Вскрытие месторождений при открытом способе добычи

Непосредственной целью вскрытия карьерного поля является установление грузотранспортной связи между рабочими горизонтами карьера и техническими сооружениями на поверхности или в его контурах. Карьерное поле считается вскрытым, если все его рабочие горизонты (вскрышные и добычные) обеспечены грузотранспортной связью с соответствующими техническими сооружениями.

Грузотранспортная связь рабочего горизонта с соответствующим техническим сооружением считается установленной (рабочий горизонт вскрыт), если обеспечена возможность для перемещения горной массы с отметки рабочего горизонта до отметки технического сооружения.

Вскрытие рабочих горизонтов с использованием современных видов карьерного транспорта (железнодорожного, автомобильного и конвейерного) требует проведения специальных наклонных вскрывающих горных выработок. Параметры этих выработок должны соответствовать техническим возможностям карьерного транспорта, учитывать интенсивность его движения и физико-механические свойства вмещающих пород.

По отношению к фронту работ уступа вскрывающие выработки могут иметь фланговое или центральное заложение.

При колесном карьерном транспорте и наличии одной вскрывающей выработки, обслуживающей данный горизонт, в пределах фронта уступа имеет место возвратное движение транспорта. Вскрывающая выработка в этом случае обеспечивает подачу на рабочий горизонт порожних транспортных средств и выдачу груза. Такой фронт работ на уступе называется тупиковым. Он нашел наибольшее применение при железнодорожном транспорте.

В случае обслуживания транспортного горизонта двумя вскрывающими выработками имеется возможность организации движения как возвратного, так и поточного движения транспорта в пределах фронта работ уступа. В этом случае одна вскрывающая выработка служит для подачи порожних транспортных средств, а вторая – для выдачи грузов. Такой фронт работ на уступе называется сквозным. Сквозной фронт работ с поточным движением транспорта обеспечивает более интенсивное использование оборудования, но требует дополнительных средств для строительства и эксплуатации дополнительной вскрывающей выработки.

Для вскрытия рабочих горизонтов применяются открытые и подземные горные выработки (последние значительно реже).

Открытые горные выработки, их назначение и параметры

Открытые горные выработки, используемые для вскрытия рабочих горизонтов, называются капитальными траншеями. Открытые горные выработки, предназначенные для подготовки вскрытого горизонта к разработке, называются разрезными траншеями.

Основными параметрами капитальной траншеи является ширина В_к.т ее подошвы, глубина Н_к.т, продольный уклон I_к.т, угол откоса бортов , длина L_к.т в плане и строительный объем V_к.т.

Ширина основания капитальной траншеи определяется либо видом карьерного транспорта, либо способом ее проведения. Минимальная ширина основания капитальной траншеи должна быть не менее суммы поперечного размера транспортных средств, безопасных зазоров между ними, поперечного размера площадок, кюветов и других элементов транспортной коммуникации. Она должна обеспечивать возможность проведения траншеи при принятой технологической схеме и используемом оборудовании. В зависимости от продольного уклона капитальные траншеи делятся на наклонные и крутые.

Разрезные траншеи – горизонтальные выработки редко с продольным уклоном 5-10 ^о/_оо для стока воды с рабочего горизонта к границе карьера. Разрезные траншеи проводятся на каждом рабочем горизонте, что создает первоначальный фронт работ и обеспечивает подготовку горизонта к разработке. Разработка уступа начинается с разноса одного или обоих бортов разрезной траншеи. Поэтому разрезная траншея - это временная горная выработка. Она существует только до начала разработки уступа. Разрезная траншея является продолжением капитальной траншеи, вскрывающим данный рабочий горизонт, и всегда проводится внутри контура карьера. При разработке крутых месторождений разрезные траншеи проводятся обычно в направлении, параллельном простиранию залежи. Глубина и длина разрезной траншеи, как правило, соответствуют длине и высоте подготавливаемого к разработке уступа. Ширина основания разрезной траншеи определяется из условия нормального размещения горного и транспортного оборудования при выемке первой заходки после проведения траншеи. Угол откоса ее бортов принимается равным углу откоса рабочих уступов в соответствии с физико-механическими свойствами пород.

Системы капитальных траншей

Совокупность капитальных траншей, обеспечивающая вскрытие всех рабочих горизонтов карьера, называется системой капитальных траншей. В зависимости от пространственного расположения капитальных траншей, входящих в систему, и наличия технологических связей между ними различают системы отдельных, общих и групповых капитальных траншей при различном их заложении.

В случае вскрытия карьерного поля системой отдельных капитальных траншей каждый рабочий горизонт карьера вскрыт отдельной капитальной траншеей, не имеющей связи с другими капитальными траншеями системы. Грузопотоки в этом случае рассредоточены.

При вскрытии карьерного поля системой общих капитальных траншей грузопотоки либо сосредоточены по направлению при внешнем заложении траншеи, либо по направлению и транспортным коммуникациям при внутреннем заложении траншеи.

Характерным признаком общности системы капитальных траншей является общее поперечное сечение траншей ступенчатой формы. Характерным признаком общности системы траншей при их внутреннем заложении является сосредоточение грузопотоков со всех лежащих ниже горизонтов в капитальной траншее лежащего выше горизонта.

При вскрытии карьерного поля системой групповых капитальных траншей все уступы карьера разбиты на несколько групп по качественному или иному признаку (группа вскрышных уступов и группа добычных уступов). Каждая группа вскрывается своей общей капитальной траншеей. Общие траншеи, вскрывающие группу уступов, между собой не связаны. Вскрытие карьерного поля системой групповых капитальных траншей соединяет признаки вскрытия отдельными и общими капитальными траншеями и занимает между ними промежуточное положение.

Классификация способов вскрытия

Большая роль в создании теоретических основ вскрытия карьерных полей принадлежит проф. Е.Ф.Шешко.

Как уже отмечалось, в большинстве случаев для вскрытия рабочих горизонтов наличие специальных горных выработок является обязательным. Проведение их обязательно при использовании наземных видов карьерного транспорта. перемещение горной массы в рабочих органах горных машин исключает необходимость проведения вскрывающих выработок на верхнем и нижнем уступах, а также при разработке месторождений с помощью кабельных кранов или другого аналогичного оборудования. учитывая это, Е.Ф.Шешко исходил при построении классификации из наличия, числа, назначения капитальных горных выработок как транспортных коммуникаций (табл. 8.1).

Таблица 8.1 – Классификация способов вскрытия

Способ вскрытия	Сущность способа вскрытия
I. Отдельными траншеями	Каждый уступ вскрыт независимой траншеей
II. Групповыми траншеями	Группы уступов вскрыты независимыми траншеями. Разные группы уступов вскрыты независимо друг от друга.
III. Общими траншеями	Все уступы вскрыты общей траншеей
IV. Парными траншеями	Каждый уступ, группа уступов или все уступы вскрыты двумя траншеями (или отдельными, или групповыми, или общими)
V. Бестраншейное вскрытие	Уступы вскрыты без проведения капитальных траншей
VI. Подземными выработками	Уступы вскрыты подземными выработками
VII. Комбинированное вскрытие	Уступы вскрыты двумя или несколькими способами

Капитальные горные выработки могут предназначаться для перемещения транспортных средств одновременно с грузом и без груза, только с грузом, только без груза. Фактическому назначению выработки должны соответствовать размеры ее поперечного сечения и продольный уклон.

Рост числа уступов карьера с увеличением его глубины ведет к возрастанию числа капитальных траншей и их объема. Поэтому системы отдельных и групповых капитальных траншей, имеющие наибольший объем, применяются при вскрытии месторождений небольшой и средней глубины. Для вскрытия глубоких месторождений применяются системы общих капитальных траншей, а в отдельных случаях подземные горные выработки.

Трасса капитальных траншей

Трассой капитальных траншей называется их продольная ось. В зависимости от положения трассы относительно конечного контура карьера различают трассы внешние, внутренние и смешанные. В последнем случае верхние уступы карьера вскрыты траншеями внешнего заложения, а нижние – траншеями внутреннего заложения.

По сроку службы различают трассы стационарные (трассы траншей внешнего заложения и траншей внутреннего заложения, расположенных на нерабочем борту карьеров) и временные (трассы скользящих съездов).

Основными параметрами трассы являются ее подъем, глубина заложения (разность высотных отметок начала и конца трассы), минимальный радиус криволинейных участков, теоретическая и действительная глубина трассы, число и конструкция пунктов примыкания наклонных участков к горизонтальным.

Пространственное положение трассы характеризуется ее продольным профилем (проекция оси капитальных траншей на вертикальную плоскость) и планом пути (проекция оси капитальных траншей на горизонтальную плоскость). Продольный профиль трассы включает горизонтальные и наклонные участки, а также участки сопряжения между ними. Важным элементом продольного профиля трассы является конструкция пункта примыкания наклонных участков к рабочим горизонтам. Различие возможных вариантов примыкания определяется условиями трогания транспортных средств при их вынужденной остановке. В соответствии с этим различают примыкание на руководящем подъеме, смягченном подъеме, на горизонтальных площадках.

В случае примыкания на руководящем подъеме остановка транспортных средств происходит непосредственно на участке с руководящим подъемом. В силу этого удельная сила сопротивления движению в момент трогания значительно превышает аналогичную силу при равномерном движении по руководящему подъему. При таком профиле трассы требуется увеличение мощности локомотива на 10 – 50%. Однако в этом случае обеспечиваются минимальная длина трассы и минимальный объем системы капитальных траншей.

Выбор способа вскрытия карьерного поля

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 обеспечивать минимальные затраты на транспортирование вскрыши и полезного ископаемого, минимальный объем горно-капитальных работ и рациональное распределение объемов вскрышных работ 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 (до 10^о) месторождения является их незначительная глубина и большие 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. Остальные 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 карьера (4 – 8 уступов), однако в этом случае капитальные траншеи имеют внутренне или смешанное заложение (верхние 2 – 3 уступа вскрывают траншеями внешнего заложения).

Вскрытие системой групповых капитальных траншей в основном применяют при 4 – 6 уступах. Одна группа рабочих траншей обычно обслуживает вскрышные уступы, а вторая – добычные уступы, 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 широк применяют бестраншейное вскрытие вскрышных уступов. Вскрытие горизонтальных и пологих месторождений осуществляется комбинированным способом (бестраншейное вскрытие вскрышных уступов или их части и траншейное вскрытие обычного уступа).

Характерной особенностью карьеров, разрабатывающих крутонаклонные и крутые месторождения глубинного типа является 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 на фабрику), 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 значению 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 более 35^о) 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 применяется тупиковая (при железнодорожном транспорте) и петлевая (при автотранспорте) форма 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 противном случае капитальную траншею необходимо располагать под некоторым углом к борту карьера

, град. (8.1)

где β - угол откоса борта карьера, град;

I – допустимый угол подъема крутой траншеи, град.

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 балками, оврагами, ручьями и др.). В качестве вскрывающих подземных горных выработок могут применяться вертикальные и наклонные стволы, рудоспуски, штольни, квершлаги.

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).