СПОСОБ ОТРАБОТКИ ГЛУБОКИХ КАРЬЕРОВ Российский патент 2003 года по МПК E21C41/26 

Изобретение относится к горной промышленности, а именно к открытой разработке месторождений кимберлитовых трубок глубокими карьерами, и создано применительно к сложным горнотехническим условиям разработки массивов многолетнемерзлых пород в экстремальных условиях Севера.

Уровень техники
Известен способ открытой разработки нагорных месторождений полезных ископаемых, включающий отработку горных пород уступами до граничных контуров с разделением борта карьера на верхнюю и нижнюю зоны и созданием опережения отработки горизонтов верхней зоны над горизонтами нижней зоны. При этом на нижней площадке верхней зоны карьера производят заглубление горных работ, а целик отрабатывают в направлении от граничных контуров карьера к фасаду после подхода фронта заглубления горных работ к нижней проектной отметки карьера [1].

Данный способ позволяет уменьшить вредное влияние горных работ на окружающую среду, но в условиях значительного притока подземных вод не обеспечивает улучшения условий эксплуатации горно-транспортного оборудования.

Известен также способ открытой разработки крутопадающих месторождений, включающий отработку горизонтов вскрышными и добычными уступами с углубкой карьера, отсыпку вскрышных пород в выработанное пространство ярусами в пределах контура карьера. Причем отработку карьера ведут двумя очередями, при которой после отработки горизонтов первой очереди и углубки карьера создают выработанное пространство второй очереди, изменяют направление подвигания фронта горных работ на противоположное и ведут отработку горизонтов второй очереди, причем при подходе фронта горных работ к ярусам внутреннего отвала первой очереди последний отрабатывают уступами совместно с вскрышными породами карьера второй очереди и переваливают их во внутренний отвал за подвиганием фронта горных работ второй очереди [2] (прототип).

Однако данный способ не позволяет улучшить условия эксплуатации горно-транспортного оборудования, особенно при отработке массивов многолетнемерзлых пород с глинистыми прослойками, т.к. изменение направления развития фронта горных работ без учета влияния сезонных колебаний температуры воздуха на свойства многолетнемерзлых пород может отрицательно повлиять на условия их эксплуатации. Данный фактор сильно проявляется в том случае, когда массив горных пород частично сложен из прослоев глинистых пород (мергели и т.д.), способных размягчаться в летнее время, т. к. оттаявшая на подошве уступов глинистая порода ухудшает дорожные условия транспорту, а следовательно, показатели использования оборудования в течение года.

Известен способ разработки крутопадающих месторождений при отработке глубоких горизонтов карьера, включающий размещение скальных пород на горизонтальной площадке внутри карьера за счет многократной перевалки вскрыши и поочередной смены подготовительных, отвальных и добычных зон по мере углубления карьера [3].

Недостатком данного способа является большая трудоемкость работ, связанная с многократной экскавацией, не приводящая к улучшению условий эксплуатации горно-транспортного оборудования, особенно в условиях разработки многолетнемерзлых пород в условиях резко континентального климата.

Известен также способ открытой разработки месторождений обводненных скальных пород, включающий отбойку пород скважинными зарядами с осуществлением дренажа воды через взорванную горную массу во флангах обводненных участков [4].

Однако такой способ имеет малую эффективность ввиду ограниченной области его применения, т.к. использование такого способа возможно только на локальных участках карьерного поля и не решает проблему в целом в более широких масштабах.

Известен также способ изоляции и крепления поверхности откосов полимерными материалами, набрызгбетонным покрытием и комбинированным набрызгбетонным покрытием (по металлической сетке с анкерами) при открытой разработке месторождений. Однако полимерные покрытия не нашли практического применения в связи с высокой стоимостью изоляции [5]. Торкрет-бетонное покрытие с течением времени разрушается дождем и осыпается. Более надежно и долговечно комбинированное шприц-бетонное покрытие [6]. Однако эффективность такого покрытия резко снижается в связи с оттаиванием многолетнемерзлых пород на поверхности откоса в летнее время и ее деформацией, а также интенсивным ржавлением металлической сетки. При этом разрушение набрызгбетонного покрытия в значительной мере обуславливается недостаточным адгезионным свойством его на поверхности бортов карьера и преждевременным отделением от массива с последующим раздроблением от перемещения щебня.

Известен способ теплоизоляции уступов при открытой разработке месторождений, включающий укладку полых водонепроницаемых матов на поверхность откоса и заполнение полости указанных матов быстротвердеющим карбомидным пенопластом [7].

Недостатком способа является значительные трудозатраты, обусловленные трудоемкостью выполнения работ по заполнению полостей матов быстротвердеющим карбомидным пенопластом, в целом, не технологичностью выполнения отдельных операций по созданию теплоизолирующего покрытия откосов высоких уступов.

Сущность изобретения
Цель изобретения - снижение затрат на разработку за счет уменьшения трудозатрат на отработку глубоких горизонтов и улучшения условий эксплуатации горно-транспортного оборудования.

Поставленная цель достигается тем, что в способе отработки глубоких карьеров, включающем отработку горных пород уступами до проектного контура, сооружение уступов погашения, отсыпку вскрышных пород в выработанное пространство в пределах контура карьера, толщу многолетнемерзлых пород разделяют на уступы с твердым и мягким основаниями, причем уступы с твердым основанием разрабатывают в летнее время, а с мягкими - в зимнее время, отработку обводненных горизонтов подмерзлотной зоны ведут с шаговой углубкой участков карьерного поля, доработку карьера осуществляют путем формирования целика между отрабатываемыми участками и проходят в нем тоннель для перепуска вскрышных пород при их складировании, а в целике и бортах карьера бурят скважины, которые продувают холодным воздухом для промораживания и обеспечения устойчивости талых пород подмерзлотной зоны.

В предлагаемом способе новыми признаками в сравнении с прототипом являются:
- применение нового принципа разделения толщи многолетнемерзлых пород на уступы с твердыми основаниями из скальных пород и мягкими основаниями из глинистых пород в зависимости от сезонности ведения горных работ;
- применение нового принципа осушения обводненных рудных и вскрышных блоков в процессе углубления карьера путем пошаговой углубки отдельных его участков в карьерном пространстве;
- использование для сооружения внутрикарьерных отвалов тоннелей, проводимых из одного участка карьерного поля к другой при пошаговой доработке карьера;
- применение замораживающей технологии доработки неустойчивой подмерзлотной зоны карьеров с помощью скважин путем закачивания в них холодного воздуха.

Все указанные новые признаки исключают недостатки существующих способов отработки глубоких карьеров в сложных горно-технических условиях и обеспечивают следующие усиленные новые положительные свойства:
- применение нового принципа разделения карьерного поля на рабочие уступы с учетом физико-механических свойств многолетнемерзлых пород, улучшает условия эксплуатации горно-транспортного оборудования в теплые периоды года, когда при традиционной технологии благодаря оттайке подошвы уступов, сложенных глинистыми породами, происходит заболачивание участков карьерного поля;
- шаговая углубка участков карьерного поля улучшает осушаемость подготавливаемых к выемке блоков горных пород, т.к. создает условия стока воды из обводненных блоков и сбора ее на другом заглубленном участке карьера;
- возрастает доля перевозок полезного груза автосамосвалами благодаря снижению обводненности разрабатываемых блоков горных пород при новой технологии;
- в целом снижает затраты на разработку месторождения созданием внутренних отвалов в период доработки кимберлитовых диатрем открытым способом;
- создает безопасные условия работ трудящимся и горно-транспортному оборудованию в период доработки карьеров в неустойчивой зоне глубоких горизонтов месторождений.

Способ поясняется чертежами. На фиг.1 схема разделения толщи многолетнемерзлых пород на уступы с учетом физико-механических свойств горных пород; на фиг.2 и 3 - положения горных работ при пошаговой углубке карьера; на фиг. 4 и 5 - схемы доработки карьера с внутренними отвалами и применением тоннелей; на фиг.6 - план карьера на конец его отработки.

Способ осуществляется следующим образом.

Массив горных пород, отрабатываемый карьером 1, сложен скальными 2 и мягкими глинистыми 3 породами. При отработке кимберлитовой диатремы 4 внутри контура карьера весь массив разделяют на уступы. Причем подошвы нарезаемых и отрабатываемых в летний период горизонтов 5 и 6 приурочивают к скальным породам 2, а подошвы горизонтов 7 и 8, отрабатываемых в зимний период, - к мягким породам 3. Такой порядок отработки горизонтов ведут до границы многолетнемерзлых пород 9. После достижения горными работами границы мерзлоты 9 дальнейшую отработку месторождения в криолитозоне ведут с пошаговой углубкой участков карьера, при которой вначале углубляют западный участок карьерного поля до положения 10, а затем горные работы переносят на уступы 11 восточного участка до достижения горными работами положения 12. В дальнейшем весь цикл углубки горных работ повторяют, а горные работы достигают конечной глубины 13 на западном участке карьера. В этот период между западным и восточным участками карьерного поля проходят тоннель 14, вскрышные породы восточного участка карьера через тоннель транспортируют в выработанное пространство западного участка карьера, создавая отвал 15. В момент завершения отсыпки внутреннего отвала 15 горные работы на восточном участке карьерного поля достигают дна 13. Для увеличения устойчивости борта при его формировании в породах криолитозоны пробуривают наклонные скважины 16, в которые с целью замораживания горных пород закачивают охлажденный воздух. Транспортирование горных пород из глубоких горизонтов на дневную поверхность осуществляют автосамосвалами по спиральным съездам 17 на поверхность.

Пример конкретного выполнения способа
С целью полного раскрытия технической сущности и преимуществ предлагаемого изобретения, применительно к разработке глубокозалегающих кимберлитовых диатрем в условиях притока подмерзлотных агрессивных рассолов приведен пример, где исходные горно-технические и горно-геологические параметры карьера приняты следующими: угол откоса борта карьера - 42; глубина карьера - 600 м; диаметр западного рудного тела - 200 м; диаметр восточного рудного тела - 250 м; тип применяемого погрузочного оборудования - ЭКГ-8; автосамосвалы - БелАЗ-548 (40 т); высота рабочего уступа - 15 м; вмещающие скальные вскрышные породы - известняки, алевролиты; вмещающие глинистые породы - мергели.

1. Обоснование параметров внутреннего отвалообразования
Величина шага углубки Δh при пошаговой отработке карьерного поля установлена с учетом обеспечения планируемых объемов добычи руды, параметров рабочей зоны карьера, размеров рудных тел и составила 45 м.

Тогда объемы удаляемых вскрышных пород из восточного рудного тела и размещаемых в выработанное пространство западного рудного тела равны:

где S'_В - площадь карьера по восточному рудному телу на высоте Δh от его дна, м;
S'_H - площадь дна карьера по восточному рудному телу, м².

Высота отвала вскрышных пород, создаваемого на западном рудном теле с учетом коэффициента разрыхления пород, равного 1,3, составит

где S''_Н - площадь дна карьера по западному рудному телу, м²;
S''_B - площадь карьера по западному рудному телу на высоте h_о от его дна, м².

Откуда h_о равно

На высоте h_o от дна карьера проходится тоннель от восточного рудного тела на западное. Длина тоннеля L_T равна:
L_T=L_PT-[0,5•(d_з+d_в)+2•h₀•ctgγ,
где L_T - расстояние от центра западного рудного тела до центра восточного рудного тела, м;
d_з, d_в - соответственно диаметры западного и восточного рудных тел, м;
γ - угол откоса борта карьера, м.

L_T=500-[0,5•(200+250)+2•40•ctg42^o]=200 м
При сечении тоннеля, равном 17 м•4,3 м, обеспечивающем двухполосное движение автосамосвалов БелАЗ-548, объемы вскрышных работ для сооружения тоннеля равны:
V_Т=200•17•4,3=14620 м³
Расстояние транспортирования вскрышных пород автосамосвалами до внешних отвалов L_тр.а. составит:
L_тр.а.=L_з+L_б+L_от, (4)
где L_з - расстояние транспортирования по забойным дорогам (L_з=0,6•d), м;
L_б - расстояние транспортирования по борту карьера

где i - уклон спиральных съездов, %;
L_от - расстояние транспортирования от устья въездной траншеи до отвалов (L_от=1 км), м.

Расстояние транспортирования до внутренних отвалов L_тр.вн.,
L_тр.вн.=L_з+L_б+L_т+L_от (5)

Экономия тоннокилометров за счет создания внутренних отвалов ∑L_ТКМ составит:
∑L_ТКМ=7,15•993570•2,5-0,85•993570•2,5 =17760064-2111336=15,65 млн.ткм
2. Обоснование устойчивости бортов карьера при применении замораживающей технологии
В связных горных породах существует высота, до которой можно строить вертикальные стенки при сохранении их устойчивости, так называемая предельная высота Н₉₀. При увеличении высоты откоса для сохранения устойчивости необходимо уменьшать угол откоса. При этом в массиве возникают поверхности, где суммы сдвигающих и удерживающих сил равны. Наиболее слабая поверхность, при которой соблюдается равновесие, называется поверхностью скольжения. Вводится коэффициент запаса устойчивости (Арсентьев А.И., Букин И.Ю., Мироненко В.А. Устойчивость бортов и осушение карьеров - М.: Недра, 1982. - С. 165).

где ∑N₁ - сумма нормативных сил на площадках скольжения, H;
∑T₁ - сумма касательных (сдвигающих) сил на площадках скольжения, H;
L - длина поверхности скольжения, м;
ρ, k - угол внутреннего трения и сцепление горных пород, град, Па.

Пусть имеется некоторый откос в подмерзлотной зоне с коэффициентом запаса устойчивости η_т

где ρ_т, k_т - угол внутреннего трения и сцепление талых пород при замораживании данного откоса, вычислим коэффициент запаса устойчивости.

Тогда

где ρ_м, k_м - угол внутреннего трения и сцепление мерзлых горных пород, град.

Т.к. k_м>k_т и k_м>k_т, получаем

Таким образом устойчивость откоса при замораживании повышается. Данное заключение верно только в том случае, если промораживается часть и вся призма возможного обрушения.

Для более точного анализа устойчивости необходимо для конкретных данных строить поверхность скольжения и в явном виде вычислять коэффициент запаса устойчивости.

При ориентировочных расчетах при плоской поверхности скольжения можно воспользоваться формулой П.М. Цымбаревича (Арсентьев А.М., Букин И.Ю., Мироненко В.А. Устойчивость бортов и осушение карьеров - М.: Недра, 1982, - с. 165).

где α - угол откоса, град;
γ - удельный вес пород откоса, Н/м³;
Н - высота откоса при η=1, м.

Расчет устойчивого откоса при угле откоса α = 60 по формуле Цымбаревича П.М.

Данные для k и взяты из фактических данных горных пород карьера трубки "Мир" (табл.1).

3. Обоснование улучшения качества дорог на горизонтах карьера
Скорости автосамосвалов в зависимости от свойств многолетнемерзлых пород, слагающих дорожное полотно, и изменяющиеся под влиянием температуры окружающей среды устанавливаются по следующей методике.

Касательная сила тяги F_k для автотранспорта может быть вычислена из уравнения
А=F_kS, (9)
где А - работа; S - пройденный путь. Если N - мощность, развиваемая автомобилем, то

Если сила тяги не увеличивается (уменьшается) со временем, то получаем уравнение

Т. к. мощность автомобильного мотора, принимаемая по технической характеристике, не может быть использована полностью вследствие потерь при передаче усилия на движущиеся колеса, то

где η_п - КПД передачи от двигателя к ведущим колесам;

η_k - КПД ведущего колеса (0,7-0,9). (Н.В. Мельников. Краткий справочник по открытым горным работам. - М.: Недра, 1968 - 308).

С другой стороны, чтобы автомобиль двигался, необходимо условие
F_k<P_сцϕ, (13)
где Р_сц=θ•Р - вес, приходящийся на ведущие колеса (сцепной вес);
Р - общий вес автомобиля;
ϕ - коэффициент сцепления колес с грунтом (табл.2).

Касательная сила тяги F_k в случае, если автомобиль двигается с постоянной скоростью V, должна быть уравновешена силой, идущей на деформацию колес F_р, и силой смятия грунта при образовании колеи F_СМ, т.е. силой сопротивления движению F_сопр
F_k=F_р+F_cм=F_сопр (14)
Рассмотрим силу смятия F_см на основе эмпирической зависимости Бернштейна-Летошнева, описывающей возрастание сопротивления грунта вдавливанию с глубиной погружения колеса (В.Ф. Бабков, В.М. Безрук. Основы грунтоведения и механики грунтов - М.: Высшая школа, 1976. - 328 с.).

где μ - параметр, характеризующий возрастание сопротивления грунта смятию с увеличением глубины колеи; для сравнительно уплотненных грунтов при влажности, близкой к капиллярной влагоемкости, μ≈1/2; для рыхлых сухих грунтов μ≈1;
D - диаметр колес;
θ₁ - доля веса, приходящаяся на задние колеса;
Н_п- глубина колеи для передних колес;
Н_з- глубина колеи для задних колес.

Величины Н_п и H_з вычисляются по формулам:


где С₁ - сопротивление грунта на глубине 1 см;
В - ширина колеса, см.

В формулах (16) и (17) Н_п, H_з вычисляются в (см), а Р принимается в кгс.

Для определения С₁ воспользуемся теоретической формулой акад. А.Ю. Ишлинского для вдавливания шарового штампа в идеально пластичное тело

где С - сцепление породы, кгс/см²;
Р - нагрузка на штамп,
k - коэффициент (по А.Ю. Ишлимскому для пластичных тел k=0,18);
Н - глубина вдавливания;
D - диаметр шара, см.

Имеем


где S - площадь поверхности контакта шара с грунтом, см².

Тогда

Таким образом

где С изменяется в кгс/см², a D - в см.

Из вышеприведенных выкладок следует, что


Из формул (20) и (21) имеем

Таким образом, для определения F_СМ известны все данные. Если имеются данные по скоростям автомобиля в зависимости от полного веса по ровной бетонированной (асфальтированной) поверхности, т.е. "идеальной" дороге, то F_Р можно вычислить по формуле (12)

Для ориентировочных расчетов или при недостаточной достоверности данных можно при определении F_cм принять Н_п или H_з равной некоторой наперед заданной величине. Аналогичный подход необходимо применять, если дорожная поверхность имеет пластичный слой (грязь) некоторой толщины.

Общая формула для V имеет вид

Расчеты произведены при следующих исходных данных:
θ₁=0,7 - автомобиль с одной ведущей осью;
μ=1 - рыхлый песок или жидкая грязь;


D = 2,4 м = 240 см; Р = 69 т= 69•10⁴ Н.

η_п = 0,8,
η_k = 0,8,
N=368 кВт=368•10³ Вт,



Если V_И=18 км/ч=5 м/с, то

Н=0 см; V=5 м/с=18 км/ч; Н=5 см.

Таким образом, скорость движения автосамосвала по загрязненной (оттаявшей) дороге Н=5 см по сравнению с хорошей (Н=0 см) дорогой снижается

Это приводит к существенному увеличению продолжительности рейса автосамосвала. То есть за счет внедрения нового технического решения, позволяющего улучшить дорожные условия эксплуатации автосамосвалов в условиях многолетней мерзлоты при резких колебаниях температуры окружающей среды в летне-осенние периоды года, будет достигнуто существенное увеличение производительности автотранспорта.

4. Обоснование осушаемости рудных блоков при шаговой углубке карьера.

Естественная влажность кимберлитовой руды составляет 18-20%. При этом процент физически связанной воды составляет около 13%. При дренировании западного рудного тела через прорытый тоннель посредством системы взрывных и естественных трещин останется только физически связанная вода. При наших конкретных исходных данных высоту целика между восточным и западным рудными телами принимаем равной 110 м (фиг.4). Площадь западного рудного тела S= Пх100=31400 м². Объем его V=31400х(110-40)=2,198 млн. м³. Масса воды, которая будет осушена посредством дренирования, равна:

При расстоянии транспортирования до внешних отвалов L_тp.a.=7150 метров экономия тоннокилометров составит:
L_ТКМ=М_воды•L_тр.а.=0,132•7,15=0,944 млн.ткм
Откуда следует, что шаговая отработка обводненных рудных тел улучшает условия эксплуатации автотранспорта.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР 836354, кл. Е 21 С 41/00, 1981.

2. Авторское свидетельство СССР 1155755, кл. Е 21 С 41/00, 1985.

3. Авторское свидетельство СССР 968402, кл. Е 21 С 41/00, 1982.

4. Авторское свидетельство СССР 400703, кл. Е 21 С 41/00, 1974.

5. Арсентьев А. И. , Букин И.Ю., Мироненко В.А. Устойчивость бортов и осушение карьеров. - М.: Недра, 1982. - с. 104, 165.

6. Фисенко Г. Л. , Ревазов М.А., Галустьян Э.Л. Укрепление откосов в карьерах. - М.: Недра, 1974. - с.208, 186-189.

7. Авторское свидетельство СССР 1511337, кл. Е 02 D 17/20, 1989.

Изобретение относится к горному делу и создано применительно к сложным горно-техническим условиям разработки массивов многолетнемерзлых пород в экстремальных условиях Севера. Способ отработки глубоких карьеров осуществляют путем разделения толщи многолетнемерзлых пород на уступы с твердым и мягким основаниями, причем уступы с твердым основанием разрабатывают в летнее время, а с мягким - в зимнее, отработку обводненных горизонтов подмерзлотной зоны ведут с шаговой углубкой участков карьерного поля. Доработку карьера осуществляют путем формирования целика между отрабатываемыми участками и проходят в нем тоннель для перепуска вскрышных пород при их складировании, а в целике и бортах карьера бурят скважины, которые продувают холодным воздухом для промораживания и обеспечения устойчивости талых пород подмерзлотной зоны. Способ позволяет достичь снижения затрат на разработку и улучшить условия эксплуатации горно-транспортного оборудования при отработке многолетнемерзлых пород. 6 ил., 2 табл.

Способ отработки глубоких карьеров, включающий отработку горных пород уступами до проектного контура, сооружение уступов погашения, отсыпку вскрышных пород в выработанное пространство в пределах контура карьера, отличающийся тем, что толщу многолетнемерзлых пород разделяют на уступы с твердым и мягким основаниями, причем уступы с твердым основанием разрабатывают в летнее время, а с мягким - в зимнее время, отработку обводненных горизонтов подмерзлотной зоны ведут с шаговой углубкой участков карьерного поля, доработку карьера осуществляют путем формирования целика между отрабатываемыми участками и проходят в нем тоннель для перепуска вскрышных пород при их складировании, а в целике и бортах карьера бурят скважины, которые продувают холодным воздухом для промораживания и обеспечения устойчивости талых пород подмерзлотной зоны.