CC BY
37
Сравнительные характеристики методов измерении
Способ измерений Погрешность определения вертикального смешения наиболее удаленною пункта m^ мм Погрешность определения горизо1Гтального смешения наиболее удаленною пункта /77«. мм
Свегодальномер (СП-2) и геометрическое нивелирование 3,5 8,5 |
Рулетка и геометрическое нивелирование 3,5 17,5
Электронный тахеометр (ЗТа5) 11.5 20
Спутниковая аппаратура (GPS) 10,0 5,0
с периодичностью один - два раза в год. В случае выявления незатухающих или возрастающих во времени деформаций отдельных участков бортов карьера необходимо установить причины этого явления и разработать мероприятия, обеспечивающие безаварийную работу.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Инструкция по наблюдениям за деформациями бортов, откосов и усту пов и отвалов на карьерах и разработке мероприятий по обеспечению их устойчивости. Л.: ВНИМИ.1971. 188 с.
2. Мстоличсскнс указания по наблюдениям за деформациями бортов разрезов и отвалов, шгтерпрета-ции их результатов и прогнозу устойчивости. .П.: ВНИМИ, 1987. 118 с.
УДК 622.221.3
Г. Г. Саканцеи
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ И УСЛОВИЙ ПРИМЕНЕНИЯ КРУТЫХ УКЛОНОВ ВСКРЫВАЮЩИХ ВЫРАБОТОК НА ГЛУБОКИХ КАРЬЕРАХ
Одной из наиболее актуальных проблем разработки глубокозалегающих месторождений полезных ископаемых открытым способом является проблема дополнительного разнос а бортов для размещения вскрывающих выработок. Объемы дополнительного разноса бортов для размещения вскрывающих выработок на глубских карьерах составляют миллионы и десятки миллионов кубометров вскрышных пород. Этот обусловлено тем, что размещение вскрывающих выработок ведет к выполаживанию бортов карьеров по сравнению с их устойчивыми значениями.
Практика работы глубоких рудных карьеров показала, что углы погашения бортов по конструктивным условиям, как правило, меньше их устойчивых значений (1]. Борта карьеров по условиям устойчивости чаще всего имеют выпуклый профиль, а по конструктивным условиям - вогнутый. Причиной последнего является увеличение удельного веса вскрывающих выработок в общей массе атощадок и берм на бортах по мере увеличения глубины карьера вследствие уменьшения протяженности нижних уступов. Особенно это характерно для карьеров с небольшой длиной дна. в которых уменьшение протяженности уступов с глубиной идет особенно интенсивно.
Объем внутренних вскрывающих выработок (съездов) обычно определяется по формуле
0,5//\ВЬК рт
=-7-(1)
' *
где // - глубина вскрытия, м; Вш - ширина съезда, м; / - руководящий уклон съезда, м; Л^ -коэффициент развития трассы, б ■'р.
Однако формула (1) не учитывает кривизны борта, то есть того факга, что протяженность верхних горизонтов значительно больше протяженности нижних горизотов, и. соответственно, длина разноса верхних горизонтов значительно превышает длину съездов, расположенных над ними на нижних горизонтах. Чем больше кривизна борта, тем больше разница между длиной съезда и длиной разноса участков верхних горизонтов, расположенных над этим съездом.
При криволинейной форме борта объем дополнительного разноса можно определить по формуле
1/=0,5Лр//Яс, (2)
где ¿р - длина разноса борта по поверхности, необходимая для ввода вскрывающих выработок на глубину //, м.
При спиральной форме трассы длина разноса борта многократно возрастает. В этом случае она может быть определена по формуле
¿Р = Ъ (3)
<Р_ 2я
где - периметр карьера по поверхности, м; <р - угол, описываемый трассой, радиан.
Угол, описываемый трассой, определяется по формуле логарифмической спирали (2):
у----, (4)
где р0- полярный радиус начала съезда, м; ря- полярный радиус конца съезда, м: безразмерный коэффициент роста логарифмической спирали. Последний находится из условия:
(5)
здесь а - угол между прямой, проходящей через центр спирали и касательной к спирали в точке пересечения этой прямой со спиралью.
Угол касательной к логарифмической спирали определяется по формуле
агссо$ а = Ро . (6)
5
здесь 5-длина пути логарифмической спирали, представляющая длину трассы м.
При петлевой, тупиково-псступательной или другой сложной криволинейной форме трассы длина разноса борта определяется как сумма отдельных длин, рассчитанных для простых участков трассы. Для прямолинейных участков она находится по формуле (1), для криволинейных - по формулам (2) - (6).
Исследованиями, проведе»шыми по формулам (1) - (6), установлено, что основными факторами, определяющими объем дополнительного разноса бортов, являются уклон вскрывающих выработок и кривизна бортов, в частности, на которых располагаются съезды. Так, для карьера площадной формы с размерами дна 50 х 50 м (радиус кривизны борта на нижнем горизонте 25 м). при уклоне съездов / = 8 % и глубине карьера 200 м дополнительный разнос борга составляет 22 млн м5, при глубине карьера 300 м - 42 млн м\ при глубине 400 м - 78 млн м\ При большой длине дна и расположении вскрывающих выработок на прямолинейной части борта объем дополнительного разноса составит соответственно 6,5; 14,6 и 26 млн м\ Объем дополнительного разноса бортов для размещения вскрывающих выработок может быть снижен за счет увеличения их
к. Но увеличение уклона должно быть экономически оправданно. Крутые уклоны могут гнягься, если они обеспечивают снижение затрат на разработку месторождений. Применение крутых уклонов сопряжено с удорожанием транспортных работ. Их область гнения зависит от многих факторов и, в первую очередь, от величины сокращаемых объемов вскрышных работ и влияния уклона вскрывающих выработок на себестоимость транспортирова-Ri Наибольшее сокращение объемов дополнительного разноса бортов обеспечивает примсне-ж крутых уклонов на нижних горизонтах карьеров (рис. 1). Гак. если для карьера глубиной ■iúO ч и длиной дна 50 м объем дополнительного разноса борта при уклоне вскрывающих вырабо-8 % принять за 100 %, то при замене его на всю глубину карьера на уклон 24 % объем мнительного разноса составит 32,7 %, при замене с глубины 100 м - 34,8 %, при замене с -гущины 200 м - 42,7 %, при замене с глубины 300 м - 57,5 %. То есть в первом случае уменынс-«е объемов дополнительного разноса бортов равняется 67,3 %, во втором - 65,8 %, в третьем -57,5 % и в четвергом - 42,5 %. Экономия при вскрытии нижних горизонтов с применением крутых уклонов достаточно существенная. Но введение крутого уклона на верхних горизонтах (в пределах глубины 0+100 м) обеспечит снижение объемов дополнительного разноса бортов только ва 2,1 % и в то же время приведет к необходимости перевозки больших дополнительных объемов по выработкам с повышенным уклоном. Аналогичная картина характерна и для карьеров с большой длиной дна. когда вскрывающие выработки устраиваются на прямолинейных участках бортов. Применение крутых уклонов на верхних горизо»гтах явно нецелесообразно. Рассмотрение целесообразности применения крутых уклонов возможно при наличии одного или сочетания следующих условий:
- большая кривизна бортов;
- большая глубина расположения вскрываемых объемов;
- небольшая величина вскрываемых объе-
мов.
Ум/1НЬ?
ас
40
Решение проблемы уменьшения объемов дополнительного разноса бортов для размещения вскрывающих выработок на основе увеличения их уклона может быть сформулировано следующим образом. Снижение дополнительного разноса бортов для размещения вскрывающих выработок на глубоких карьерах достигается за счет экономически обоснованного повышения их уклонов при отработке нижних горизонтов карьерных полей. Реализация этого положения состоит в том, что вскрытие верхних горизонтов карьера, на которых сосредоточены основные объемы горной массы, производится вскрывающими выработками с параметрами, обеспечивающими применение наиболее эффективных видов транспортных средств, а нижние горизонты вскрываются выработками с повышенными уклонами на основе применения специальных транспортных средств; происходящее при этом увеличение транспортных расходов компенсируется экономией от снижения дополнительного рячногя бортон
Для увеличения уклонов в два-три раза против применяемых в настоящее время на карьерах существуют реальные возможности. Это подтверждается опытом эксплуатации карьерного автотранспорта.
На большинстве карьеров максимальные значения уклонов запроектированы в пределах 7-8 %. Но имеется целый ряд исключений. Так, на отдельных участках автодорог уклоны на карьерах цветной металлургии достигают 1С-11 %, на карьерах железорудной промышленности -
25
50
75
Рис. 1. Зависимость объемов дополнительного разноса бортов от глубины перехода на крутые уклоны (с 8 % на 24 %):
_¿д = 50 м,_____Lz =500 м,
1 - // - 300 м: 2 - Н -400 м
10-12 % и более [3]. В частности, на Сибайском карьере уклоны от 10 до 18 % составляют 8% дорог, на Михайловском ГОКе - 12 %, на Северо-Западном карьере Азербайджанского ГОКа -30 %, на карьере «Мирный» Алроса протяженность участков с уклонами 9-12% составляет 970 м. или 23,4 % общей длины съездов, и т. д. При этом существует общая закономерность увеличения уклонов с увеличением текущей глубины карьеров.
Крутые уклоны регламентируются соответствующими нормативными документами. Так. Нормами технологического проектирования карьеров черной металлургии для автосамосвалов с колесными формулами 4х 4 и 6х 6 для карьерных автодорог допускаются уклоны 17 % для дорог со щебеночным покрытием и 14-15%-для дорогс грунтовым покрытием. В свою очередь, СНиП 2.05.07-85 для аналогичных условий устанавливает соответственно уклоны 18 % и 13-14 %. Удельная мощность автосамосвалов для применения на таких уклонах должна быть не ниже 7-8 кВт/т.
Наиболее реальным автосамосвалом для работы на крутых уклонах может быть БелАЗ-7528. созданный Белорусским автозаводом. Он имеет вариант использования привода силовой передачи, обеспечивающий преодоление общего сопротивления дороги свыше 15 % при движении на крутых поворотах в тяжелых условиях. Грузоподъемность автосамосвалов составляет 36 т. масса самосвала без груза - 36 т. Он имеет гидромеханическую трансмиссию. Согласно тяговой характеристике, автосамосвал может обеспечивать перевозки на крутых уклонах до 25-30 % за счет снижения скорости движения. При уклоне 10 % скорость движения груженого автосамосвала на подъем составит 7-8 км/ч, при уклоне 15 % - 5-5,5 км/ч, при уклоне 20 % -4,5-5 км/ч. при уклоне 25 % - 3-3,5 км/ч.
Значительные возможности для работы на крутых уклонах имеют карьерные погрузчики. Карьерные погрузчики компонуются, как правило, по четырехколесной схеме со всеми ведущими колесами. Мощность двигателя составляет 30-35 кВт/т, что значительно выше, чем у карьерных автосамосвалов. Благодаря этому карьерные погрузчики, несмотря на высокий коэффициент тары, обеспечивают достаточно высокие скорости движения и величину преодолеваемого уклона.
Академиком К. П. Трубецким установлено [4], что при щебеночном покрытии и изменении величины подъема / от 5 до 17 % скорость (км/ч) груженого погрузчика характеризуется зависимостью
1^=16-0,37/.. (7)
В той же работе (4J установлено, что отрицательное влияние на производительность и экономические показатели работы погрузчиков оказывает лишь величина подъема, равная 3 % и более. Реально погрузчики могут преодолевать уклоны 20-25 % и более. Так, на карьере № 1 [4] в общей длине трассы от 120 до 785 м, обслуживаемой карьерными погрузчикауи. имеется 40-метровый участок с подъемом 32,5 %.
Целесообразная величина и область применения крутых уклонов может быть определена по условию:
С,У,+(Ск-С0Ук-> т\п, (8)
где С - себестоимость вскрышных работ, руб/м'; Vt - объем вскрывающих выработок; Cv С -себестоимость транспортирования горной массы соответственно при наиболее экономичном с транспортной точки зрения и повышенном уклонах вскрывающих выработок, руб/м'; У - объем горной массы, отрабатываемой с применением повышенных уклонов. м\
Так как объемы дополнительного разноса бортов в наибольшей степени увеличиваются с увеличением глубины вскрывающих выработок, повышение уклонов целесообразно предусматривать, в первую очередь, для нижних горизонтов карьеров.
Наибольшая сложность при решении задачи определения целесообразной величины повышенного уклона и области его применения заключается в определении себестоимости транспортирования горной массы при повышенных уклонах. Как установлено целым рядом исследователей. расчетные методы не дают достаточно надежных результатов, а фактические данные, которые могли бы дать надежные значения себестоимости, практически отсутствуют. Однако в качестве основы расчета таких показателей можно было бы, с некоторым приближением, использовать зависимости скорости движения транспортных средств от уклона, считая, что себестоимость
| пропорциональна скорости движения. При этом себестоимость должна быть приведена в !ый вид по удельной грузоподъемности, представляющей отношение грузоподъемнос-1СП0ртн01Х> средства к его массе без груза:
с к---» (9)
»*Чк '
С. - себестоимость транспоргнровання 1 ткм горной массы традиционно применяемым авто-шм транспортом при работе в условиях горизонтальных трасс; и0 - скорость движения :вала по горизонтальной трассе; иж - скорость движения автосамосвала на повышенном г: • удельная грузоподъемность традиционно применяемого автотранспорта; </д - удельная
емкость транспортных средств способных работать на повышенных уклонах. Максимально возможная скорость автотранспортного средства на подъем может быть опре-по известной формуле [3]
С,367М,П
{? - масса авготранспортного средства, т; (7- грузоподъемность, т; Кг - коэффициент запол-кузова: А'л - мощность двигателя, кВт; ^ - коэффициент полезного действия трансмиссии; «з. - коэффициент сопротивления качению.
Исследования тяговых характеристик выпускаемых и перспективных карьерных автоса-мссвалов и карьерных погрузчиков показали на тесную корреляционную связь (корреляционное отношение 0,872) скорости движения с руководящим уклоном вскрывающих выработок. Эта связь характеризуется выражением
°<=ТГГГФв («)
Среднеквадрат ическая ошибка определения скорости движения по выражению (11) составляет 5,2 %, что позволяет использовать его в практических расчетах.
Себестоимость транспортирования горной массы карьерными погрузчиками значительно превышает себестоимость трансиоргирования автосамосвалами. Э1а разница обусловлена разной удельной грузоподъемностью данных транспортньх средств, которая у карьерных погрузчиков в среднем в 3,5-4 раза ниже, чем у автосамосвалов. Но применение карьерных погрузчиков не требует дополнительных затрат на устройство и эксплуатацию сложных перегрузочных пунктов, необходимых для перегрузки горной массы в другой вид транспорта.
В задачу определения эффективности применения крутых уклонов для вскрытия запасов глубоких карьеров входит определение значений двух тараметров - величины уклона и области его применения. Так как наибольшее сокращение объемов вскрышных работ по разносу бортов обеспечивает увеличение уклонов на нижних горизонтах карьеров, исходной предпосылкой решения этой задачи является следующее: верхние горизонты карьера вскрываются выработками с уклоном 7-8 %, нижние - с более высоким, то есть с <рутым уклоном. Соответственно, задача определения области применения крутых уклонов превращается в задачу определения глубины перехода с уклона 7-8 % на крутой уклон.
В результате исследования экономической целесообразности глубины перехода на крутые уклоны по условию (8) установлено, что затраты на вскрытие и эксплуатацию вскрывающих выработок в каждом конкретном случае имеют минимум, соответствующий некоторому значению глубины перехода (рис. 2). Эту глубину можно считать оптимальной для конкрет ных условий.
Но, чтобы выявить общие закономерности, необходимы исследования представительного количества наблюдений в различных горно-геологических условиях. Такая задача решена в данной статье для двух видов транспорта, способных преодолевать крутые уклоны, - автомобильного и карьерных погрузчиков.
Исследования, проведенные для представительного числа наблюдений (более 60), показали, что величина крутого уклона не поддается непосредственному определению. Она может быть
•ыо
$00
•ос
10С
300 Н^
установлена опосредованно на основе зависимости минимальных затрат, соответствующих оптимальным глубинам перехода на крутой уклон, от величины уклона.
Для автомобильного транспорта такие достаточно надежные зависимости получены в результате группировки исходных данных по условию (Я + /„.), где Я - глубина карьера; Ь - длина дна карьера.
Для (// - Ьх) от 0 до 400 м зависимость минимальных затрат от уклона (в процентах по отношению к затратам, соответствующим применению базового уклона, равного 8 %) имеет вид:
3 = 161.04 --9.19/, +0,1662//. (12) Для (Я А ¿д) в диапазоне (401-700 м):
3 = 167,7 -10,21/. +0,2036//. (13) Дзя (Я +1. ) в диапазоне (701-1100 м):
3 = 174 -11,435/. +0,5436//. (14) Для (Я 100 м:
3 = 184.-3 -13,437/. + 0,331/.2. (15) Срсднеквадратичсская ошибка определения затрат по зависимостям (12)...(15) находится в пределах 5-6 %.
11родиф4еренцировав зависимости (12)...(15) по / и приравняв их к нулю, определим оптимальные значения крутых уклонов для разных условий. Для случаев (12)...(15) оптимальные уклоны соответственно составят 27.6; 25.1; 22.4; 20,2 %. То есть чем меньше глубина и длина карьера, тем больше может быть уклон.
Глубина перехода на эти уклоны зависит непосредственно от самих уклонов При -ггом наиболее тесная связь обеспечивается также при условии группировки карьеров по сумме (Я_ + I. ). Дзя (Я + ¿.) от 0 до 500 м зависимость (в % к глубине карьера) (рис. 3) имеет вид:
На = -7,6 + 0,786/, + 0,02 И/,3. (16)
Дзя (Я диапазоне значений (501-1000 м):
Я =-15,1 + 1.906/,. (17)
Д|я (// + ¿д) > 1000 м:
Я„ = -33,2 + 4,504/. + 0,0551/,2. (18)
При применении карьерных погрузчиков относительные минимальные затраты на вскрытие месторождения, соответствующие оптимальным глубинам перехода на крутой уклон, описываются зависимостью, %
Рис. 2. Зависимость ззтрат на вскрытие и эксплуатацию вскрывающих выработок от глубины перехода на крутые уклоны (с 8 на 32 %): 1,Г-Нпш 200 м; 2, 2 - // -300 м; 1.2-1 - 850 м; 1,2 -Ь =450.м
3 = (А.)«.'*(133 _ 4,89/, + 0,0859/; )
(19)
Данная зависимость характеризуется высокой теснотой связи; срсднеквадратичсская ошибка определения затрат по формуле (19) равняется 4,8 %. Наибольшее влияние на величину относительных минимальных затрат оказывает длина карьера, затем величина уклона и. наконец, глубина карьера. Коэффициент эластичности для длины карьера составляет 0,35, для уклона - 0,15, для глубины карьера - 0,08.
Согласно выражению (19), оптимальный уклон вскрывающих выработок при применении карьерных погрузчиков равняется 28,5 %.
Относительная глубина перехода на повышенный уклон при применении карьерных погрузчиков зависит в основном от длины два карьера, в меньшей степени - от величины уклона и описывается зависимостью. %
Я„ = 53,8 +0,0275 ¿я -0.00000083 +0,17/,. (20)
8 16 2« <,.%
Рис. 4. Зависимость относительных затрат на вскрытие от величины уклона при Я - 300 м:
_автотранспорт. погэузчики;
1 - ¿л -50 м; 2 - ¿/-"450 м; 3 - ¿л = 850 м
Рис. 3. Зависимость глубины перехода на крутые уклоны от величины уклона: автотранспорт, погрузчики;
1-Я 04-500 м; 2-Н,+1ш - 501+1000 м; 3-Я. +/>1000м;4-£=50 м; 5 - * 450 м; 6 - /а ■ 850 м
Среднеквалратичсская ошибка определения глубины перехода на крутой уклон по формуле (20) составляет 2,7 %.
Увеличение глубины перехода с увеличением дтины карьера обусловлено пропоршюнальн1,1м уве-лнчешге.м объемов горных пород, транспортирование которых требует повышенных удельных затрат.
Применение крутых уклонов обеспечивает значительное снижение затрат на разработку месторождений. При этом в целом наиболее высокую эффективность (наименьшие затраты) обеспечивает применение автосамосвалов (рис. 3). Но так как возможности автомобильного транспорта по преодолению крутых у клонов ограничены, в тяжелых условиях они смогут быть заменены карьерными погрузчиками в зоне экономической эффективности их применения. Так. например, если технические возможности автомобильного транспорта ограничены уклоном 12 %, то в карьере с длиной дна 50 м (рис. 4) экономическая эффективность его применения составляет 25-30 %, в то время как применение карьерных погрузчиков в этих условиях при уклоне 25-29 % может обеспечить снижение затрат до 50 %.
При длине дна карьера 800 м в результате применения крутых уклонов в оптимальных значениях общие затраты на разработку месторождения снижаются от 5 до 9 %, при длине карьера 400 м -от 10 до 14 %, при дни не карьера 50 м снижение затрат на разработку месторождения в результате отимизации уклона составляет 15-25 %. При этом объемы вскрышных работ при длине карьера 800 м снижаются на 3-10 млн м\ при длине 400 м - на 6-15 млн м' и при длине 50 м - на 1 (»-35 млн м\ Первые цифры соответствуют глубине карьера 200 м, вторые - глубине 400 м.
В целом эффективность применения крутых уклонов тем выше, чем меньше длина карьера. А влияние длины карьера - это фактически влияние кривизны бортов'. Поэтому крутые уклоны наиболее целесообразно применять при отработке нижних горизонтов глубоких карьеров небольшой длины. Их применение является надежным средством повышения эффективности работы таких карьеров. Оптимальная величина уклона в зависимости от условий находится в пределах 20-30 %.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Зотеев П. Г. Основные проблемы формирования предельных контуров карьеров е скальных породах // Сб. науч. тр. / ИГД МЧМ СССР. Свердловск. 1987. Вып. 83. С. 8-15.
2. Саканисв Г. Г. Экологические аспекты при формировании карьерного пространства // Горный вестник. 1996. № 4. С. 74-77.
3. Смирнов В. П.. Лель Ю. И. Теория большегрузного автотранспорта. Екатеринбург. УрО РА11,2002.355 с.
4. Трубецкой К. //. Технология применения и параметры карьерных погрузчиков. М.: Недра, 1985.264 с.
УДК 622.221
В. Н. Корнилков, А. М. Вандышев, А. В. Матвеев
ГЕОМЕХАНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОТРАБОТКИ ВЫЕМОЧНЫХ СТОЛБОВ СРЕДИ ОБРУШЕННЫХ ПОРОД
Огработка выемочных столбов через один-два при панельной и погоризонтной подготовке шахтных полей позволяет исключить разрыв во времени между завершением работы одного и пуском в работу другого очистного забоя в пределах панели, выемочного поля. При таком порядке отработки примерно половина очистных забоев работаете поддержанием подготовительных выработок в массиве угля, что позволяет снизить затраты на их ремонт.
Оставляемый среди обрушенных пород выемочный столб следует рассматрк вать как целик угля значительных размеров: шириной, примерно равной длине очистного забоя (150-300 м) и протяженностью до 1-2 км и более.
Как известно, на оставленный среди выработанного пространства целик сказывает влияние повышенное торное давление за счет веса столба пород над ним и веса зависающих консолей (призм) горных пород. Для определения оптимальных размеров целиков разных назначений исследователи используют единый подход: определяется несущая способность целика и действующая на него нагрузка. Однако методика решения этих вопросов различна.
Прочные размеры опорного целика при камерной системе разработке Я. Д. Шевяков предлагает определять из условия [12]:
«в
5//у + 5/гг, , (I)
п
где 5- площадь горизонтального сечения горных пород, приходящихся на один опорный целик; Н- глубина от земной поверхности до верхней части опорного целика; у - средняя плотность вышележащих пород: 5- площадь горизонтального сечения опорного целика; Л - высота опорного целика; у - плотность породы опорного целика; /? - предел прочности опорного целика сжашю; л-2,5-ьЗ,0 - коэффициент запаса прочности при расчете опорного целика.
Для целиков в виде стен ширину целика ¿»при ширине камеры А автор рекомендует определять по формуле
ь= Л
лНг Нг
