СПОСОБ УГЛУБКИ КАРЬЕРА ПРИ РАЗРАБОТКЕ КРУТОПАДАЮЩИХ РУДНЫХ ТЕЛ Российский патент 1997 года по МПК E21C41/26 

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при доработке месторождений с крутопадающим рудным телом открытым способом при выемке законтурных запасов под дном карьера и в его бортах.

Известен способ обработки крутопадающих залежей, при котором добычу руды под проектным дном карьера и в его бортах ведут, изменив границы карьера за счет уточнения размеров элементарных структурных блоков породного массива с глубиной карьера и перерасчета устойчивого угла погашения борта, а также глубины карьера, используя средние размеры элементарных структурных блоков и соответствующие им сцепления в массиве. Формируется устойчивый борт карьеры отрезными щелями путем бурения вертикальных скважин [1]
Недостатком этого способа является то, что не учитывается постепенное увеличение прочности в куске с ростом глубины карьера, которая вместе с увеличением размеров элементарного структурного блока является основным показателем при перерасчете устойчивого угла борта карьера, при этом в расчетах используется среднее значение величины элементарного структурного блока в породном массиве, что справедливо для случая переслаивания пород, а также не учитывается устойчивый угол погашения по лежачему блоку залежки, тогда как естественный угол падения залежи рудного тела по глубине могут существенно изменяться, при этом даже незначительное изменение угла погашения по лежачему боку ведет к изменению величины углубки и объема извлекаемой руды при обязательном сохранении запаса устойчивости, а также формирование отрезных щелей вертикальными скважинами не всегда согласуется с углом заоткоски.

Известен способ обработки крутопадающих залежей очередями, при котором на каждом этапе углубки карьера производится разнос его бортов, при этом углы их погашения на каждом последующем этапе принимаются более пологими по сравнению с предыдущим [2]
Недостатком этого способа является увеличение граничного коэффициента вскрыши от этапа к этапу и снижение производительности в период начала и завершения отработки каждого этапа.

Достигается это тем, что способ углубки карьера при разработке крутопадающих рудных тел, включающий погоризонтную выемку вксрышных пород и полезного ископаемого с применением буровзрывных работ и метода предварительного щелеобразования при постановке бортов в предельное положение, отличается тем, что руду, расположенную за проектным контуром карьера, под его дном и в бортах, на последнем этапе отработки извлекают за счет изменения параметров нижней части карьера, для чего уточняют размер элементарных структурных блоков и прочности сцепления породного массива, слагающего висячий бок рудной залежи и торцевые части от дневной поверхности до достигнутой на данный момент глубины карьера по формулам

и

где
размер элементарного структурного блока на глубине карьера H_i;
l₀ размер структурного блока на глубине, превышающей мощность зоны разгрузки (H > 500 м);
exp (-c•H_i) экспонента;
b и c эмпирические коэффициенты, полученные экспериментально, соответственно 0,7 0,9 и 0,004 0,008;
H_i рассматриваемая глубина карьера;
a и d эмпирические коэффициенты, характеризующие изменение сцепления в интервалах глубин, полученные экспериментально и изменяющиеся соответственно в пределах: 0,44 0,54 и 0,0014 0,0021
Затем задаются величиной шага углубки карьера, причем его величина углубки должна быть кратная, но не менее принятой высоты рабочего уступа, и количеством расчетных шагов, после чего определяют значение сцепления породы и размер элементарного структурного блока в соответствии с каждым шагом увеличения глубины карьера и находят соответствующие значения устойчивых углов погашения борта, затем задаются высотой погашенного вышележащего участка борта карьера и определяют максимальную величину углубки карьера и угол наклона борта в его нижней части по формулам
,
где
H_p и H_n расчетная и проектным глубины карьера;
H_j высота борта, погашенного под проектным углом,
h_ш величина шага углубки;
x количество шагов углубки;
ΔH приращение величины углубки к проектной глубине;
β угол падения залежки;
a_p и α_п - расчетный и проектный углы погашения борта по устойчивости; затем определяют новые границы контура карьера, после чего дорабатывают карьер с постановкой бортов в предельное устойчивое положение, с учетом выбранной технологии формируют борта отрезными щелями, которые создают бурение скважин под углом, равным устойчивому углу заоткоски, но не менее угла наклона слоистости по лежачему боку рудной залежи и не более 90^o по висячему блоку.

На чертеже представлены: крутопадающая залежь; висячий и лежачий бок залежи; угол погашения висячего бока залежи; шаг углубки; расчетная и проектная глубины карьера; интервал глубины карьера между выбранной высотой погашенного борта с проектным углом постановки в предельное положение и дальнейшей максимальной углубкой карьера; приращение величины углубки к проектной глубине; угол падения залежи; расчетный и проектный углы погашения борта по условиям устойчивости.

Для многих рудных месторождений с крутопадающими залежами 1 характерна закономерность увеличения структурных блоков с ростом глубины отработки и карьеров, полученная теоретическими методами и подтвержденная экспериментальными данными с достаточной для практического применения точностью. Использование этой закономерности позволяет увеличить угол погашения борта карьера 2 со стороны висячего бока залежи 3 по сравнению с принятым в проекте 4. Для чего предлагается следующая технологическая последовательность выполнения способа углубки карьера при разработке крутопадающих рудных тел.

От дневной поверхности до глубины карьера, достигнутой на данный момент 5, сверху вниз для каждого уступа или группы уступов уточняем размеры элементарных структурных блоков, а также прочность (сцепление) породного массива, слагающего уступ по формуле 1 и 2.

По полученным показателям определяем закономерность увеличения их от дневной поверхности до достигнутой глубины карьера на данный момент 5 и определяем расчетный устойчивый угол погашения данного участка борта.

Сравниваем расчетные показатели с проектными и определяем диапазон, в пределах которого может быть увеличен угол погашения борта с обеспечением его устойчивости.

От достигнутой глубины карьера 5 задаемся шагом его углубки 6, величина которого должна быть кратна высоте рабочего уступа или группы уступов, сложенных однородными горными породами. Величина шага углубки карьера 6 от достигнутой глубины карьера 5 до расчетной (максимальной) глубины карьера 7 может изменяться при соблюдении условия кратности величине высоты рабочего уступа.

Исходя из опыта отработки месторождений аналогов априорно задаемся количеством шагом, при этом возможны несколько вариантов на данном этапе перерасчета.

По формулам 1 и 2 последовательно с увеличением глубины карьера до максимальной 7 определяем для каждого шага углубки 6 величину сцепления породы и величину элементарного структурного блока.

Соответственно каждому шагу углубки 6 по определенным величинам сцепления породы и размера элементарного структурного блока согласно "Методическим указаниям по определению углов наклона бортов и откосов уступов и отвалов строящихся и эксплуатируемых карьеров" находим величину коэффициента структурного ослабления и величину сцепления в массе, после чего по графику плоских откосов находим устойчивые углы наклона висячего борта для каждого значения 7, начиная от достигнутой глубины 5 до его предлагаемого дна 7.

На основе анализа отработки месторождений аналогов задаем варианты высоты погашенного участка борта 8.

Зная величину проектной глубины карьера 9, угол падения залежи 10, а также расчетный 2 и проектный 4 углы погашения бортов, по формуле 4 определяем величину углубки 11.

Определив величину углубки карьера 11 и зная величину проектной глубины 9, находим по формуле 3 величину максимальной глубины карьера 7.

Найдя максимальную глубину карьера 7 и зная величину высоты погашенного борта 8 с проектным углом постановки в предельное положение 4, находим интервал глубины карьера 12 от нижней границы погашенного борта до дна карьера при его расчетной (максимальной) глубине 7.

Угол погашения участка борта карьера 13 между погашенной под проектным углом частью борта 8 и дальнейшей максимальной углубкой карьера с новым расчетным углом 13 постановки борта в предельное положение определяется по формуле 5.

Зная глубину карьера 8, при которой борт поставлен в предельное положение с проектным углом 4, а также величину углубки карьера 12 с расчетным устойчивым углом 13 постановки в предельное положение этого участка бортах 12, изменяем границы контура карьера, соответственно, на геологических разрезах с подсчетом прироста объемов добычи полезных ископаемых, на горизонтных платах и другой технической документации.

Пример: Расчет углов погашения Центрального карьера Ждановского рудника по висячему боку был произведен исходя из следующих величин: C_к 20 МПа, Φ 36^o, g 0,03 МН/м³. Величина коэффициента запаса была рассчитана в соответствии с "Методическими указаниями по определению углов наклона бортов и откосов уступов и отвалов строящихся и эксплуатируемых карьеров" Л: ВНИИМИ, 1972, согласно которым было принято a 6,0; l 0,4 м и к' c' 0. Для максимальной проектной глубины карьера H 350 м.

a сцепление в массиве C_м 48 тс/м².

После введения нормативного коэффициента запаса n 1,30 в сцепление и угол трения массива был рассчитан предельный (по устойчивости) угол погашения висячего борта α_б = 43^°.
Для условий Ждановского месторождения (согласно Зотеев В.Г. Теоретические основы обеспечения устойчивости и формирования скальных откосов глубоких карьеров. Свердловск: ИГД Минчермета СССР 1981) значение коэффициентов в формуле 1 следует принимать равными: l₀ 1,4; b 0,90 и c 0,0048, а в формуле 2: C₀ 30 МПа; a 0,50 и d 0,002.

Значение λ и C_n, вычисленные для разных глубин карьера (H_p), и их сопоставление со значениями, рассчитанными по "методическим указаниям." приведены в таблице. В ней также даны значения углов погашения борта со стороны висячего бока, вычисленные с нормативным коэффициентом запаса n 1,30.

Так как расчетные значения a_p в диапазоне глубин 250 500 м на 6 - 7^o выше проектных, то углубка карьера без разноски внешнего контура возможна.

При угле падения залежки β 50^o, проектной глубине карьера H_n 350 м, a_п 43^o расчетный угол погашения борта (α_p) равен 50^o.

Приняв согласно таблице H_p 400 м и α_p 48^o, из (4) найдем
.

В настоящее время борт погашен до глубины H_j 300 м. Если переоконтуривание борта по висячему боку начать с H_j 300 м при шаге углубки (высоте уступа) h_ш 30 м, то из (3) при H_max = H_п + ΔH = 390 м найдем число шагов углубки
.

Угол погашения борта на участке глубин 300 390 м (α_н) определяется с использованием формулы (4).

,
откуда α_н 64^o.

При углах заоткоски уступов α_у 75^o ширина берм между уступами будет равна 9 м. В границах нового контура карьера висячий борт формируют отрезными щелями под углом, равным устойчивому углу заоткоски, но не более 90^o.

При этом исходя из устойчивого угла нижней части борта 13 принимается решение о высоте уступа на предельном контуре, формируемой за счет создания единого откоса для нескольких рабочих уступов.

Со стороны лежачего бока, где угол заоткоски уступов не может превышать угла падения залежи 10, угол погашения борта увеличивается до значения 10 за счет ликвидации берм с высотой погашения уступа до 60 м и более за счет объединения рабочих уступов в единый откос.

С учетом выбранной технологии дорабатывают месторождение полезных ископаемых.

Способ углубки карьера при разработке крутопадающих рудных тел заключается в погоризонтной выемке вскрышных пород и полезного ископаемого с применением буровзрывных работ и метода предварительного щелеобразования при постановке бортов в предельное положение. В процессе углубки руду, расположенную за проектным контуром карьера, под его дном и в бортах, на последнем этапе отработки извлекают за счет изменения параметров нижней части карьера. Указанное изменение производят в соответствии с каждым шагом увеличения глубины карьера и нахождения соответствующих значений устойчивых углов погашения борта. После определения новых границ контура карьера производят доработку карьера с постановкой бортов в предельное устойчивое положение. Доработку производят с учетом выбранной технологии путем формирования борта отрезными щелями, которые создают бурением скважин под углом, равным устойчивому углу заоткоски, но не менее угла наклона слоистости по лежачему боку рудной залежи и не более 90 градусов по висячему боку, 1 табл. 1 ил.

Способ углубки карьера при разработке крутопадающих рудных, включающий погоризонтную выемку вскрышных пород и полезного ископаемого применением буровзрывных работ и метода предварительного щелеобразования при постановке бортов в предельное положение, извлечение руды, расположенной за проектным контуром карьера под его дном и в бортах, на последнем этапе отработки за счет изменения параметров нижней части карьера, путем уточнения изменения размеров элементарных структурных блоков породного массива, слагающего висячий бок рудной залежи и торцевые части, от дневной поверхности до достигнутой на данный момент глубины карьера по формуле

где размер элементарного структурного блока на i глубине карьера;
l₀ размер структурного блока на глубине, превышающей мощность зоны разгрузки (H > 500 м);
exp (-c • H_i) экспонента;
b и c эмпирические коэффициенты, полученные экспериментально, соответственно 0,7 0,9 и 0,004 0,008;
H_i рассматриваемая глубина карьера,
отличающийся тем, что дополнительно определяют величину прочности сцепления породного массива по формуле
C_H i C₀[1 a • exp(-d • H_i)]
где a и d эмпирические коэффициенты, характеризующие изменение сцепления в интервалах глубин от 0 до H, полученные экспериментально и изменяющиеся соответственно в пределах 0,44 0,54 и 0,0014 0,0021;
C_H i прочность сцепления элементарного структурного блока на i глубине карьера;
C₀ прочность сцепления элементарного структурного блока на глубине, превышающей мощность зоны разгрузки (H > 500 м),
затем задают величину шага углубки карьера, причем величина шага углубки должна быть кратная, но не менее принятой, высоте рабочего уступа и количеству расчетных шагов, после чего определяют сцепление породы и размер элементарного структурного блока в соответствии с каждым шагом увеличения глубины карьера и находят соответствующие значения устойчивых углов погашения борта, затем задаются высотой погашенного вышележащего участка борта карьера и определяют максимальную величину углубки карьера и угол погашения борта в его нижней части по формулам
H_max = H_p = H_j+X•h_ш= H_п+ΔH;


где H_р и H_п расчетная и проектная глубины карьера;
H_j глубина карьера между границей перехода от выбранной высоты погашенного борта с проектным углом постановки в предельное положение и дальнейшей максимальной углубкой карьера с новым расчетным углом постановки борта в предельное положение;
h_ш величина шага углубки;
X количество шагов углубки;
ΔH - приращение величины углубки к проектной глубине;
β - угол падения залежи;
α_p и α_п - расчетный и проектный углы погашения борта по устойчивости;
α_н - угол погашения борта в его нижней части,
затем определяют новые границы контура карьера, после чего дорабатывают карьер с постановкой бортов в предельное устойчивое положение, с учетом выбранной технологии формируют борта отрезными щелями, которые создают бурением скважин под углом, равным устойчивому углу заоткоски, но не менее угла наклона слоистости по лежачему боку рудной залежи и не более 90 ^o по висячему боку.