые восстающие.
Запасы полезных ископаемых, для разработки которых пройдены все необходимые подготовительные выработки, называются подготовленными, а запасы, в которых дополнительно пройдены и нарезные выработки, — готовыми к выемке.
Очистная выемка включает комплекс производственных операций, выполняемых для непосредственного извлечения полезного ископаемого из подготовленных и нарезанных участков (блоков) месторождения.
В результате выемки полезного ископаемого образуется выработанное пространство.
Очистная выемка состоит из следующих основных технологических процессов: отбойки полезного ископаемого (отделения от массива), выпуска, погрузки и доставки его до откаточного горизонта и поддержания выработанного пространства (управления горным давлением).
Работы, выполняемые при подготовке и очистной выемке, называются соответственно подготовительными и очистными.
Определенный порядок подготовки и очистной выемки, принятый для разработки всего месторождения или его части, называется системой разработки.
При разработке открытым способом выделяют пять основных стадий работ: подготовительные работы, вскрытие месторождения или его части, вскрышные работы, добычные работ ты, восстановительные работы.
Подготовительные работы включают в основном подготовку земной поверхности к строительству карьера. К ним относят вырубку леса, осушение или, наоборот, обводнение (при некоторых способах разработки россыпных месторождений), снос зданий и сооружений, перенос дорог и пр.
Вскрытие месторождения включает проведение комплекса горных выработок, как подземных, так и траншей, предназначенных для создания транспортного доступа с земной поверхности к полезному ископаемому.
Вскрышные работы заключаются в удалении пустых пород, вмещающих полезное ископаемое, путем их выемки, перемещения и размещения.
Добычные работы заключаются в извлечении (в определенном порядке), перемещении, складировании и разгрузке полезного ископаемого.
Восстановительные работы состоят в приведении нарушенных горными работами земель в состояние, пригодное для использования их в народном хозяйстве.
(Этапы открытой разработки месторождений, их содержание и назначение. Основные производственные процессы открытых горных работ, сущность, назначение и средства механизации)
Разработка МПИ открытым способом включает четыре этапа
Первый этап – подготовительный. Цель горных работ этого этапа – создать благоприятные условия для безаварийной и высокопроизводительной работы горного и транспортного оборудования.
Задачи этого периода:
– подготовка поверхности месторождения к горным работам;
– осушение месторождения и ограждение его от вод поверхностного стока.
Подготовка поверхности заключается в удалении естественных и искусственных препятствий, мешающих разработке месторождения. В этот период, обычно, требуется: – вырубить лес и кустарник, удалить торф и плодородный слой земли, отвести поверхностные воды, осушить водоемы, снести здания и сооружения на площади карьера, подготовить место для размещения отвалов пустых пород, подвести к карьеру железную и шоссейные дороги, линии электропередачи и водоснабжения, построить производственные, служебные и жилые помещения.
Осушение месторождения выполняют в целях придания большей устойчивости откосов уступов, предотвращения оползней пород в бортах карьера, создания благоприятных и безопасных условий для работы людей, машин и транспортных средств в карьере.
Второй этап – строительный. В этот период осуществляются работы по удалению покрывающих и вмещающих пород для обеспечения доступа к полезному ископаемому и систематического производства вскрышных и добычных работ. В этот период проводят капитальные и разрезные траншеи и создают устойчивый фронт добычных и вскрышных работ. Этот период иногда называют горно-капитальным так, как в этот период создаются основные фонды предприятия. Финансовые затраты этого периода носят название – первоначальные капитальные затраты. По окончании строительного периода карьер сдается в эксплуатацию и начинает функционировать как хозрасчетная производственная единица. При разработке крутопадающих месторождений, работы по подготовке новых горизонтов (проходка траншей, съездов), обеспечивающих транспортную связь вскрываемого горизонта с лежащими выше, также относятся к горно-капитальным.
Третий этап – эксплуатационный. Горные работы этого периода заключаются в систематическом удалении вскрышных пород в объемах обеспечивающих требуемую длину фронта очистных, и ведении очистные работ в объемах, соответствующих требованиям плана добычи по объему и качеству полезного ископаемого.
Четвертый этап – период погашения горных работ. Характеризуется постепенным завершением горных работ на вскрышных и добычных горизонтах в связи с погашением запасов, демонтажем горного оборудования и транспортных коммуникаций. В этот же период выполняются работы по рекультивации земель, нарушенных горными работами.
Во всех периодах работы карьера основными работами являются горно-капитальные, вскрышные и добычные работы. Целью этих работ является выемка определенного объема пород из массива, а содержание работ по выемке пород – рядом характерных производственных процессов выполнение которых требует определенной технологии и специальных средств механизации.
3.1. ОСНОВНЫЕ ПРОИЗВОДСТВЕННЕ ПРОЦЕССЫ ОТКРЫТЫХ РАБОТ
Основными производственными процессами открытых горных работ являются:
– подготовка горных пород к выемке;
– выемочно-погрузочные операции;
– перемещение горной массы;
– отвалообразование вскрышных пород;
– складирование добытого полезного ископаемого.
Процесс подготовки горных пород к выемке включает широкий перечень мероприятий, направленных на изменение естественного состояния горных пород с целью обеспечения эффективной их выемки. В практике открытых горных работ при подготовке горных пород к выемке наибольшее распространение нашел буровзрывной способ, предназначенный для отделения полускальных и скальных пород от массива и дробления их до кусков заданных размеров.
Выемочно-погрузочные операции предназначены для извлечения горной массы непосредственно из массива или из навала и погрузки их в транспортные средства. Выемка и погрузка обеспечивается одной машиной.
Процесс перемещения горной массы состоит в организации четкой и бесперебойной работы транспортных средств обеспечивающих своевременную перевозку значительных объемов в пределах карьера и за его пределами.
Отвалообразование вскрышных пород и складирование добытого полезного ископаемого заключается в приеме и размещении горной массы и полезного ископаемого на специально отведенных площадях при соблюдении безопасных условий труда и высокопроизводительной работы горного и транспортного оборудования.
3.2. СПОСОБЫ ПОДГОТОВКИ ГОРНЫХ ПОРОД К ВЫЕМКЕ
Подготовка горных пород к выемке проводится с целью создания технической возможности и наилучших условий для выполнения последующих процессов выемки и погрузки горной массы, транспортирования, отвалообра зования и переработки.
В зависимости от типа и состояния пород подготовка их к выемке может осуществляться: – предохранением от промерзания, оттаиванием, гидравлическим ослаблением или разупрочнением, – механическим или взрывным рыхлением мерзлых мягких и плотных пород, – механическим рыхлением или взрывание на сотрясение плотных пород, – взрывнм рыхлением скальных и полускальных пород.
3.2.1. ПРЕДОХРАНЕНИЕ ОТ ПРОМЕРЗАНИЯ И ОТТАИВАНИЕ ПОРОД
Подготовка горных пород к выемке в зимних условиях включает комплекс мероприятий по предотвращению промерзания пород, рыхление мерзлых пород и приведение их в талое состояние. Обычно карьерные мехлопаты с ковшом емкостью 4 м3 могут разрабатывать без предварительного рыхления слой мерзлой породы мощностью 0,5-0,7. Бульдозерами, скреперами и цепными многоковшовыми экскаваторами в большинстве случаев невозможно или нерационально разрабатывать мерзлые породы без их предварительного рыхления.
Для предохранения от промерзанияприменяют: – вспашку; обычное (до 40-50 см) и глубокое (до 1- 1,3 м) рыхление; боронование на глубину до 20 см; утепление теплоизоляционными материалами, снеговым или искусственным ледовоздушним покровом; химическую обработку антикриогенами; специальные навесы и тепляки.
Оттаивание породосуществляют паром, горячей водой или газами, глубинным или поверхностным электрообогревом, поверхностным пожогом и т.п. При глубинном электрообогреве электроды размещают в шпурах, пробуренных на глубину промерзания на расстоянии 0,5-0,7 друг от друга и пропускают электрический ток. Расход эл. энергии на оттаивание 1 м3 пород составляет от 8-10 до 20 кВт.ч. При поверхностном электрообогреве электроды в виде металлических полос или сетки располагают на поверхности оттаиваемого участка. Питание осуществляется от высокочастотного генератора.
При оттаивании применяют стальные трубы внутренним диаметром 19-22 мм и длиной 1,5-3 м, которые помешают в шпуры при расстоянии между ними 2-2,5 м или забивают в породу по мере её оттаивания. Продолжительность оттаивания 4-6 ч при расходе пара 24-27 кг на оттаивание 1 м3 породы. Аналогично осуществляется оттаивание горячей и холодной водой. Паро- и гидрооттаивание широко применяют при разработке многолетнемёрзлых пород.
Сущность оттаивания поверхностным пожегом заключается в сжигании слоя угля, торфа или дров на поверхности мерзлых пород. Примерный расход на оттаивание 1 м3 породы составляет: – уголь – 30-60 кг, торф – 120-140 кг, дрова – 0,14-0,17 м3. Применяют для оттайки глин в небольших объемах.
Химическая обработка хлористыми солями калия или натрия применяется для оттайки песчано-глинистых пород после их предварительной планировки и рыхления на глубину 20-30 см.
3.2.2. МЕХАНИЧЕСКОЕ РЫХЛЕНИЕ.
Предварительное механическое рыхление осуществляют прицепными или навесными рыхлителями, которые монтируются на мощном тракторе тягаче (Рис.4.1)
Рыхление массива производится параллельными смежными ходами рыхлителя. Расстояние С между смежными ходами определяется по условию обеспечения требуемой кусковатости и эффективной глубины hэ рыхления, которая меньше величины заглубления зуба hз , так как между смежными ходами в нижней части сечения образуются зоны неразрыхленной породы.
Величина заглубления рыхлителя hз у мощных рыхлителей может достигать 2 ¸ 2,5 м. Рыхлители могут иметь до 5 зубьев. Для подготовки плускальных применяют однозубчатые рыхлители, в плотных породах – многозубчатые.
Величина С находится в пределах 110-160 см. Для увеличения глубины hэ и обеспечения лучшей кусковатости горной массы применяют дополнительные перекрестные ходы. Расстояние между дополнительными ходами С’ = (1,2 ¸ 1,5)С. Угол наклона стенок борозды 40 ¸ 60°.
Механическое рыхление эффективно при разработке пород с f = 1 ¸ 3 независимо от трещиноватости; с f = 4 ¸ 5 при сильной и средней трещиноватости, с f = 6 ¸ 8 при весьма сильной трещиноватости.
Часовая производительность рыхлителей в легкорыхлимых породах может достигать 1200 м3.
Рыхлители используют в комплексе со скреперами, бульдозерами и одноковшовыми погрузчиками, которые производят послойную выемку горной массы в слоистых горных массивах, например угольных пластов с удалением глинистых и слабых прослойков в отвал.
Рыхлители по мощности тягачей подразделяют на сверхмощные (мощность двигателя свыше 220 кВт), мощные (110 ¸ 220 кВт), средней мощности (58 ¸ 110 кВт), легкие (до 58 кВт) с тяговым усилием тракторов соответственно 300 и более, 200¸300, 130¸200 и до 130 кН (табл. 1 и 2)
Технические характеристики отечественных рыхлителей
Показатель | Рыхлитель | ||||||
ДП-26С | ДП-22С | ДП-9ВХЛ | ДП-10С | ДП-29АХЛ | ДЗ-141ХЛ | ДП-35УХЛ | |
Базовый трактор | Т-130.1.Г-1 | Т-180КС | ДЭТ-250М | Т-330 | ТТ-330Р-1-01 | Т-500Р-1 | Т-50.01 |
Мощность двигателя, кВт | |||||||
Тяговый класс, кН | (100) | (150) | (250) | (350) | (750) | ||
Число зубьев | 1;3 | 1;3 | |||||
Расстояние между осями зубьев, мм | – | – | – | – | – | ||
Ширина наконечника зуба, мм | 120-125 | 125-130 | |||||
Глубина рыхления, мм | |||||||
Угол рыхления, градус | 45-50 | 25-50 | 30-83 | ||||
Масса рыхлительного оборудования, т | 1,4 | 3,1 | 3,9 | 5,4 | 6,6 | 7,0 | 12,7 |
Технические характеристики гусеничных бульдозеров с рыхлителем, фирма «Катерпиллер» США
Показатели | Тип бульдозера | |||
D8L | D9N | D10N | D11N | |
Мощность двигателя, кВт | ||||
Отвал: | ||||
тип | SU | SU/U | U/S | SU/U |
длина, м | 4,17 | 4,32/4,66 | 4,86/5,25 | 5,6/6,4 |
высота, м | 1,77 | 1,81 | 2,05 | 2,31 |
вместимость, м3 | 11,0 | 11,9/14,4 | 17,2/20,9 | 25,6/32,4 |
заглубление, м | 0,61 | 0,62 | 0,67 | 0,77 |
просвет, м | 1,29 | 1,37 | 1,56 | |
Рыхлитель: | ||||
сила заглубления, кН | ||||
максимальное заглубление, м | 1,16 | 1,23 | 1,37 | 1,61 |
Масса с отвалом и рыхлителем, т | 47,9 | 53,9 | 74,4 | 120,6 |
Примечание: S – прямой отвал; U – универсальный; SU – полууниверсальный. |
ОТКРЫ́ТАЯ РАЗРАБО́ТКА МЕСТОРОЖДЕ́НИЙ, способ добычи полезных ископаемых, при котором процессы выемки осуществляются на поверхности Земли (в открытых горных выработках – карьерах). Характеризуется высокой степенью извлечения полезных ископаемых из недр, возможностью достижения бoльшей (по сравнению с шахтной добычей) производств. мощности предприятия. Гл. требования к О. р. м. – комплексное освоение всех ресурсов месторождения и охрана окружающей среды. По положению залежи полезного ископаемого относительно земной поверхности различают месторождения поверхностного (расположенные на поверхности или покрытые небольшими наносами), глубинного (значительно ниже господствующего уровня поверхности), нагорного (на возвышенности или склоне горы) и нагорно-глубинного (частично расположенные на горе или горном склоне) типов. Осн. горные выработки О. р. м. – капитальные траншеи, обеспечивающие доступ к полезному ископаемому, и разрезные траншеи, подготавливающие карьерное поле к вскрышным и добычным работам.
Осн. технологич. процессы О. р. м. включают: подготовку горных пород к выемке – их отделение от массива с применением взрывных технологий или механич. рыхления; погрузку (экскавацию) горной массы в средства карьерного транспорта и её перемещение из забоев до пром. площадки и отвалов; размещение вскрышных пород в отвалах.
Открытая разработка месторождений. Применение взрывной технологии для отделения горных пород на Михайловском ГОКе (Железногорский район Курской области).
ИПКОН
При О. р. м. безопасная, экономичная и наиболее полная выемка всех видов полезных ископаемых обеспечивается правильно выбранной системой разработки месторождения, которая устанавливает определённый порядок выполнения горно-подготовит., вскрышных и добычных работ. Наибольшее распространение в РФ получила разработанная Н. В. Мельниковым классификация систем О. р. м. по способу перемещения пустых пород вскрыши в отвалы и типу применяемого оборудования: бестранспортная – вскрышные породы перемещаются во внутр. отвалы непосредственно экскаваторами; транспортно-отвальная – вскрышные породы перемещаются во внутр. отвалы при помощи передвижных транспортно-отвальных установок; специальная – вскрышные породы удаляются колёсными скреперами, с помощью средств гидромеханизации и др.; транспортная – вскрышные породы перемещаются на внутренние или внешние отвалы средствами карьерного транспорта; комбинированная – вскрышные породы верхних уступов удаляют карьерным транспортом, а породы с нижних уступов перемещаются во внутр. отвалы непосредственно экскаваторами или при помощи передвижных транспортно-отвальных установок. По классификации, разработанной В. В. Ржевским, системы О. р. м. в зависимости от положения рабочей зоны и направления перемещения фронта горных работ делят: на сплошные, применяемые для добычи руды из горизонтальных или пологопадающих залежей (отвалы вскрышных пород размещают в выработанной части карьера или за его пределами); углубочные – при разработке наклонных и крутых залежей (вскрышные породы размещают только во внешних отвалах); смешанные (сочетают особенности сплошных и углубочных систем) – для разработки месторождений в сложных топографич. и горно-геологич. условиях. Классификация систем на основе ресурсосберегающих и малоотходных технологий с применением новых видов горного и транспортного оборудования, предложенная К. Н. Трубецким, подразделяет технологич. схемы О. р. м. на цикличные (13 схем) и циклично-поточные (5 схем) способы произ-ва горных работ.
О. р. м. включает подготовит., основной горно-строительный, эксплутационный и заключит. периоды. В подготовительный период в пределах карьерного поля ведутся работы по подготовке территории (вырубка леса, корчёвка пней, отвод рек, осушение месторождения, перенос автомобильных и ж.-д. трасс, возведение спец. складов, административно-бытовых и коммунальных сооружений, механич. мастерских, депо, гаражей, прокладывание транспортных коммуникаций, сети водоснабжения и канализации). В основной горно-строительный период осуществляются горно-капитальные работы по сооружению капитальных и разрезных траншей (см. Вскрытие месторождения), проводятся дренажные и осушит. работы, ведётся монтаж осн. горного, транспортного и технологич. оборудования, возводятся пром. здания, обогатит. сооружения, склады для готовой продукции и др.
Наиболее продолжит. этап О. р. м. – эксплуатация месторождения. Планомерная выемка и перемещение горных пород обеспечиваются комплексом горного транспортного и вспомогат. оборудования. Выбор средств комплексной механизации зависит от природных (крепость горных пород, форма залегания полезного ископаемого, горно-геологич. условия, климат, рельеф и т. п.), технологических (система разработки, схема вскрытия, режим горных работ и др.), технических (выемочно-погрузочное оборудование, транспорт, элементы систем разработки), организационных (годовой и суточный режимы работ, сроки строительства и др.) и экономических (размер капитальных затрат, себестоимость продукции, производительность труда, размер прибыли и др.) факторов. Комплексная механизация горных разработок обеспечивает неразрывность транспортных коммуникаций от забоев до пунктов разгрузки, а отд. машины и механизмы (буровые, выемочно-погрузочные, транспортные, отвальные, вспомогательные), входящие в комплект оборудования, должны соответствовать друг другу по мощности, производительности и др. осн. параметрам. Отличит. особенность комплексной механизации добычных работ – наличие разгрузочно-приёмных пунктов, располагаемых в определённых местах, как правило на весь срок отработки месторождения. Эти пункты включают в себя дробильно-сортировочные установки, размещаемые непосредственно в карьере и на бортах. Осн. требование, предъявляемое к комплексной механизации добычных работ, – обеспечение равномерной и бесперебойной подачи полезного ископаемого на переработку.
Комплексы для механизации добычных работ различают по виду входящего в них оборудования, которое определяет вид технологии горных работ: цикличная, при которой все осн. процессы осуществляются комплексом оборудования цикличного действия; циклично-поточная – предусматривает применение комплексов с оборудованием цикличного и непрерывного действия; поточная – осуществляется с помощью комплексов, в которых в качестве осн. горнотранспортного оборудования используются машины непрерывного действия.
Заключительный период эксплуатации месторождений – восстановление нарушенных при О. р. м. земель и возвращение их для полезного использования: планировка отвалов, нанесение на них почвенного слоя (предварительно снятого при вскрышных работах), восстановление и благоустройство выработанного пространства карьера (см. Рекультивация земель). При разработках месторождений поверхностного типа горнотехнич. рекультивация может осуществляться в процессе эксплуатации.
Эффективность О. р. м. оценивается системой технико-экономич. показателей – общих (прибыль, рентабельность, качество горной продукции) и специальных (коэф. вскрыши, себестоимость полезного ископаемого, эксплуатац. затраты, капитальные затраты, производительность труда и коэф. использования горнотранспортного оборудования). Для О. р. м. ср. коэф. вскрыши (отношение всего объёма вскрыши в контуре карьера ко всему объёму полезного ископаемого) составляет 4–5 м3/м3 (редко 10 м3/м3); такие значения коэф. вскрыши гарантируют рентабельность этого вида разработки.
Открытая разработка месторождений. Алмазодобывающий карьер «Мир» (Якутия, Россия).
О. р .м. прошла длинный историч. путь – от выемки продуктивной залежи, находящейся прямо на земной поверхности, и снятия слоя покрывающих пород с помощью примитивных горнопроходч. инструментов и землеройной техники (6–5-е тыс. до н. э.) до появления в 21 в. карьеров глубиной более 350 м, оснащённых мощными буровыми станками и экскаваторами, большегрузными автосамосвалами. О. р. м. – осн. направление развития горнодобывающей пром-сти в РФ, этим способом добывают 80–93% руд чёрных и цветных металлов, около 64–66% угля, практически 100% строит. горных пород. О. р. м. позволяет создавать мощные комплексы по добыче и переработке железных руд. Так, в РФ на 5 наиболее крупных карьерах – Лебединском, Михайловском, Стойленском, Костомукшском, Северном Качканарском (производительность каждого по сырой руде св. 20 млн. т в год) добывается ок. 70% железной руды, на 3 др. карьерах – Ковдорском, Главном и Западном Качканарских (производительность каждого более 10 млн. т в год) – св. 16% общей добычи. Проектная глубина карьеров: Лебединского 450 м, рудника «Железный» Ковдорского 850 м, Михайловского 450 м, Оленегорского 435 м и Стойленского 470 м. Проектная глубина зарубежных карьеров: железорудного Полтавского ГОКа 700 м (Украина), меднорудных «Бингем» 900 м (США) и «Гаспе» 546 м (Канада), золоторудного «Мурунтау» 950–1000 м и меднорудного «Кальмакыр» 660 м (Узбекистан).
К наиболее крупным в РФ О. р. м. руд цветных металлов и золота относят: карьер Олимпиадинского месторождения золота, Сорский молибденовый карьер, карьер «Эрдэнэт» совместного рос.-монг. предприятия; осн. районы О. р. м. алмазов – карьер «Мир» в Якутии, угля – Бачатский карьер в Кузнецком угольном бассейне в Зап. Сибири, горно-химич. сырья – карьеры ОАО «Апатит» на Кольском п-ове и др.
Перспективы развития О. р. м. связаны с оптимизацией параметров горных работ и оборудования, применения техники непрерывного действия, комплексным освоением недр, переходом на большие глубины (до 1000 м), широким применением автоматизир. систем и методов управления, внедрением ресурсосберегающих, малоотходных и ресурсовоспроизводящих геотехнологий.