CC BY
180
УДК 622.271.326
Гавришев С.Е., Кузнецова Т.С., Некерова Т.В.
МЕТОДИКА ОБОСНОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ БОРТОВ КАРЬЕРОВ ПРИ ВЫЕМКЕ ПРИБОРТОВЫХ ЗАПАСОВ ПОДЗЕМНЫМ СПОСОБОМ*
Анализ месторождений, отрабатываемых комбинированным способом, показал, что запасы в бортах карьеров достигают 20-45% прикарьерных запасов. Однако опыт разработки месторождений, отрабатываемых открыто-подземным способом, показывает, что 65% предприятий осуществляют добычу подкарь-ерных запасов, около 25% рудников ведут добычу залежей, удаленных от карьера и только 18% разрабатывают прибортовые запасы [1]. Таким образом, предприятия оставляют значительные запасы в бортах карьера. Разработка прибортовых запасов позволила бы повысить эффективность освоения месторождения и увеличить полноту их извлечения.
Ограниченность разработки запасов в бортах карьеров связана с геомеханическими условиями. Ведение подземных работ в прибортовой зоне изменяет напряженно-деформированное состояние массива и, следовательно, положение наиболее вероятной поверхности скольжения. При этом доработка запасов в борту карьера осуществляется после постановки их в предельное по устойчивости положение. Поэтому при разработке технологии подземной доработки прибортовых запасов вопросы обеспечения устойчивости бортов приобретают первостепенное значение.
В этих условиях вопрос определения параметров бортов карьера является очень важным. Положение границ открытой разработки месторождения определяется геологическими, горнотехническими и экономическими факторами, в числе которых запасы месторождения, качественные характеристики и пространственное положение полезных ископаемых в земной коре, физико-механические свойства пород, гидрогеологические и инженерно-геологические условия разработки, граничный коэффициент вскрыши, углы откосов бортов карьера, цены на полезное ископаемое, потребность в нем [2].
Правильный выбор глубины карьера и угла откоса борта имеет важное значение, так как ими определяется объем запасов полезных ископаемых, вовлекаемых в разработку. Глубина открытой разработки при комбинированном освоении месторождения должна рассматриваться как составляющая часть единой горнотехнической системы.
Анализ факторов, определяющих величину затрат открыто-подземной разработки крутопадающих месторождений, показал, что наиболее значимыми являются контурный коэффициент вскрыши, объем запасов, оставляемых для разработки открытоподземного яруса и подземной разработки, угол по-
* Работа выполнена в рамках реализации федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.
гашения откоса борта карьера, мощность залежи, а также конечная глубина залеганиярудной залежи.
Таким образом, под оптимальной глубиной карьера понимается глубина, при которой совокупные затраты на освоение всего месторождения являются минимальными, а борта карьера имеют достаточный запас устойчивости в условиях их подработки.
Предлагается методика для обоснования глубины карьера при комбинированной разработке месторождений с учетом добычи запасов в бортах.
Сущность данной методики заключается в расчете глубины открытых горных работ по минимальным совокупным затратам с учетом геомеханических параметров борта.
Для определения глубины карьера необждимы следующие данные:
- поперечные наиболее характерные сечения залежи исследуемого месторождения;
- физико-механические свойства пород.
Последовательность определения глубины карьера исследуемого поперечного сечения месторождения по экономическим и геомеханическим условиям заключается в следующем:
• Строится простая геометрическая модель поперечного сечения залежи исследуемого месторождения. Простые геометрические модели месторождений используются при различных приближенных расчетах, так как позволяют быстро осуществить расчет большого числа вариантов, исследовать влияние тех или иных факторов, выявить зону, в пределах которой находится оптимальное значение искомой величины. Методика моделирования [3] состоит в следующем: на поперечном разрезе проводят горизонтальные линии с интервалом между ними, равным одной - двум высотам уступа; на каждой горизонтали отмечают средние точки, равноудаленные от боковых сторон рудного тела и соединяют ломаной линией, которую аппроксимируют прямой линией таким образом, чтобы линия была близка по возможности к наибольшему числу отмеченных точек. Эта прямая будет являться средней линией параллелограмма. Вид уравнения прямой подбирается с помощью метода наименьших квадратов; на каждой горизонтали замеряют значение мощности и на их основе вычисляют среднюю мощность залежи т :
- 1 V-
т = —• > тг , (1)
П г=1
где п - число замеров (горизонтальных линий).
Затем строят стороны параллелограмма, то есть две прямые, параллельные средней линии и удален-
т
ные от нее на расстояние + —.
• Задаются углы погашенного борта карьера aj=35°, «2=40°, «з=45°.
• По заданным величинам горизонтальной мощности m и глубины залежи по падению Н3 и принятому углу погашения борта карьера а\ определяется рациональная глубина карьера по зависимости
H" = Hl'Sin | + m, (2)
где Нзал - максимальная глубина залегания рудного тела, м; а - угол нерабочего борта карьера, град; m -мощность рудного тела, м; n - эмпирический коэффициент, полученный по результатам экономикоматематического моделирования. Значения коэффициента n, зависящие от глубины залегания, представлены в табл. 1 и на рис. 1.
Зависимость для определения рациональной глубины карьера была получена в результате экономикоматематического моделирования. Для расчетов изменения затрат на открыто-подземную разработку при изменении глубины карьера была принята упрощенная геометрическая модель с параметрами, определенными по результатам анализа месторождений, отрабатываемых комбинированным способом: угол падения рудной залежи - 75°, мощность рудной залежи изменяется от 100 до 300 м, глубина по падению - в пределах 400-800 м, длина по простиранию - 1000 м, мощность наносов - 20 м, угол погашения борта карьера - 35-45°, мощность изолирующей потолочины -20 м, ширина карьера по низу - 30 м; коэффициент крепости пород - 10 (рис. 2).
Для создания программы расчета затрат на добычу использована методика расчета себестоимости открытого, открыто-подземного и подземного способов, предложенная в работе А.В. Красавина [4]. Предложенные зависимости были откорректированы с учетом изменения цен и введены дополнительные коэф-фициенты, зависящие от количества запасов полезного ископаемого, мощности рудного тела и угла нерабочего борта карьера. На рис. 3 представлена зависимость себестоимости добычи на каждом этапе разработки, а на рис. 4 - зависимость совокупной себестоимости комбинированной разработки.
• При принятом значении угла погашения борта карьера а1, сцепления с, угла внутреннего трения пород tp определяем глубину карьера по геомеханическим условиям с учетом заложения камеры. Затем строим зависимость вида H=J(K3y). По ней определяем глубину
Таблица 1
Значения показателя П при различных глубинах залегания рудных тел Изал
Глубина залегания Нзал, м Коэффициент n
400 1,06
600 1,01
800 0,97
1000 0,95
карьера с требуемым коэффициентом запаса устойчивости, который зависит от срока службы карьера.
Для этого определяем коэффициенты запаса устойчивости для двух-трех глубин карьера в интервале Н=260-460 м (диапазон изменения принят на основе анализа месторождений, отрабатываемых комбинированным способом) по формуле
И
Кзу = х1 + х2 -а + х3 • с + х4-ъ х5 - у, (3)
Н
где XI, х2, х3, х4, х5 - аналитические коэффициенты, зависящие от глубины карьера (табл. 2); а - угол откоса борта карьера, град; с - сцепление пород в массиве, МПа; ИН - отношение глубины заложения выработки и глубины карьера.
Глубина залегания Нт, м Рис. 1. Значения эмпирического коэффициента П при различных глубинах залегания рудных тел Изал
Ho, Hon, Hn - глубина соответственно открытых, открыто-подземных и подземных горных работ, м; 30, Зоп, Зп - запасы соответственно для открытой, открыто-подземной и подземной разработки, млнт; Зпот - запасы потолочины, м; р - угол падения рудной залежи, град; m - мощность рудной залежи, м;
Нзал - глубина залегания, м; mH - мощность наносов; a - угол погашения борта карьера; тПот - мощность изолирующей потолочины;
Бн - ширина карьера по низу
Данная зависимость была получена с использованием статистического метода «крутого восжждения», при помощи которого были обработаны результаты моделирования различных условий подработки борта карьера в условиях программного комплекса ТЕМ (УГГА, г. Екатеринбург), основанного на методе конечных элементов (МКЭ). Параметры математического моделирования выбраны с учетом проведенного анализа месторождений: глубина карьеров Ик=260-460 м; угол откоса борта карьера а =45-55°; размеры камеры Ь ■ к = 40• 40 м; глубина заложения камеры ЫИ = (0,5-0,9)И. Физико-механические свойства пород в массиве приняты следующие: сцепление пород С = 0,1-0,3 МПа; угол внутреннего трения ^ = 26-30°; плотность у = 2,8 т/м .
• Сравниваем рациональную глубину с рассчитанной по геомеханическим условиям.
• Если значение глубины карьера по экономическим условиям равно значению глубины карьера по геомеханическим условиям, необходимо проверить её по аналитической формуле, учитывающей тектонические напряжения в подработанном массиве [5]:
Рис. 3. Зависимость себестоимости добычи на этапах разработки при глубине заложения И3ал=600 м, мощности рудного тела m=100 м; угол откоса борта карьера а=35 град:
Со - себестоимость открытых работ;
Со-п - себестоимость открыто-подземных работ;
Сп - себестоимость подземных работ; Ссов - совокупная себестоимость разработки месторождения
Глубина ОГР, м
Рис. 4. Зависимость совокупной себестоимости комбинированной разработки при глубине заложения И3ал=800 м, угол откоса борта карьера а=40 град
н 8,83 • cos ут-cos Д,- (cp1+tg2a-T- (tgg-tg<?p)) ^ (tga-tg^p)-v-у-(1 +tg^p) ’
где yT - угол отклонения результирующей силы всех составляющих объемного напряженного состояния от вертикальной плоскости, град; Д) - угол отклонения результирующей силы всех составляющих объемного напряженного состояния от горизонтальной плоскости, град; Ср - сцепление пород в массиве, Па; а - угол наклона борта карьера, град; Т - природные тектонические напряжения, Па; ^ - угол внутреннего трения, град; v - коэффициент бокового распора; у- удельный вес пород, Н/м .
Свойства пород в массиве определяются с учетом коэффициента запаса устойчивости
зу
(5)
зу
• Если значение глубины карьера по экономическим условиям не равно значению глубины карьера по геомеханическим условиям, принимаем новое значение угла погашения борта карьера а2 и выполняем пункты с 3 по 5, пока глубина карьера по экономическим условиям не будет равна глубине карьера по геомеханическим условиям Нр=Нт.
Для условий Весенне-Аралчинского и Молодежного месторождений определена оптимальная глубина карьера при комбинированной разработке с заданным углом борта карьера.
Весеннее медно-колчеданное месторождение располагается в Оренбургской области. Запасы составляют 15,76 млн т. Проектная глубина карьера - 280 м. Угол откоса борта карьера - 42°.
Полиметаллическое месторождение Молодежное расположено на юго-восточном фланге Узельгинского рудного поля, в 12 км к югу от поселка Межозёрный (Верхнеуральский район Челябинской области у границы с Башкирией). Глубина залегания рудной залежи -430 м. Запасы месторождения - 20 млн т. Для месторождения характерно наличие многочисленных пережимов мощности, вкрапленностей. Крепость пород и руд -8-16. Месторождение Молодежное отработано карьером, предельная глубина которого составила 248 м.
Производительность при открытой и подземной разработке принята 500 тыс.т/год, при отработке открыто-подземного яруса - 100 тыс.т/год.
Глубину карьера на Весеннем месторождении при заданных условиях рекомендуется принять Н0=255 м, на Молодежном месторождении Я0=260 м, это позво-
Таблица 2
Значения аналитических коэффициентов
Глубина Аналитические коэффициенты
карьера, м Х1 Х2 Х3 Х4 Х5
260 1,37 -0,025 1,5 -0,13 0,022
360 1,35 -0,023 1,18 -0,22 0,02
460 1,05 -0,023 1,18 -0,2 0,027
лит увеличить дожды от разработки месторождений соответственно на 14,7 и на 3,8 млн руб. (табл. 3).
Применение предложенной методики позволит с достаточной сте-пенью точности определять оптимальные параметры открытых горных работ при комбинированной разработке месторождений.
Таблица 3
Сравнение проектной и оптимальной глубины открытых горных работ
Месторож- дение Средняя мощность рудного тела, м Проектная глубина карьера, м Оптимальная глубина карьера, м Существующая глубина карьера, м Экономический эффект, млн руб.
Весеннее 50 2 СО О 255 - 14,7
Молодежное 50 248 260 248 3,78
Список литературы
1. Каплунов Д.Р., Калмыков В.Н., Рыльникова М.В. Комбинированная геотехнология. М.: Издательский дом «Руда и металлы», 2003. 560 с.
2. Агошков М.И., Гопьдман Е.Л., Кривенков Н.А. Экономика горнорудной промышленности: учеб. пособие для вузов. М.: Недра, 1986. 264 с.
3. Хохряков В.С. Проектирование карьеров. М.: Недра, 1992.
4. Красавин А.В. Разработка методики математического моделирования технологических схем перехода к комбинированной геотехнологии при освоении рудных месторождений: ав-тореф. дис. ... канд. те<н. наук. Магнитогорск, 2005. 19 с.
5. Кузнецова Т.С., Мещеряков Ю.Б., Некерова Т.В. Предельная высота подработанного откоса подземными выработкам при действии объемных сил // Вестник МГТУ. Магнитогорск, 2009. № 3. С. 5-8.
List of literature
1. Kaplunov D.R., Kalmykov V.N., Pyl'nikova M.V. Combined geotechnology. M.: «Ore and metals», 2003. 560 p.
2. Agoshkov M.I., Gol'dman E.L., Krivenkov NA. Economic of mining. M.: Depths, 1986. 264 p.
3. Hohryakov V.S. Projecting of an opencast. M.: Depths, 1992.
4. Krasavin A .V. Work out of method mathematic model of technology schemes of conversion by combined geotechnology for mining ore deposits: Avtoref. thesis. cand. of techn. sciences. Magnitogorsk, 2005. 19 p.
5. Kuznetsova T.S., Mesheryakov YU.B., Neckerova T.V. The Limit height of flank of an opencast, which work up underground headings at action of three-dementional powers // Vestnik MGTUI. Magnitogorsk, 2009. № 3. P. 5-8.
УДК 622.272
Калмыков В.Н., Григорьев В.В., Волков П.В.
ИЗЫСКАНИЕ ВАРИАНТОВ СИСТЕМ РАЗРАБОТКИ ДЛЯ ВЫЕМКИ ПРИБОРТОВЫХ ЗАПАСОВ ПРИ КОМБИНИРОВАННОЙ ГЕОТЕХНОЛОГИИ
Крутопадающие рудные месторождения, с большой глубиной распространения, осваиваются с использованием комбинированных геотехнологий. За предельными контурами карьеров остаются значительные запасы, которые дорабатываются подземным или открыто-подземным способом. Наибольшие сложности возникают при выемке прибортовых запасов, поскольку их отработка вызывает нарушение устойчивости бортов карьеров, сопровождается разлетом отбитой руды в выработанное пространство, имеют место проблемы с вентиляцией подземных выработок, транспортом и подъемом рудной массы.
Вопросам отработки запасов, наждящижя за пределами контура карьеров, посвящено много исследований и накоплен достаточно большой опыт в отечественной и зарубежной практике. С достаточной детальностью изучены особенности геомеханических процессов в массивахпород в процессе открытых и подземных работ, составлены методики прогноза напряженного состояния несущих элементов горных конструкций, формируемых в прибортовой зоне, предложены методики обоснования параметров систем разработки, рекомендовано большое количество конструкций систем разработки на примере конкретныхместорождений.
Несмотря на большой объем исследований по этой тематике, предлагаемые типовые технологические схе-
мы выемки прибортовых запасов не учитывают всего многообразия горно-геологических условий. Не оценено влияние различных факторов на конструкции и показатели систем разработки, не в полной мере определены эффективные области применения прогрессивных технологических схем для запасов, характеризующихся различными технологическими, морфологическими и геомеханическими параметрами, не обоснован рациональный порядок извлечения таких запасов.
Конструкции систем разработки для выемки запасов прибортовой зоны имеют ряд особенностей, вызванных нестандартной морфологией отрабатываемых участков залежей, спецификой силовых полей в рудном массиве, наличием карьерной выемки, которая может рассматриваться как вскрывающая, а иногда как подготовительная, повышенной нарушенно-стью массива руд и пород в приконтурной области.
При конструировании вариантов систем разработки для прибортовых запасов, наряду с обеспечением требований безопасности и охраны недр, исждили из следующих соображений:
- использование по возможности оборудования и элементов технологии открытых горных работ, а также карьерного пространства для подготовки и нарезки блоков, выдачи породы и руды, доставки оборудования и материалов;
