Разработка месторождения кварцевого порфира

1. Горно-геологическая характеристика месторождения

1.1 Общие сведения о районе месторождения Митрофановское месторождение кварцевого порфира расположено в Юргинском районе Кемеровской области в 35 км на юго-восток от г. Юрга и в 70 км на северо-запад от областного центра г. Кемерово.

Ближайшим населенным пунктом от месторождения является д. Митрофаново, расположенная в 0,5 км на север от него.

Рельеф Юргинского района является пенепленизированным, расчлененным речной сетью и последующими эрозионными процессами. Водораздельные возвышенности имеют, обыкновенно, мягкие пологие склоны.

Основной водной артерией является р. Томь, которая у деревни Митрофаново образует два рукава. В северо-западной части деревни протекает ручей Кунгурка, впадающий в р.Томь. В ручей Кунгурка впадает ручей Шеломка, протекающий у подножия горы, являющейся частью месторождения.

В климатическом отношении район относится к резко континентальному, с холодной зимой и жарким летом. Снеговой покров незначительный, что обуславливает глубокое (в среднем до 1,5 м) промерзание почвы. Максимальная температура летом плюс 34 ⁰С, минимальная зимой минус 49,6 ⁰С. Среднегодовое количество осадков — 536 мм. Преобладающее направление ветров юго-западное. Месторождение связано с городами Кемерово и Юрга автомобильной дорогой с асфальтовым покрытием.

1.2 Геологическое строение месторождения Митрофановское месторождение разведано изыскательской экспедицией Проектно-изыскательной конторы Проектного института № 2 в 1955;1956 годах и представляет собой обособленную гору сложенную кварцевым порфиром.

Район месторождения сложен эффузивно-осадочными отложениями девона. Нижним горизонтом этой толщи являются кварцевые порфиры, альбитофиры и связанные с ними туфогенные породы и конгломераты.

Месторождение расположено за дер. Митрофаново на юг вдоль ручья Кунгурки и Шеломки. Кварцевый порфир представляет собой мелкозернистую сильно окварцованную породу. Степень окварцевания неравномерна по глубине и достигает по содержанию кварца в породе 90%. Окраска порфира от светло-серой до темно-серой со слабым голубоватым оттенком с глубиной.

Порфир разбит трещинами вертикальной отдельности юго-восточного направления под углом 110−120 ⁰ с падением на северо-восток под углом 20 ⁰ и крутопадающими трещинами северо-восточного направления. Данная трещиноватость обуславливает плитчатость шириною от 2 до 20 см. Имеющаяся горизонтальная трещиноватость раздробляет породу на кубики от 3×3 до 20×20 см. Помимо общей трещиноватости имеет место наличие мелких прожилков, секущих породу в различных направлениях, заполненных белым кварцем. Местами встречаются пустоты заполненные щетками кварца. Порода также разбита микротрещинами, что при наличии высокого процентного содержания кварца создает ее хрупкость. Проведенными геологоразведочными работами отмечается также радиальная трещиноватость, указывающая на образование трещин тектонического происхождения.

Кварцевый порфир с поверхности слабовыветренный и до середины склона горы покрыт незначительным почвенно-растительным слоем мощностью 10−20 см. Структура породы порфировая, в большинстве случаев флюидальной текстуры, с глубиной более массивная и плотная.

Кварцевый порфир на месторождении прослеживается в северо-западном направлении. С юго-восточной стороны на контакте с ним залегают туфы и туфиты. Они также опоясывают кварцевый порфир с запада на юго-запад.

Туфы представляют собой породы, сложенные обломками эффузивных пород, кристаллов кварца и полевого шпата, сцементированных хлоритом.

Туфиты представляют собой сланцеватые породы, сцементированные хлорито-глинисто — серицитовым материалом и контактируют с глинисто-кремнистыми сланцами.

Четвертичные отложения на месторождении представлены суглинком желто-бурого цвета со щебенкой, который залегает на склонах горы и на северо-западной площадке месторождения. Мощность суглинков колеблется от 0,3 до 1,5 м.

Темно-бурые, бурые и сероватые глины, залегающие обычно ниже суглинковплотные, вязкие со щебенкой и мелкой галькой в основании имеют мощность от 1,5 до 12−15 м. Суглинок перекрыт почвенно-растительным слоем средней мощностью 0,25 м. Образование кварцевого порфира на месторождении связано, как видно, с эффузивной вулканической деятельностью. В конце девона произошли значительные процессы складкообразования, в результате чего образовалось митрофановское антиклинальное поднятие.

1.3 Гидрогеологическая характеристика месторождения Гидрогеология района изучена слабо. На месторождении был пройден ряд горных выработок (шурфы, канавы, скважины ручного и одна колонкового бурения). Ни одна из них в процессе проходки не встретила грунтовых вод. Благодаря трещиноватости коренных пород они хорошо дренируются ручьем, протекающим у подножия горы и р. Томь. Небольшой ручей Шеломка и р. Кунгурка имеют незначительный дебит и в засушливое время практически пересыхают. Следовательно, осложнений при эксплуатации месторождения от гидрогеологических условий, которые являются простыми, особенно при отработке нагорной части, не ожидается. Водопритоки в проектируемый карьер I очереди отработки запасов камня участка «Восточный» Митрофановского месторождения будут происходить за счет атмосферных осадков в период снеготаяния и дождей.

1.4 Геологоразведочные работы На месторождении была проведена топографическая съемка на площади 60 га масштаба 1:1000 и пройдены следующие горные выработки:

— 11 канав общим объемом 970,38 м³;

— 3 расчистки — 67 м³;

— 17 шурфов — 41,4 м³;

— 6 скважин ручного бурения — 7,5 м³;

— 1 скважина колонкового бурения — 42,3 м³.

Кроме того, произведено описание шести естественных выходов и пройдены два маршрутных хода. Расстояние между выработками от 100 до 200 м в отдельных случаев 50 м, между разведочными линиями 100 м.

Выход керна по полезной толще составил в среднем 80%.

В процессе разведки все выработки, вскрывшие кварцевый порфир подвергались опробованию.

1.5 Качественная характеристика кварцевого порфира Пригодность естественных каменных материалов в строительстве определяется комплексом физико-механических свойств, к которым относятся:

— плотность материала;

— водопоглащение;

— пористость;

— морозостойкость;

— кислотоупорность;

— прочность.

Произведенные петрографические исследования показали, что месторождение представлено однородной породой — кварцевым порфиром.

Исследования кварцевого порфира, как кислотоупорного камня, показали его высокую нерастворимость в кислотах. Кислотоупорность составляет от 97,03 до 99,35%, в среднем 98,19%. Результаты физико-механических испытаний кварцевого порфира Митрофановского месторождения приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 — Результаты физико-механических испытаний кварцевого порфира Митрофановского месторождения

1.6 Горнотехнические условия эксплуатации месторождения Месторождение расположено в непосредственной близости от автомагистрали Кемерово-Юрга и залегает, в основном в пределах возвышенности (участок «Восточный»), где намечается строительство карьера первой очереди.

Незначительный объем вскрыши, нагорный тип карьера I очереди, простые гидрогеологические условия определяют благоприятные условия эксплуатации Митрофановского месторождения. Кварцевый порфир относится к очень крепким породам с коэффициентом крепости по шкале проф. Протодъяконова до 16. По буримости он относится к IX-XI категории по двенадцатибальной шкале. Массив порфиров разбит трещинами различного направления и микротрещинами, что определяет его хрупкость при взрывании и динамических нагрузках. Средняя плотность камня в массиве составляет 2,56 т/м³. По взрываемости кварцевый порфир относится к категории от легковзрываемых до средневзрываемых.

1.7 Подсчет запасов кварцевых порфиров Митрофановское месторождение кварцевых порфиров представлено двумя участками «Западный» и «Восточный». Запасы участка «Восточный» составляют 92,5% от всех утвержденных запасов, поэтому проектом предусматривается его первоочередная отработка.

В соответствии со степенью изученности территория месторождения разделена на несколько блоков, в границах которых запасы камня классифицируются по категориям А, В и С₁ и относятся ко II категории.

Сводная таблица запасов по Митрофановскому месторождению кварцевого порфира произведена в таблице 1.2

Таблица 1.2 — Сводная таблица запасов по Митрофановскому месторождению

2. Вскрытие карьерного поля

2.1 Общие сведения о вскрытии Вскрытие для открытой разработки месторождений включает проведение наклонных (капитальных) открытых выработок с поперечным сечением ступенчатой формы или в виде трапеции (траншей) или треугольника (полутраншей) с поверхности земли или от разрабатываемой части карьера к вновь создаваемым рабочим горизонтам. Непосредственным продолжением капитальной траншеи является горизонтальная выработка с трапецеидальным (треугольным) поперечным сечением — разрезная траншея (полутраншея), проводимая для создания первоначального фронта горных работ. Разрезные траншеи проходятся для вскрытия рабочих горизонтов с целью создания первоначального вскрышного или добычного фронта. Уклон их обычно выбирается с учетом естественного стока грунтовых и ливневых вод к насосным станциям. Срок службы разрезных траншей зависит от интенсивности ведения горных работ.

2.2 Классификация способов вскрытия Способы вскрытия месторождении зависят от форм и размеров поля разреза, угла падения пластов, физико-механических свойств пород, глубины отработки, рельефа местности, типа принятого горнотранспортного оборудования. Классификация способов вскрытия приведена в таблице 2.2.

Внешними траншеями вскрываются верхние горизонты месторождений с наклонным и крутым залеганием пластов. Для уменьшения объемов горно-капитальных работ и вскрытия наибольшего количества рабочих горизонтов внешние капитальные траншеи закладываются на пониженных участках рельефа местности. Нижележащие горизонты таких месторождений вскрываются внутренними траншеями, которые закладываются как на рабочих, так и нерабочих бортах. При отработке пластов пологого залегания с применением автомобильного транспорта внутренние траншеи размещаются по падению пластов. При крутом залегании пластов внутренние траншеи всегда находятся в движении. Учитывая трудоемкость работ при строительстве скользящих съездов и необходимость их оборудования железнодорожными путями или автодорогами, ведение горных работ планируется так, чтобы один из бортов или несколько горизонтов находились во временной консервации, а тупиковые съезды были полустационарными.

При вскрытии карьерного поля отдельными внешними капитальными траншеями (рисунок 2.1) создают транспортный доступ к каждому уступу. При данном способе вскрыши за каждым уступом закрепляется транспорт, и потоки горной массы полностью рассредоточены.

Рисунок 2.1-Схема вскрытия карьерного поля отдельными внешними капитальными траншеями Вскрытие карьерных полей групповыми внешними капитальными траншеями (рисунок 2.2) используют при разработке мощных пластов полезного ископаемого и покрывающих вскрышных пород (угольные месторождения). В этом случае отдельные группы уступов вскрывают независимыми друг от друга траншеями. Грузопотоки породы и полезного ископаемом) при этом рассредоточены и имеют непосредственный выход на дневную поверхность, что позволяет использовать различные виды транспорта на вскрыше (конвейерный) и добыче (железнодорожный).

Рисунок 2.2- Схема вскрытия карьерного поля внешними групповыми капитальными траншеями Вскрытие карьерных полей парными внешними капитальными траншеями (рисунок 2.3) применяют для организации поточного движения транспорта при большом грузообороте карьера. В данном случае порожние и груженые составы поступают в карьер и выезжают по разным траншеям. Общие внешние капитальные траншеи применяют для вскрытия пологих и наклонных месторождений на глубину не более 60−80 и. Траншеи при внешнем заложении обычно располагают на флангах карьерного поля.

Рисунок 2.3- Схема вскрытия карьерного поля внешними парными капитальными траншеями

Таблица 2.2- Классификация способов вскрытия

Способы вскрытия карьерных полей отдельными, групповыми и парными внутренними капитальными траншеями характеризуются достоинствами и недостатками, присущими способам вскрытия аналогичными внешними капитальными траншеями.

Отдельные внутренние капитальные траншеи применяют при вскрытии неглубоких капитальных полей. Групповые внутренние траншеи используют при большой мощности пластов полезного ископаемого и покрывающих вскрышных пород, разрабатываемых большим количеством (шесть-восемь) уступов. Парные внутренние капитальные траншеи используют для создания в карьере поточного движения транспортных средств.

Наибольшее распространение на глубоких карьерах получил способ вскрытия общей внутренней капитальной траншеей (рисунок 2.4). Данный способ применяют также при вскрытии нагорных карьеров. Внутреннее расположение капитальной траншеи является возможным при достаточной устойчивости бортов карьера. При данном способе вскрытия грузопотоки как правило, каждая траншея является однопутной. Покрытие парными траншеями применяют при значительной длине карьерного поля. Внутреннюю крутую траншею проходят на одном из его нерабочих боргов карьера и оборудуют для подъема горной массы наклонными подъёмниками — скиповыми или конвейерными.

Рисунок 2.4- Схема вскрытия карьерного поля общей внутренней капитальной траншеей Сочетание внешних и внутренних капитальных траншей используют на глубоких карьерах, отрабатывающих месторождения сложной формы. Одним из основных вариантов вскрытия внешними капитальными траншеями является вскрытие внешними траншеями верхних горизонтов карьера и внутренними траншеями нижних. При этом внутренние и внешние траншеи составляют на карьере одну единую систему капитальных траншей.

Вскрытие подземными горными выработками. Наиболее часто применяют штольни и тоннели (рисунок 2.5) для вскрытия нагорных месторождений. В этом случае полезное ископаемое поступает на горизонт штольни по вертикальным и наклонным рудоспускам, пройденным из штольни до горизонта карьера. Тоннели используют для организации поточного движения транспортных средств. На ряде карьеров предложено использовать наклонные железнодорожные тоннели для вскрытия глубоких горизонтов. В этих условиях тоннели проводят с поверхности или с промежуточных горизонтов карьера непосредственно в его рабочую зону. Основными преимуществами данного варианта вскрытия являются: уменьшение объема горных работ по разносу нерабочих бортов карьера в результате сокращения транспортных средств и площадок для размещения тупиков, а также существенное увеличение возможной глубины погружения трассы железнодорожных путей.

Рисунок 2.5- Схемы вскрытия карьерных полей горизонтальными подземными горными выработками; 1- карьер; 2- рудоспуск; 3- штольня Вскрытие вертикальными или наклонными шахтными стволами применяют при разработке глубоких месторождений, когда целесообразно выдавать горную массу из карьера на поверхность с помощью скиповых и наклонных подъемников).

Комбинированное вскрытие представляет собой сочетание основных способов и позволяет в наибольшей степени учесть конкретные геологические и горно-геологические условия залегания и разработки месторождений.

Комбинированный способ включает две основные группы: сочетание траншейных способов с бестраншейными и комбинацию траншейных способов со вскрытием подземными горными выработками. Бестраншейное вскрытие породных уступов и траншейное добычных используют на карьерах, разрабатывающих горизонтальные или пологие пласты, когда вскрышные уступы отрабатываются драглайнами или многочерпаковыми экскаваторами нижним черпанием с размещением оборудования на поверхности. Добычные уступы в этом случае вскрывают одним из траншейных способов и чаще всего внешними капитальными траншеями. Траншейное вскрытие породных уступов и бестраншейное добычных применяют при разработке угольных месторождений, покрытых породами большой мощности. В этих случаях вскрышные уступы вскрывают внешними капитальными траншеями, а отработку пластов ведут горными машинами с нижним черпанием и размещением погрузочной и транспортной техники на поверхности пласта.

Сочетание траншейных способов вскрытия с подземными горными выработками применяют при разработке мощных крутых рудных месторождений. В этом случае на первом этапе верхнюю часть месторождения разрабатывают с применением колесного транспорта и с использованием капитальных и разрезных траншей в качестве вскрывающих выработок. В дальнейшем при переходе на комбинированный транспорт среднюю и нижнюю часть месторождений вскрывают с помощью подземных горных выработок (штольни, тоннели, шахтные стволы).

2.3 Выбор способа вскрытия Вскрытие карьерного поля является одной из наиболее сложных задач открытой разработки месторождений, от правильного решения которой в значительной степени зависят технико-экономические показатели работы карьера. При обосновании способа вскрытия руководствуются следующими соображениями: принятый способ должен обеспечить минимальные затраты на транспортирование вскрыши и полезного ископаемого, минимальный объем горно-капитальных работ и рациональное распределение объемов вскрышных пород за весь срок отработки карьерного поля (максимальный объем вскрышных работ должен выполняться, как правило, в более поздние годы). При сопоставлении нескольких вариантов способов вскрытия оптимальный вариант определяется минимумом затрат на строительство карьера и его эксплуатацию в начальный период (в первые 10—15 лет).

Характерной особенностью карьеров, разрабатывающих горизонтальные и пологие месторождения (угол наклона ?10°), является их небольшая глубина и значительные размеры в плане. Вскрытие таких карьерных полей может осуществляться системой отдельных, общих и групповых капитальных траншей.

Вскрытие системой отдельных капитальных траншей внешнего заложения применяют при незначительной глубине карьеров (2—3 уступа) и целесообразности рассредоточения грузопотоков. Отдельные капитальные траншеи небольшой глубины имеют небольшой объем, а возможность рассредоточения грузопотоков обеспечивает простоту организации горных и транспортных работ, высокую производительность карьера в целом.

Вскрытие системой общих капитальных траншей внешнего заложения применяют также при 2—3 вскрываемых уступах и отсутствии необходимости и целесообразности рассредоточения грузопотоков (величина грузооборота небольшая, грузопотоки вскрыши и полезного ископаемого на поверхности совпадают по направлению). Основным преимуществом этого способа по сравнению с предыдущим является несколько меньший объем системы капитальных траншей. Этот способ вскрытия применяют и при большей глубине карьеров (4—8 уступов), однако в этом случае капитальные траншеи имеют внутреннее или смешанное заложение (верхние 2—3 уступа вскрываются траншеями внешнего заложения).

Вскрытие системой групповых капитальных траншей применяют при 4—6 уступах. Одна группа траншей обычно обслуживает вскрышные уступы, а вторая — добычные, чем создается рассредоточение вскрышного и добычного грузопотоков.

Вскрытие горизонтальных месторождений в основном осуществляется при фланговом или центральном расположении капитальных траншей. Центральное расположение капитальных траншей в сочетании с фланговым применяют при большой длине карьерного поля, что позволяет разделить карьер на два участка и вести работы в них независимо друг от друга.

При использовании технологических схем с перевалкой вскрыши в выработанное пространство широко применяют бестраншейное вскрытие вскрышных уступов.

Вскрытие горизонтальных или пологих месторождений осуществляется комбинированным способом (бестраншейное вскрытие вскрышных уступов или их части и траншейное вскрытие добычного уступа).

Характерными особенностями карьеров, разрабатывающих наклонные и крутые месторождения глубинного типа, являются значительная конечная глубина (100—150 м и более), постепенное увеличение глубины карьера и числа вскрываемых уступов, непостоянство объемов грузопотоков, перемещение горной массы за контуры карьера (вскрыша перемещается на внешние отвалы, а полезное ископаемое — на склады или фабрики), наличие скальных и полускальных пород, обеспечивающих высокую устойчивость бортов. Такие месторождения, как правило, вскрываются системой общих или групповых капитальных траншей, а в отдельных случаях подземными выработками.

В зависимости от угла падения месторождения трасса капитальных траншей (ее внутренняя часть) является стационарной или нестационарной (скользящей). При разработке наклонных залежей с углом падения, близким к значениям угла откоса нерабочего борта карьера, трасса капитальной траншеи закладывается со стороны лежачего бока залежи на нерабочем борту карьера в его конечном положении. В случае разработки крутых месторождений (угол падения >35°) трасса капитальных траншей (ее внутренняя часть) является скользящей, так как располагается на одном или двух рабочих бортах карьера. После достижения уступами своего конечного положения участки трассы капитальной траншеи в пределах этих уступов становятся стационарными. Использование скользящих трасс (скользящих съездов) обеспечивает минимальные объемы горно-капитальных работ, однако при этом возникают дополнительные эксплуатационные трудности. На скользящих трассах величина подъема уменьшается на 35% от величины руководящего подъема. Ширина скользящего съезда устанавливается по условию размещения на нем экскаватора, развала взорванной породы и путей.

При разработке крутых месторождений обычно применяются тупиковая (при железнодорожном транспорте) и петлевая (при автотранспорте) формы трассы. Спиральную форму трассы целесообразно применять при разработке штокообразных глубоких залежей с малыми размерами и округлой формой в плане. Спиральная форма трассы наиболее целесообразна при автотранспорте. Крутые капитальные траншеи целесообразно использовать только для вскрытия глубоких горизонтов (более 250 м), располагая их в наиболее устойчивых породах нерабочих бортов или торцов карьера. Форма трассы крутой капитальной траншеи может быть простой (для скиповых подъемников и ленточных конвейеров) и сложной (для ленточных конвейеров). Если угол откоса борта карьера не превышает угла подъема крутой траншеи, то последняя обычно располагается перпендикулярно к борту карьера.

В случае использования комбинированного транспорта на концентрационных горизонтах сооружаются перегрузочные пункты, оборудованные при необходимости дробильными установками.

Способ вскрытия подземными горными выработками применяется при разработке нагорных или глубинных месторождений, когда проведение подземных выработок и их эксплуатация экономически выгоднее по сравнению с капитальными траншеями (в малоустойчивых породах при большой глубине, на высоком крутом косогоре, пересеченном оврагами, балками, ручьями и др.).

Вскрытие нагорного месторождения, имеющего небольшой угол косогора и ровную поверхность, осуществляется полутраншеями внешнего заложения. В зависимости от вида карьерного транспорта они имеют тупиковую или петлевую форму трассы. Рабочие горизонты вскрываются, как правило, системой отдельных или групповых траншей, что позволяет иметь отдельные отвалы вскрышных пород для каждого уступа в непосредственной близости от карьера (за границами карьерного поля).

3. Системы открытой разработки месторождений

3.1 Общие понятия о системах разработки

Под системой открытой разработки месторождения понимается определенный порядок выполнения горно-подготовительных, вскрышных и добычных работ. В условиях данного карьера принятая система разработки должна обеспечивать безопасную, экономичную и наиболее полную выемку кондиционных запасов полезного ископаемого при соблюдении мер по охране окружающей среды.

Отработка данного карьера предусматривается циклично-транспортной системой разработки с внешним отвалообразованием, применением буровзрывных работ и заключается в послойной отработке нагорных уступов, транспортировке камня на ДСК расположенный в 180 м, а вскрыши в отвал.

К основным элементам и параметрам системы разработки относятся:

— добычная единица;

— высота уступа;

— ширина рабочей площадки;

— ширина заходки;

— размеры разрезных полутраншей;

— фронт работ и длина экскаваторных блоков.

В качестве добычной единицы на карьере «Митрофановский» принят добычной уступ. Количество добычных единиц равно 1.

Высота уступа определяется физико-механическими свойствами горных пород, горно-геологическими условиями их залегания, а также параметрами применяемого выемочного оборудования.

Кварцевые порфиры карьера «Митрофановский» относятся к категории от средне до легковзрываемых с коэффициентом крепости до 16, средней трещиноватости. В соответствии с п. 50 «Единых Правил безопасности при разработке месторождений полезных ископаемых открытым способом» (ПБ 03−498−02) при применении гидравлических экскаваторов высота уступа определяется с учетом траектории движения ковша экскаватора. Рекомендуемые проектом экскаваторы имеют максимальную высоту копания 10,36 м и максимальную глубину копания 7,27 м.

На основании вышеизложенного принимается высота уступа равная 5 м. Минимальная длина активного фронта работ на один экскаватор принимается равной 200 м для скальных пород и 100 м для рыхлых пород.

Минимальная ширина рабочей площадки в скальных породах определяется по формуле:

Шрп = Пбп+2По+Пп + (X — A), м, где Пбп — ширина полосы безопасности,

Пбп =3 м;По — ширина обочины автодороги, По=2,5 м;

Ппширина проезжей части автодороги, Пп=4,5 м;

Х — ширина развала взорванной горной массы, А — величина буровой заходки, А=3 м В рыхлых породах:

Шрп = Пбп+2По+Пп +Пбу+A, м, где Пбп — ширина полосы безопасности (призма обрушения),

Пбп =3м;

По — ширина обочины автодороги, По=2,5 м Ппширина проезжей части автодороги, Пп=4,5 м;

Пбуширина полосы безопасности у вышележащего уступа, Пбу=2м;

А — величина экскаваторной заходки,

Отработка карьера осуществляется с помощью экскаваторных и буровых заходок движением экскаваторного забоя вдоль рабочего уступа.

На данном карьере принята проектом циклично-транспортная система разработки с рыхлением массива горных пород с помощью БВР и внешним отвалообразованием и включает в себя следующие операции: буровые работы, взрывные работы, погрузочные работы, -вспомогательные работы.

3.2 Классификация систем разработки Наибольшее применение в горнотехнической литературе и практике получили классификации систем разработки, разработанные чл.-кор. АН СССР В. В. Ржевским, проф. Е. Ф. Шешко и акад. Н. В. Мельниковым.

В основу классификации, предложенной чл.-кор. АН СССР В. В. Ржевским положены горно-геологические и геометрические предпосылки, характеризующие порядок разработки месторождения. Согласно этой классификации имеет место существенное различие систем разработки горизонтальных и пологих месторождений и наклонных и крутых месторождений. Системы разработки горизонтальных месторождений характеризуются только порядком выполнения вскрышных и добычных работ, так как горно-подготовительные работы на таких месторождениях заканчиваются в период строительства карьера. Возобновиться горно-подготовительные работы могут только в период реконструкции карьера. Такие системы разработки называются сплошными (с постоянной рабочей зоной).

Системы разработки наклонных и крутых месторождений характеризуются порядком выполнения вскрышных, добычных и горно-подготовительных работ, так как горно-подготовительные работы на таких месторождениях ведутся как в период строительства карьера, так и в процессе его работы (для воссоздания фронта вскрышных и добычных работ нарезаются очередные по глубине уступы). Такие системы разработки называются углубочными (с переменной рабочей зоной).

Месторождения со сложными топографическими и горно-геологическими условиями могут разрабатываться смешанными (углубочно-сплошными) системами.

Порядок разработки месторождения связан с развитием горных работ по отношению к контурам карьерного поля. В связи с этим различают следующие системы по направлению выемки в плане:

продольные однобортовые и двухбортовые, когда фронт вскрышных и добычных работ перемещается параллельно длинной оси карьерного поля;

поперечные однобортовые и двухбортовые, когда фронт вскрышных и добычных работ перемещается параллельно короткой оси карьерного поля;

веерные, когда фронт вскрышных и добычных работ перемещается по вееру с центральным (общим) или рассредоточенными (два и более) поворотными пунктами;

кольцевые, когда фронт вскрышных и добычных работ имеет форму кольца и разработка ведется от центра к границам карьерного поля или от границ к центру.

В основу классификации, предложенной проф. Е. Ф. Шешко (рисунок 3.1), положено направление перемещения вскрышных пород в отвалы. Эта классификация включает следующие группы систем.

Группа, А включает системы с поперечным перемещением вскрыши в отвалы без применения транспортных средств (бестранспортные системы).

Группа Б включает системы с продольным (вдоль фронта) перемещением вскрыши в отвалы с применением транспортных средств (транспортные системы).

Группа В включает комбинированные системы с поперечным и продольным перемещением вскрыши в отвалы. Эти системы являются комбинацией транспортных и бестранспортных систем.

В основу классификации, предложенной акад. Н. В. Мельниковым, положен способ производства вскрышных работ. Классификация включает следующие системы разработки: бестранспортную, экскаватор-карьер, транспортно-отвальную, специальную, транспортную и комбинированную.

Классификации систем разработки, в основу которых положены направление перемещения вскрыши в отвалы и способ производства вскрышных работ в неполной мере отражают порядок разработки месторождения. Эти классификации не характеризуют порядок производства добычных работ, а также порядок развития фронта и рабочей зоны карьера. Наиболее универсальной является классификация систем разработки, в основу которой положены горно-геологические и геометрические предпосылки, характеризующие порядок производства вскрышных, добычных и горно-подготовительных работ.

Рисунок 3.1- Схемы систем открытой разработки месторождений по классификации Е. Ф. Шешко

Таблица 3.1- Классификация систем разработки по акад. Н.В. Мельникову

3.3 Факторы, влияющие на выбор системы разработки Для выполнения вскрышных, добычных и горно-подготовительных работ в определенном объеме и порядке применяют различное горное и транспортное оборудование. На карьерах стремятся обеспечить такую технологию, при которой все основные и вспомогательные процессы и операции полностью механизированы, а применяемые машины и механизмы по своей мощности и производительности взаимоувязаны и обеспечивают заданный темп горных работ, что соответствует принципам комплексной механизации. Комплексная механизация открытых горных разработок имеет своей целью не только замену тяжелого ручного труда механизированным, но и получение наилучших технико-экономических показателей. Поэтому для выполнения основных и сопутствующих им вспомогательных процессов и операций на каждом карьере изыскивают по возможности наилучшие технические решения, которые позволяют получить высокие экономические результаты.

Комплекс горного, транспортного, дробильно-сортировочного и вспомогательного оборудования, обеспечивающий планомерную выемку горной массы в забоях и перемещение вскрыши на отвалы, а полезного ископаемого к складам и потребителям, составляет структуру комплексной механизации. Система разработки место рождения и структура комплексной механизации данного карьера взаимосвязаны. Если система разработки, определяет объемы и порядок производства горных работ, то структура комплексной механизации определяет виды, мощность и расстановку оборудования, обеспечивающего выполнение этих работ.

Выбор системы разработки зависит от горно-геологических и геометрических предпосылок, характеризующих порядок разработки месторождения. Системы разработки горизонтальных месторождений характеризуются только порядком выполнения вскрышных и добычных работ. Системы разработки наклонных и крутых месторождений характеризуются порядком выполнения вскрышных, добычных и горно-подготовительных работ. Месторождения со сложными топографическими и горно-геологическими условиями могут разрабатываться смешанными.

Системы с поперечной перевалкой вскрыши во внутренние отвалы являются технологически наиболее простыми и экономичными. Однако перевалка породы в рабочих органах экскаваторов ограничивает параметры этих систем и область их применения. Здесь жестко взаимоувязаны вскрышные и добычные работы, а объем вскрытых запасов строго ограничен.

Системы с продольной перевозкой вскрыши на отвалы более сложны и менее экономичны. Однако у них нет такой жесткой взаимоувязки вскрышных и добычных работ, а вскрытые запасы могут быть созданы в большем объеме. Область применения этих систем более широкая.

4. Подготовка горных пород к выемке

4.1 Общие сведения о подготовке горных пород к выемке Подготовка горных пород к выемке осуществляется с целью создания технической возможности и наилучших условий для выполнения последующих процессов выемки и погрузки горной массы, транспортирования, отвалообразования и др. В зависимости от типа и состояния пород подготовка их к выемке может осуществляться следующими способами: осушением, предохранением от промерзания, оттаиванием мерзлых пород, гидравлическим ослаблением или упрочнением, механическим или взрывным рыхлением.

4.2 Осушение, предохранение влажных пород от промерзания, оттаивание и гидравлические способы подготовки пород к выемке

Осушение влажных пород перед выемкой способствует высокопроизводительному использованию оборудования и созданию комфортных условий труда рабочих. Обводненность экскаваторныя забоев и большая влажность пород удорожают работы из-за прилипания и примерзания горной массы к ковшам выемочных машин, транспортным сосудам, конвейерным лентам и другому оборудованию. Для уменьшения влажности пород, кроме предварительного осушения месторождения, часто применяются поверхностный водоотлив, дренажные канавы, скважины, сквозные и забивные фильтры. Необходимая степень осушения пород зависит от их свойств, применяемой техники, климатических условий, требований к качеству полезного ископаемого.

Предохранение влажных пород от промерзания связано с тем, что при отрицательных температурах их невозможно разрабатывать без предварительного рыхления. По данным практики, карьерные мехлопаты с ковшом емкостью 4 м³ могут разрабатывать бее предварительного рыхления слой мерзлой породы 0,5—0,6 м. Для предохранения пород от промерзания применяются вспашка, боронование и утепление (теплоизоляционными материалами) поверхностного слоя, создается снеговой или искусственный ледовоздушный покрои, устраиваются специальные навоем и тепляки. Вспашка, рыхление и боронование значительно уменьшают теплопроводность поверхностного слоя пород благодаря образованию в нем пустот, заполненных воздухом. Снегозадержание осуществляется путем образования снежных валов или установки снегозадерживающих щитов. В качестве теплоизо-ляционных материалов дли предохранения поверхностного слоя от промерзания используют мох, опилки, шлак, минеральную вату. Устройство навесов и тепляков практикуют на карьерах по добыче глин для кирпичных и керамических заводов.

Оттаивание пород осуществляется паром, водой, глубинным или поверхностным электрообогрёвом, поверхностным пожогом и др. При глубинном электрообогреве электроды размещают в шпурах, пробуренных на глубину промерзания на расстоянии 0,5— 0,7 м друг от друга. Электрическая цепь замыкается по талой породе и ее оттаивание осуществляется снизу вверх. Расход электроэнергии на 1 м³ породы составляет 8—20 кВт-ч. При поверхностном электрообогреве электроды в виде полос или металлических сеток располагаются на поверхности оттаиваемого участка. Питание осуществляется от высокочастотного генератора.

При оттаивании паром применяются стальные трубы внутренним диаметром 19—22 м и длиной 1,5—3 м, которые помещаются в шпуры или забиваются в породу по мере ее оттаивания на расстоянии 2—2,5 м друг от друга. Продолжительность оттаивания 4—6 ч при расходе пара 24—27 кг на 1 м³ породы. Аналогично осуществляется оттаивание холодной и горячей водой. Оттаивание водой и паром (гидрооттаивание и парооттаивание) широко применяется при разработке многолетнемерзлых пород.

Сущность оттаивания поверхностным пожогом заключается в сжигании слоя угля, торфа или дров да поверхности мерзлых пород. Примерный расход топлива на 1 м³ породы составляет 30— 60 кг угля, 120—140 кг торфа и 0,14—0,17 м³ дров. Поверхностный пожог используется при оттаивании небольших объемов глины.

Гидравлические способы подготовки пород к выемке основаны на свойствах пород пропускать через себя воду и растворы. При этом ослабление прочности пород при просачивании воды проявляется в снижении сил сцепления отдельных частиц и вымывании скрепляющего их цемента. Гидравлическое разупрочнение используют при разработке плотных глин способом гидромеханизации.

4.3 Механическое разрушение массива горных пород Механическое рыхление пород обычно совмещается с их выемкой. В качестве рыхлителя в этом случае могут использоваться экскаваторы, скреперы, бульдозеры и др. Применяется также предварительное рыхление плотных и крепких пород специальными рыхлителями.

Для подготовки к экскавации плотных, смерзшихся и полускальных горных пород к выемке используются различные средства механического разрушения: ковш экскаватора, фреза выемочно-погрузочного комбайна, специальный струг и тракторный рыхлитель.

Механический способ рыхления эффективнее буровзрывного благодаря своей простоте, высокой производительности, низкой себестоимости и большей безопасности работ.

Наиболее распространено рыхление тракторными рыхлителями. Такой рыхлитель представляет собой мощный гусеничный трактор, оборудованный устройством в виде зубьев, число которых может быть от одного до пяти. Усилие на острие зуба достигает 250 кН. Во время движения зубья заглубляются в массив при помощи гидравлической системы до 2 м. Рыхление производится слоями на горизонтальной или наклонной (до 20°) поверхности. Длина участка рыхления составляет 100—300 м. Разрыхленная горная масса затем штабелируется специальным бульдозером или этим же рыхлителем, оборудованным отвалом.

Из штабеля погрузчиком или экскаватором горная масса грузится в средства транспорта.

Крупность кусков разрыхленной горной массы зависит от трещиноватости массива и расстояния между зубьями рыхлителя.

Разрушение монолитного массива рыхлителем происходит в основном за счет преодоления сопротивления растяжению, а в трещиноватых породах — сцеплению по контакту структурных блоков и поэтому он наименее энергоемкий.

Разрушение массива производится параллельными смежными проходами рыхлителя. Расстояние между двумя смежными проходами выбирается из условия обеспечения требуемого максимального размера куска и глубины разрушения массива. При параллельных проходах рыхлителя между двумя смежными бороздами в их нижней части образуются целики, которые затрудняют выемку на полную глубину внедрения зубьев. Разрушение этих целиков производится перекрестными проходами рыхлителя. Расстояние между перекрестными проходами увеличивается на 20—50% по сравнению с продольными.

Область применения и эффективность механического разрушения зависит от его свойств, а именно прочности и трещиноватости, которое принято оценивать акустическим показателем трещиноватости.

Чем больше этот показатель, тем выше рыхлимость массива (таблица 4.1). В производственных условиях приборами замеряются или эти два показателя, или один — скорость распространения ультразвука в массиве на базовом расстоянии от 5 до 50 м и затем по (таблица 4.2) определяют величину заглубления зуба рыхлителя.

Для увеличения эффективности механического рыхления возможно применение предварительного взрывания массива на сотрясение.

Таблица 4.1-Рыхлимость массива

Таблица 4.2- Величина заглубления зуба рыхлителя

4.4 Методы взрывного разрушения массива на карьерах Сущность взрывного способа подготовки пород к выемке состоит в отделении пород от массива и дроблении их до заданной крупности. Он нашел преобладающее применение при подготовке полускальных пород и является единственным способом при подготовке скальных пород.

Развитие взрывных работ на карьерах происходило в зависимости от совершенствования средств взрывания и проходки полостей для размещения взрывчатого вещества в массиве.

В настоящее время расчет параметров взрывного рыхления базируется на пропорциональной зависимости разрушенного объема определенной горной породы от массы заряда взрывчатого вещества. Свойства массива в этом расчете учитываются через удельный расход взрывчатого вещества. Его величина устанавливается расчетом или экспериментально.

Метод шпуровых зарядов характеризуется удлиненными разрядами в шпурах. Применяется: при мощности пласта полезного ископаемого до 6 м.; при селективной добыче, когда мощность отдельных пластов невелика; при разработке ценных полезных ископаемых, когда необходимо сохранить их структуру или избежать дробления.

Метод наружных зарядов (накладных зарядов) характеризуется применением зарядов, приложенных к разрушаемому объекту. Применяется: при дроблении негабаритных камней на открытых разработках. Широкого распространения не имеет из-за высокого расхода ВВ.

Метод камерных зарядов. характеризуется применением сосредоточенных зарядов величиной от нескольких тонн до нескольких тысяч тонн, размещаемых в специально пройденных выработках — камерах. Применяется: при рыхлении больших масс породы на карьерах строительных материалов и при строительных работах.

Метод мало камерных зарядов (метод рукавов) заключается в применении небольших сосредоточенных зарядов ВВ, размещяемых в конечной части рукавов. Применяется на открытых разработках при высоте уступа не более 8 м; глубина рукавов не должна превышать 5 м. Широкого распространения метод не получил.

Метод котловых зарядов. Применение средств механизации для бурения шпуров и скважин на карьерах позволяет более равномерно размешать взрывчатое вещество в массиве. При необходимости размещения увеличенного количества взрывчатого вещества обычно в нижней части уступа без увеличения диаметра скважины применяется метод котловых зарядов. Сущность его заключается в том, что часть пробуренного шпура или скважины, обычно у основания, расширяется (простреливается) с помощью взрывов малых зарядов взрывчатого вещества или прожигается при термическом бурении. В образующейся полости размешается основной заряд взрывчатого вещества. Патрон-боевик помещается внутри заряда. Этот метод позволяет более равномерно размещать взрывчатое вещество в массиве по сравнению с методом камерных зарядов. Однако он обладает рядом существенных недостатков, а именно трудность расчета и управления образованием котла, нарушение естественного состояния массива и образование в нем трещин в результате прострелки, большой объем немеханизированного труда.

При использовании технологии образования котла термобуром эти недостатки исключаются, напротив, появляются преимущества, заключающиеся в появлении возможности использования скважин меньшего диаметра, а следовательно, затрат на бурение.

Метод скваженных зарядов. В настоящее время имеются эффективные и разнообразные средства для бурения скважин на карьерах в любых породах. Изменяя диаметр скважин, число рядов, угол наклона, можно более равномерно распределить взрывчатые вещества в массиве. Возможность расчета и контроля практически каждого параметра скважинных зарядов позволяет управлять взрывом с учетом получения необходимого состава горной массы по крупности, требуемых параметров развала и степени разрыхления. Метод характеризуется удлиненными зарядами, размещаемыми в скважинах диаметром 75 — 300 мм. Применяется на открытых разработках при высоте уступа более 6 м. Сущность метода скважинных рядов заключается в размещении взрывчатого вещества в наклонных или вертикальных скважинах с забойкой верхней части инертными материалами из песка, буровой мелочи или забоечного материала специального состава. Скважины располагаются в один или несколько рядов параллельно верхней бровке уступа и размещаются друг от друга на расчетном расстоянии по прямоугольной сетке или в шахматном порядке. Расстояние от первого ряда скважин до верхней бровки уступа © должно обеспечивать безопасность размещения бурового станка на уступе и рабочих по заряжанию скважин. Расстояние между скважинами выбирается таким образом, чтобы разрушения в массиве от каждой скважины перекрывали друг друга, не образуя «порогов» в основании уступа (рисунок 4.1).

Рисунок 4.1- Зоны действия скваженного заряда в поперечном (а) и продольном (б) сечениях: с — безопасное расстояние первого ряда скважин от верхней бровки уступа; h — высота уступа Патрон-боевик в каждой скважине располагается на уровне подошвы уступа (рисунок 4.2). Это обеспечивает совпадение направления детонации заряда взрывчатого вещества и направления разрушения массива, а также лучшую проработку подошвы.

Заряд в скважине может быть сплошным (рисунок 4.3) и рассредоточенным по высоте воздушным промежутком или инертным материалом. Рассредоточение заряда позволяет увеличить эффективность использования взрывчатого вещества для дробления за счет более равномерного распределения взрывчатого вещества в массиве и интерференции взрывных волн от отдельных частей заряда.

Рисунок 4.2- Расположение патрона-боевика в заряде скважины: 1 — патрон-боевик; 2- заряд взрывчатого вещества Рисунок 4.3- Конструкция скваженного сплошного заряда:

h" - высота развала; l_р — ширина развала Взрывной блок при однорядном расположении скважин взрывается мгновенно или с интервалом через скважину, при многорядном — с интервалом между сериями, которые конструируются в зависимости от выбираемого способа формирования развала. Объем одновременно взрываемого блока принимается в зависимости от режима взрывных работ на карьере (один раз в смену, сутки, неделю и месяц) и производительности экскаватора в забое.