Вскрышные и добычные работы

При разработке месторождений открытым способом выполняются вскрышные и добычные работы.

Вскрышные работы заключаются в удалении пустых пород, покрывающих полезное ископаемое, в результате чего открывается доступ к месторождению. Вскрышные работы начинают от разрезной траншеи. Пустые породы, которые приходится удалять при вскрышных работах, называются вскрышными. Трудоемкость разработки угольного месторождения определяется не только абсолютным, но и относительным объемом вскрышных работ, который характеризуется коэффициентом вскрыши. Коэффициент вскрыши представляет отношение полного объема вскрышных пород, подлежащих удалению со всего карьерного поля, к промышленным запасам полезного ископаемого, извлекаемым в пределах того же поля.

С углублением карьера коэффициент вскрыши растет и повышается трудоемкость и стоимость работ. В дальнейшем может наступить момент, когда разработку данного месторождения целесообразно производить не открытым, а подземным способом. Глубина, при которой себестоимость добычи 1 т угля открытым и подземным способом будет одинаковой, является предельной глубиной карьера. Предельной глубине карьера соответствует предельный коэффициент вскрыши.

Добычные работы, т. е. работы по извлечению полезного ископаемого, производят после того, как в результате вскрышных работ будет обнажено полезное ископаемое и пройдена по нему разрезная траншея.

Вскрышные и добычные работы включают следующие процессы: подготовку горных пород к выемке, выемочно-погрузочные работы, перемещение горной массы из забоев на поверхность, отвальные работы для складирования вскрышных пород и складские работы для полезного ископаемого.

Рис 5.5. Методы взрывного разрушения пород:
а – накладной; б, в – камерный в шурфе и штольне; г – котловой; д – скважинный; 1 – заряд; 2 – забойка

Подготовка горных пород к выемке заключается в разрушении массива различными способами на куски, удобные для последующей выемки, погрузки и транспортирования. Рыхлые и мягкие породы могут разрабатываться непосредственно из массива экскаваторами или другими выемочными машинами. Подготовка полускальных пород может вестись навесными рыхлителями на тракторах тяжелого типа или с применением буровзрывных работ. Подготовка к выемке скальных пород осуществляется только буровзрывным способом.

Размеры максимально допустимого куска во взорванной горной массе определяются параметрами выемочно-погрузочных и транспортных средств. Различают методы скважинных, котловых, шпуровых, камерных и накладных зарядов, отличающиеся один от другого способом размещения заряда взрывчатого вещества (ВВ), его формой и величиной (рис. 5.5).

На большинстве карьеров применяют скважинные заряды. К основным параметрам взрывных скважин относятся глубина, диаметр и угол наклона (рис. 5.6).

Рисунок 5.6. Параметры взрывных скважин:
а – наклонных со сплошным зарядом при однорядном расположении; b – вертикальных с рассредоточенным зарядом при многорядном расположении; 1 – заряд ВВ, 2 – забойка; 3 – воздушный промежуток

Глубина скважины l_C определяется высотой взрываемого уступа Н_У, углом наклона скважины к горизонту и величиной перебура скважины l_П ниже отметки подошвы уступа. Перебур необходим для качественного разрушения пород в подошве уступа.

Забойка скважины должна быть плотной и достаточной длины l_З для предотвращения утечек продуктов взрыва. Для забойки используют буровую мелочь и песок. Заряд ВВ в скважине может быть сплошным или рассредоточенным, а расположение скважин в пределах взрываемого блока – однорядным и многорядным.

Параметрами взрываемых зарядов при их однорядном расположении является расстояние между скважинами в ряду а, а при многорядном – расстояние между скважинами а, между рядами скважин b и число рядов n. Горизонтальное расстояние от оси скважин до нижней бровки уступа W называется линией сопротивления по подошве уступа.

Накладные заряды размещаются снаружи негабарита и применяются при его дроблении.

Бурение наклонных и вертикальных скважин на уступе осуществляется при помощи станков шнекового бурения по углю диаметром 125–160 мм, или шарошечного бурения по крепким скальным породам диаметром 150–400 мм, которые имеют в качестве рабочего органа вращающиеся долота – шарошки с зубьями из твердого сплава. Станки имеют гусеничный ход (рис. 5.7).   Рисунок 5.7. Схема станков шнекового и шарошечного бурения: 1 – платформа; 2 – гусеничная ходовая часть; 3 – кабина с пультам управления; 4 – поворотный редуктор; 5 – электрооборудование

Для ведения взрывных работ в карьерах применяют в основном эмульсионные, гранулированные (гранулиты, игданиты) и реже порошкообразные (аммониты, аммоналы) взрывчатые вещества. Взрывают заряды при помощи детонирующего шнура или электрическим способом.

Выемка и погрузка горных пород представляет отделение от массива мягкой или предварительно разрыхленной крепкой породы с последующей погрузкой в средства транспорта или непосредственно в отвал. В качестве основных средств механизации используются экскаваторы, в этом случае выемка и погрузка сливаются в один выемочно-погрузочный процесс. Экскаватор – самоходная машина цикличного или непрерывного действия. Они могут быть одноковшовые и многоковшовые. Экскаваторы цикличного действия (одноковшовые) последовательно выполняют операции копания, перемещения горной массы в ковше при повороте вокруг своей оси и разгрузки ковша. Основными типами одноковшовых экскаваторов являются прямая и обратная механическая лопата и драглайн (рис. 5.8).

Рисунок 5.8. Одноковшовые экскаваторы:
а – прямая лопата; b – обратная лопата; c – драглайн

Многоковшовые экскаваторы непрерывного действия (цепные, роторные) производят выемку и погрузку горной массы в результате перемещения ковшей по круговой траектории. Основными типами многоковшовых экскаваторов являются цепные и роторные (рис. 5.9).

Рисунок 5.9. Цепной (а) и роторный (b) экскаваторы

Карьерный транспорт представляет комплекс средств перемещения горной массы от забоев до пунктов разгрузки и является связывающим звеном в общем технологическом процессе. На открытых горных работах наибольшее распространение получил железнодорожный, автомобильный, конвейерный и комбинированный транспорт. В отдельных случаях эффективно применение скиповых подъемников, канатно-подвесных дорог, гидравлического трубопроводного транспорта.

Железнодорожный транспорт рекомендуется применять на карьерах с большим годовым грузооборотом (25 млн. т и более) при длине транспортирования 4 км и более. Для железнодорожного транспорта необходимы протяженность фронта работ на уступах не менее 300–500 м, кривые с радиусом не менее 100–120 м, подъемы и уклоны путей до 20–30‰.

Средствами железнодорожного транспорта являются рельсовые пути и подвижной состав. Рельсовые пути на карьерах бывают стационарными и временными. Временные пути периодически перемещаются вслед за подвиганием фронта работ на уступах. Подвижной состав состоит из локомотивов и вагонов. В качестве локомотивов применяются электровозы, тепловозы, тяговые агрегаты. Контактные электровозы работают на постоянном токе. Тепловозы исключают наличие контактной сети. Тяговые агрегаты представляют сочетание электровоза управления, дизельной секции автономного питания и нескольких моторных думпкаров. Устраняется потребность в контактной сети на передвижных путях.

Для перевозки горной массы применяются думпкары – саморазгружающиеся вагоны с двухсторонней разгрузкой грузоподъемностью от 60 до 180 т.

Автомобильный транспорт рекомендуется применять при строительстве карьеров и на карьерах малой и средней производственной мощности. Автомобильный транспорт отличает гибкость, маневренность, независимость работы автосамосвалов, радиусы поворотов 15–25 м, подъем и уклоны до 80–120 ‰. К недостаткам автотранспорта относятся более высокие затраты на транспортирование 1 т горной массы по сравнению с железнодорожным транспортом, зависимость от погодных условий.

Подвижной состав карьерного автотранспорта представлен автосамосвалами и полуприцепами. Наибольшее применение при транспортировании вскрыши получили автосамосвалы грузоподъемностью от 40 до 180 т и более.

Для передвижения автосамосвалов сооружаются стационарные и временные автодороги. Стационарные автодороги строятся в капитальных траншеях, на поверхности и соединительных транспортных бермах на длительный срок, имеют дорожное покрытие и двухполосное движение. Временные автодороги, сооружаемые на уступах и отвалах, периодически перемещаются вслед за подвиганием фронта работ и, как правило, не имеют дорожного покрытия.

Конвейерный транспорт применяется преимущественно для перемещения мягких пород и угля, а также мелкораздробленных скальных пород. Конвейерный транспорт обеспечивает непрерывность перемещения грузов, использование на пересеченной местности, возможность полной автоматизации. Наиболее эффективен конвейерный транспорт при грузообороте более 20 млн. т в год на карьерах глубиной более 150 м и расстоянии транспортирования 10–20 км.

При комбинированном транспорте последовательно используются для перемещения одного и того же груза различные виды транспорта, каждый в наилучших для него условиях. Наибольшее распространение получила комбинация автомобильного и железнодорожного транспорта, при которой горная масса доставляется из забоев автотранспортом до перегрузочных пунктов, а затем железнодорожным до отвалов. Комбинация автомобильного транспорта с конвейерным или скиповыми подъемниками применяется для глубоких горизонтов карьера, расположенных ниже 120–150 м от поверхности. Здесь горная масса выдается на поверхность по кратчайшему пути.

Отвалообразование представляет технологический процесс размещения пустых пород, удаляемых при разработке месторождений открытым способом. Отвалообразование вскрышных пород производится на специально отведенных для этих целей площадках, называемых отвалами. Отвалы в комплексе с техническими устройствами, средствами механизации составляют отвальное хозяйство карьеров.

Отвалы бывают внутренние и внешние. Внутренние отвалы располагаются в выработанном пространстве карьера, внешние – за его пределами. Внутренние отвалы возможны при разработке месторождения с углом падения не более 12°. Для перемещения породы во внутренние отвалы применяют мощные драглайны.

Внешнее отвалообразование применяется при разработке наклонных и крутонаклонных месторождений. Для складирования пород на внешних отвалах используются механические лопаты (рис. 5.10), отвальные плуги и бульдозеры.