CC BY
38
СЕМИНАР 2
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 98" МОСКВА, МГГУ, 2.02.98 - 6.02.98
Б.И. Дидух, В.Д. Долгушин, к.т.н., доц.,
РУДН РУДН
РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ГОРНОЙ МАССЫ НА НАГОРНЫХ КАРЬЕРАХ
Ресурсо- и энергосберегающие технологии - одно из прогрессивных направлений развития современной технологии разработки полезных ископаемых. По прогнозам в ХХ! веке человечество научится использовать силу гравитации для генерирования энергии при выполнении трудоемких работ. Перемещение горной массы на карьерах является самым трудоемким и дорогостоящим процессом.
В [1] правильно отмечается, что “...будущее на нагорных карьерах- за гравитационным транспортом... и наша задача - более полно использовать природную энергию, заключенную в недрах”. В статье выделено два перспективных направления развития гравитационного транспорта на нагорных карьерах: взрывомеханизированная подвалка горной массы на рабочем борту карьера и гравитационное перемещение горной массы по подземным выработкам для повышения экологичности открытых горных работ.
По нашему мнению, перспективны и другие технологические схемы перемещения горной массы с использованием сил гравитации на нагорных карьерах, а именно:
С временным формированием навалов горной массы на склоне и последующим инициированием управляемого обвально-лавинного движения по склону или по подготовленному скату. Инициирование движения может осуществляться взрыванием зарядов ВВ или с помощью вибрационных питателей, работающих под завалом.
С рекуперацией энергии с применением:
♦ конвейерных линий,
♦ подвесных канатных дорог,
♦ трубопроводов с использованием в качестве несущей среды жидкости или воздуха.
При технологических схемах с рекуперацией энергии требуется перенос дробильного оборудования в карьер или на борт карьера и загрузка измельченной горной массы в транспортные сосуды или трубопровод через бункер или другое устройство. Эффективность таких схем вполне очевидна даже в случае, когда полученная энергия не полностью компенсирует затраты на подъем транспортных сосудов или несущей среды в карьер, но в любом случае она может быть использована на хозяйственные нужды. При дозированной загрузке горной массы в трубопровод в специальных сосудах (или капсулах) регенерация энергии также возможна при использовании в качестве несущей среды воздуха или воды. При технологических схемах с аккумулированием горной массы на склоне и последую-
щим инициированием обвально-лавинного движения требуется научно обосновать параметры движения разрушенных горных пород по склону, так как известно, что в определенных условиях - при большой накопленной кинетической энергии движущейся горной массы происходит резкое снижение коэффициента трения (до величины 0,15 - 0,20, характерной для вязких жидкостей) и как следствие этого - пробег таких лавин даже при отсутствии воды резко увеличивается.
Таким образом, такие технологии требуют решения двух важных научных задач, направленных на обоснование:
♦ критической массы навала скальных пород на склоне, до достижения которой обеспечивается его устойчивость и безопасное формирование навала в течении определенного времени и,
♦ управляемого обрушения навала с достоверным прогнозом контролируемого перемещения пород по естественному склону горы или по заранее образованному скату.
Если первая задача и может быть решена с определенной степенью точности методами геомеханики, то вторая задача в настоящее время еще далека от решения и требует разработки адекватной физической модели и расчетной схемы.
Прогноз движения разрушенной скальной породы по склону представляет особо сложную задачу ввиду невозможности детальной оценки многих факторов, определяющих механические свойства движущегося объекта. В этих условиях практическое значение приобретают простейшие схематизации движения, в частности, представление о движущемся массиве породы как твердого тела, перемещающегося относительно неподвижного основания по поверхности, образованной при взрыве зарядов. На практике такие поверхности реализуются часто как близкие к плоским или круглоцилиндрическим. Многие реальные ситуации допускают схематизацию процесса смещения породы по склону как движение твердого тела произвольной конфигурации по круглоцилиндрической поверхности в условиях плоской задачи.
Исходное положение блока горной породы характеризуется начальными координатами его центра масс X,, у,. В число параметров задачи входят: центр О и радиус R окружности скольжения; площадь сечения блока А; полярный момент инерции блока Jо относительно центра окружности О; коэффициент трения 1
Коэффициент трения определяется в зависимости от объема смещающейся породы V (в м3) по формуле, полученной при обобщении данных, приведенных в [2]:
r
/x: + ys =
№
22 xn + y о . где индексом s
f = 100,524^0Д57
На рис.1 показано положение блока в некоторый момент времени t. Все точки блока движутся по окружности с центром О. Радиус движения центра масс г равен
V3
помечены начальные, а индексом о -текущие координаты центра масс. Угол ф отсчитывается против часовой стрелки от оси X и указывает положение радиуса, на котором находится центр масс блока 8.
На блок действуют силы тяжести G и равнодействующая сил реакции со стороны неподвижного массива с составляющими N (вдоль радиуса) и Р (по касательной к окружности скольжения). Неизвестными являются Р, N и точка приложения реакции, характеризуемая углом а.
Принимается, что в процессе движения силы N и Р связаны законом сухого трения
Р = f ■ N. (1)
Полная система уравнений задачи включает уравнения движения плоского тела:
mx.
G - F sin а - N cosа;
(2)
my = F cosa - N sin a; (3)
J o4> = FR - Gy о ; (4)
геометрические соотношения:
X 0 = Г COSф:; (5)
У о = r sin ф (6)
и равенство (1).
Здесь m = psA - масса блока (в расчете на единицу длины вдоль оси, перпендикулярной плоскости чертежа рис. 1); ps - плотность породы. Точки обозначают дифференцирование по времени t.
Шесть уравнений (1) - (6) содержат 6 неизвестных функций x0, yo,, ф, F, N, a аргумента t.
Начальные условия задачи:
ф(о) = arctg—s = ф о;
ys
(7)
ф(о) = о. (8)
Посредством введения безразмерных переменных по формулам
x = xo/R;
y = yo/R;
т = t/to;
n = N/G
система уравнений (1) - (6) преобразуется к безразмерному виду.
Здесь = к^;, g - ускорение свободного па-
дения.
Производные по реальному времени 1 выражаются через производные по безразмерному времени т с помощью формул:
gx";
•• g ,,
ф = R ф"
где штрихи обозначают дифференцирование по т.
Выражая вес блока через его массу G = mg и вводя безразмерные параметры л _ тК
можно
записать систему уравнений (ї)-(б) в безразмерном виде:
x"" = 1 - n(sin а + cosа); (9)
y"" = n(f cosa - sin а); (ї0)
ф"" = Л(fn - psin ф); (її)
x = p cos ф; (ї2)
y = psin ф. (їЗ)
Из уравнений (9) и (ї0) следует:
(1 + f2) n sina = f - fx- y”;
(1+ f2) n cosa = fy” - x” + 1.
После возведения в квадрат и сложения соответственно левых и правых частей этих равенств получается: n2(1 + f2)2 = (f -fx” - y”)2 +(fy” - x” + 1)2(ї4)
Двойное дифференцирование по т равенств (ї2) и (їЗ) приводит к результату:
x” = -p[s9” + с(ф')2]; (ї5)
y” = p[c9” - s(9') ]
(їб)
Здесь обозначено s = smф; с = cosф.
Теперь, если (15) и (16) подставить в (14), а это последнее в (11), то получается одно уравнение с одним неизвестным ф.
Если обозначить ф' = Ф, то
dФ dФ dф dФ
ф''
• — = — • Ф.
dx dф dx dф
Формулы (ї5), (їб) и (її) принимают вид:
, dФ
x" = - pФ(s— + сФ);
Оф
, оф y" = pф(c-Оф - 1Ф);
ОФ
Ф— A,ps = A,f • n.
Оф
(ї7)
(ї8)
(ї9)
(20)
С использованием формул (18), (19) выражение в скобках в правой части (14) принимает вид:
о
б і ї999
5З
0(аЬ + hu) -
dФ СФ
f - fx" - у" = а — + Ь; fy" - х" + 1 = И — + и;
Сф Сф
где
а = pФ(fs- с); И = рФ^с + s);
Ь = f + рФ2( fc + s); и = 1 - рФ2(fs- с).
С учетом этого равенство (14) записывается в форме:
(аір+ь) + ("іМ
и2 = —^
і1+f 2)2
(21)
После возведения в квадрат обеих частей уравнения (20) и подстановки в него выражения (21) получается:
©+ 2рё)+я=0 (22)
где
р
V
2 .
0(а2 + И2) -Ф2 ’ w = (ЛpS)2;; V = 2ЛрвФ;
q
0(Ь2 + и2) - w
0(а2 + И2) -Ф2 (М )2
0 =
(1 + f2)2
Равенство (22) представляет собой квадратное dФ т-
уравнение относительно — Его решением, отве-
скр
чающим физическому смыслу задачи, является выражение
СФ /1—
Сф = -р -^р - q .
(23)
Таким образом поставленная задача сведена к интегрированию обыкновенного дифференциального уравнения 1-го порядка вида
Сф = ^(ф, ф), (24)
где у выражается правой частью Начальное условие Ф(ф0) = 0
(23)
(25)
следует из (7),(8) и (17). Интегрирование уравнения (23) выполнено методом Рунге-Кутта.
Разработанная методика расчета была применена для оценки перемещения пород двух известных природных лавинных обвалов Рарз и Усой объемом 200 и 2000 млн м3 соответственно. Результаты расчетов при коэффициенте трения, равном 0,209 и 0,146 соответственно, и данные наблюдений по этим обвальным лавинам оказались достаточно близкими, что свидетельствует о пригодности данной методики для практических инженерных прогнозов.
Данная методика была также использована для расчета движения обрушаемой взрывом породы в каньон реки Нарын с целью образования тела плотины проектируемой Камбаратинской ГЭС в Киргизстане.
Борта ущелья сложены сильно трещиноватыми гранитами и гранито-гнейсами. Их крутизна 35 - 50о. Превышение водораздельных хребтов над урезом воды в реке составляет 900 - 1200 м. Ширина каньона по урезу воды 30 - 60 м, на отметках гребня плотины 700 - 800 м. Проектная высота плотины 275 м, ширина 2,5 км. Общий объем навала разрушенных скальных пород 223 млн м3 с расчетным коэффициентом разрыхления 1,3.
Проектом предусматривается взорвать последовательно с интервалом в 2 секунды четыре линейных заряда длиной по 500 м, располагаемых параллельно руслу реки в левом крутом борту ущелья на глубине от поверхности от 130 м (для нижнего заряда) до 210 м (для вышележащих зарядов). Объем породы, разрушаемой зарядами составляет соответственно 21,3; 46,1; 47,7 и 56,5 млн м3.
После взрыва первого заряда должен произойти полный сброс породы в каньон реки. Принимается, что обрушение породы после каждого взрыва проис-
ходит с образованием откоса в 70о, и последовательное взрывание зарядов рыхления 2, 3, 4 приводит в движение блоки П, Ш, IV по круглоцилиндрической поверхности скольжения. Подземные выработки для размещения зарядов ВВ располагаются по контуру этой предполагаемой поверхности. Таким образом удельный расход ВВ по сравнению со взрывами на сброс снижается на 40 - 45%. При этом взрывание зарядов 2, 3 и 4 инициирует обвально-лавинное движение горной массы по склону.
На рис. 2-4 изображены профиль каньона и подземные выработки для размещения зарядов 1-4. На каждом рисунке показано исходное положение блоков П, Ш, IV и найденное из расчета их положение в момент прекращения движения, т.е. при dф/dt=0. Расчеты показывают, что большая часть объема породы
блоков П и Ш успеет обрушиться в русло реки (за точку С); блок IV обрушается полностью.
Таким образом, разработанная методика вполне приемлема для практического инженерного расчета параметров гравитационного перемещения скальной горной массы на нагорных карьерах, так как она позволяет определять положение движущегося блока породы в любой момент времени.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ильин С.А. Развитие гравитационного транспорта на нагорных карьерах // Горный журнал - 1996.- N 7-8.
2. Шейдеггер А.Е. Физические аспекты природных ка-тастроф.-М.: Недра, 1981.-232 с.
© Б.И. Дидух, В.Д. Долгушин
С.И. Фомин, доц., к.т.н.
СПГГИ
Оптимизация формирования рабочей зоны глубоких карьеров
Формирование рабочей зоны карьера в пространстве и времени осуществляется при изменении ширины рабочих площадок, подвигании рабочего борта в процессе развития горных работ. Ширина рабочих площадок включает минимальную ширину и определенный запас, снижающий влияние ведения горных работ на смежных уступах. На каждом рабочем уступе в карьере существует предельное значение ширины рабочих площадок, при котором горные работы на нижележащем уступе должны быть остановлены, чтобы избежать остановки их на данном уступе. Это предельное значение и является минимальной шириной рабочей площадки. Минимальная ширина рабочей площадки обеспечивает нормальную работу горно-транспортного оборудования, размещаемого только на данном уступе. Для поддержания надежной работы карьера необходимо иметь резервную полосу рабочей площадки в которой сосредоточены объемы готовых к выемке запасов.
Регулирование шириной рабочих площадок, а следовательно и объемами готовых к выемке запасов на уступах, при соблюдении закономерностей формирования карьерного пространства, позволяет создавать определенную форму рабочего борта, соответствующую максимуму надежности работы системы-карьер.
Как показали исследования [1,2,3,4,5] ,при формировании рабочей зоны с углубкой карьера, рабочие уступы при горизонтальном подвигании должны опережать нижележащий на величину не менее минимальной ширины рабочей площадки, а при развитии
горных работ в глубину на нижнем рабочем уступе должна сохраняться минимальная ширина рабочей площадки.
Формирование рабочей зоны карьера, разрабатывающего крутопадающее месторождение, происходит в двух направлениях - горизонтальное подвигание уступов и вертикальная углубка карьера.
В работах [1,2] установлено, что выражением взаимосвязи между этими двумя направлениями являются зависимости:
Иг <--------У-------, м/год, (1)
<±др + <*д(3
и/ <________—_______, м/год, (2)
<*9Ф 1 - <*др
где ^., №г - скорость углубки карьера в зависимости от интенсивности работ, соответственно со стороны висячего и лежачего боков залежи, м/год; и, и' -горизонтальная скорость подвигания рабочих уступов в сторону соответственно висячего и лежачего боков залежи, м/год; р - угол направления углубки карьера, град.; ф, ф! - углы откоса рабочего борта, соответственно со стороны висячего и лежачего бока залежи, град.
Аналитическое выражение закона соразмерного развития горных работ на смежных уступах [3] можно представить в следующем виде:
(Ві - Вт)
иі г иі+! -V ' { , (3)
где и! , и і+і - горизонтальная скорость перемещения
1-го и нижележащего (1+1)-го уступа, м/год; t -период оценки ситуации в карьере, лет; В1 - ширина рабочей площадки 1-го уступа, м; Вт - минимальная ширина рабочей площадки, м.
Для рабочего борта карьера должно соблюдаться условие:
NtQ h-ф
> U,
(4)
где N,1, - общее количество экскаваторов, установленных на рабочем борту карьера; Qэ - производительность экскаватора, м3 / год; h - высота уступов в карьере, м; Lф - общая длина фронта работ по рабочему борту карьера, м; ин - необходимая горизонтальная скорость перемещения рабочих уступов, м / год.
Следовательно для уступов рабочего борта должно выполняться неравенство:
QaNj > Q3Nj+1 _ ABi Lih -
(5)
Ч+1И *
где N - количество экскаваторов на 1-м уступе; N+1 -количество экскаваторов на нижележащем (1+1)-м уступе; L1 - длина фронта работ на 1-м уступе, м; L 1+1 - длина фронта работ на нижележащем (1+1)-м уступе, м; ДВ1 - ширина резервной полосы рабочей площадки, м; t - продолжительность оценки ситуации в карьере, лет.
Количество экскаваторов, обеспечивающее необходимое подвигание фронта добычных работ на рабочем уступе
У|1_|И
Ni
(6)
Площадь рабочей площадки i-го уступа, отрабатываемая за определенный период времени (например, за год)
Si = Li (Bm + ABj + h • ctga), (7)
где a - угол откоса уступа, град.
Для определения положения рабочего борта карьера на момент окончания подготовки нового горизонта, по установленной скорости углубки h , обеспечивающей производительность карьера удовлетворяющую спросу на руду данного карьера, необходимо определить нормативную скорость подвигания уступов при поддержании минимальной ширины рабочих площадок
UH = hr (йдф
max - ctgp) , м/год (8)
С учетом того что скорость углубки карьера [2]
hr = —, м/год (9)
r T
где T - продолжительность подготовки нового горизонта, лет,
h ctg9 = Bi + h ctg a.
Горизонтальное подвигание уступов при подготовке нового горизонта [6]
li = Ui • t > h(ctgф - ctgp), м (10)
li = B + h(ctga - ctgp)
. м
(11)
Представленные выше зависимости (10-11) характеризуют систему разработки продольными заходка-ми с углубкой. Для системы разработки поперечными заходками с углубкой горизонтальное подвигание уступов может быть определено из выражения
(12)
li = h(ctgy - ctgro),
где у - угол откоса рабочего борта по простиранию, град.; ю - угол направления углубки по простиранию, град.
В системах разработки поперечными заходками, при определении длины фронта работ, рассматривается длина поперечного фронта работ.
Нормативное подвигание фронта работ на рабочих уступах, при условии поддержания минимальной ширины рабочей площадки
1Н = и ^Т, м.
С учетом формул (11-12) для 1-го рабочего уступа карьера горизонтальное подвигание
li = lH _ ZBi +]^Bmi
м
(13)
м (14)
|i = 2Вт- 2В1 + ^ с*д« ± с*дРп^(п+1)),
п п
где р п-(п+1) - угол направления углубки с горизонта п на горизонт (п+1), град.
При этом объем горной массы извлекаемой с каждого 1- го горизонта Vi = 11 • и• Li, м3 или с учетом формулы (6.76)
1 ' / \ , м3
V = [2 Вт - 2 В| + ^йда ± с*дРп^(п+1))] • и1-| п п
(15)
При рассмотрении открытой разработки месторождений с выдержанной мощностью полезного ископаемого, когда добычные и вскрышные уступы имеют четкое разделение, по формуле (15) можно определить объемы полезного ископаемого и вскрыши, которые необходимо добыть и удалить для обеспечения нормативного подвигания уступов 1н.
Для сложной структуры строения месторождения, при определении объемов (У'ш) вскрыши и (Ур) полезного ископаемого, обеспечивающих нормативное подвига-ние уступов, можно использовать величины ^ р1 и S в1) отрабатываемой площади полезного ископаемого и вскрыши. Использование этих величин объясняется колебаниями длины фронта работ по полезному ископаемому и вскрыше по мере подвигания фронта работ на горизонтах. При этом формула (15) примет вид: для полезного ископаемого V!» = S р1 h = 1 1 Lсррl h , (16)
для вскрышных пород V* = S В1 h = 1 1 LсрBl Ь, где Lсррl - средняя длина фронта работ по полезному ископаемому на 1- м горизонте, м; Lср в1 - средняя
n
п
длина фронта работ по вскрыше на 1 - м горизонте, м.
Общий объем полезного ископаемого, добываемого в карьере для обеспечения нормативного подвига-ния уступов
Vpl =І>рі = И£вр
(17)
п п
общий объем извлекаемой при этом вскрыши
у£ = £ув = . (18)
п п
Результаты исследований позволяют при календарном планировании горных работ установить положение рабочей зоны карьера (например, на момент окончания подготовки каждого горизонта), обеспечивающее максимально возможную в данных условиях величину надежности работы системы-карьер. Определенное выше нормативное подвигание рабочей зоны карьера дает возможность получить величины подвигания фронта работ на рабочих уступах и минимально необходимого количества экскаваторов, на момент окончания подготовки любого горизонта. При открытой разработке месторождений необходимо обеспечивать не только нормативное, но и подвига-ние рабочей зоны карьера, соответствующее установленной производительности карьера по горной массе, отвечающей спросу на руду данного карьера или, например, объему фьючерсного контракта.
Установленная производительность, соответствующая периодам относительной стабилизации спроса на сырье данного карьера, на момент окончания подготовки любого заданного горизонта, как по полезному (Р), так и по вскрыше (V) может быть определена из выражений
Р = Vй р + ДР' , м3 V = Vя в + Д V' , м3
(19)
(20)
где ДР ' - разность в добываемых объемах полезного ископаемого при установленной производительности карьера по полезному ископаемому и производительности при нормативном подвигании рабочих уступов, м3 ; Д V' - разность в извлекаемых объемах вскрыши при установленной производительности карьера по вскрыше и производительности для нормативного подвигания уступов, м3 .
С учетом формул (17 и 18)
| I
р = врі + ИХАв'рі
(21)
м
(22)
V = И]Гвв| = АБ'в|
п п
где ДS 'р1 - разность в отрабатываемых площадях, по полезному ископаемому, рабочих площадок 1-го уступа, при установленной производительности карьера по полезному ископаемому и производительности при нормативном подвигании фронта работ на 1-м уступе, м2; ДS ' в1 - разность в отрабатываемых площадях рабочих площадок по вскрыше 1-го уступа, при установ-
ленной производительности карьера по вскрыше и производительности по вскрыше при нормативном подвигании фронта работ на 1-м уступе, м2.
Разность в добываемых объемах полезного ископаемого в карьере при установленной производительности по полезному ископаемому и для производительности при нормативном подвигании уступов I I
АР' = И^Аврі = И£АВр^,
м
(23)
ф1 _ '-“-'р1‘-рг
п п
где ДВ'р1 - разность в подвигании рабочих площадок добычных уступов для двух рассматриваемых вариантов производительности карьера, м; L р1 - длина фронта работ по полезному ископаемому на 1-м уступе, м.
Разность в извлекаемых объемах вскрыши в карьере при установленной производительности по вскрыше и для производительности по вскрыше при нормативном подвигании уступов I I
м
(24)
АУ' = Н£ А§В = И^АВВ^Ьв пп
где ДВ в1 - разность в подвигании рабочих площадок вскрышных уступов для двух рассматриваемых вариантов производительности карьера, м; L в1 - длина фронта работ по вскрыше на 1-м уступе, м.
В результате подвигания рабочих уступов, на величину большую, чем при нормативном подвигании, на рабочих уступах сформировались площадки больше минимальных, т.е. имеется резервная полоса рабочих площадок, характеризующая наличие объемов готовых к выемке запасов на уступах. Объем полезного в резервной полосе рабочей площадки 1-го добычного уступа
АРі = АBpiLpih =
рі , м
3
(25)
L
рб
где Тр1 - резерв работы і-го добычного уступа, мес.; Цб -длина блока добычного экскаватора ,м; Qэр -производительность добычного экскаватора, м3 / мес; ДВ р1 -ширина резервной полосы і-го добычного уступа, м.
Для карьера в целом, объем полезного ископаемого в резервных полосах рабочих площадок - готовые к выемке запасы, на момент окончания подготовки данного горизонта
АР = £ АРі = QэрZTpi ■ Прі, м3 (26)
П П
где п рі - количество добычных экскаваторов на і-м уступе.
Резерв работы карьера по полезному ископаемому, на момент окончания подготовки данного горизонта
тр = Е трі = Е
- АВр^ріИ, мес.
(27)
QэрПpi
п п
Объем вскрыши в резервной полосе рабочей площадки 1-го вскрышного уступа - опережение вскрыши
(28)
АУі = АВ^И =
Lвб
м
где Т в1 - резерв работы і-го вскрышного уступа, мес.;
м
L вб - длина блока вскрышного экскаватора, м; Q эв _ производительность вскрышного экскаватора, м3 / мес; ДВ в1 - ширина резервной полосы 1-го вскрышного уступа, м.
Для карьера в целом, объем вскрыши в резервных полосах рабочих площадок - опережение вскрыши, на момент окончания подготовки данного горизонта
| | м3 (29)
АУ = £АV| = QэвE Тв • пвТ 1 ;
п п
где п в1 - количество вскрышных экскаваторов на 1-м уступе.
Резерв работы карьера по вскрыше, на момент окончания подготовки данного горизонта
т = 2 т = 2 АВв^Ьв^И, мес (30)
в В ^ л
п п Qэвпн
Распределение величин Д^ и ДР' на уступах по высоте рабочего борта определяет уровень надежности работы системы-карьер. Как показали исследования, при максимально возможной в данных условиях величине объемов готовых к выемке запасов на верхних добычных уступах и опережения вскрыши на нижних вскрышных, надежность работы системы-карьер будет близка к максимальной [6].
Законы формирования карьерного пространства таковы, что длина фронта работ вышележащих уступов больше, чем нижележащих, и это позволяет заменить распределение величин Д^ и ДР' распределением величин ДВ р1 и ДВ в1 .
В общем случае, для добычных уступов необходимо обеспечить подвигание фронта работ, при котором выполняется условие
ДР (1-1) > ДР 1 > ДР (1+1) или ДВ р(1+1) L р(1+1) Ь < ДВ р1 L р1 Ь < ДВ р(1-1) L р(1-1) Ь . (31)
Для вскрышных уступов в этом случае должно выполняться следующее условие
ДV (1+1) > ДV 1 > ДV (1-1) или
ДВ в(1+1) L в(1+1) Ь > ДВ в1 L в1 Ь > ДВ в(1-1) L в(1-1) Ь
. (32)
Общим для всех рабочих уступов карьера является условие В 1 > В т1п .
В результате извлечения объема Д V' и добычи объема ДР , рабочий борт карьера займет положение, соответствующее установленной производительности карьера, на момент окончания подготовки ( п+1) - го горизонта, а рабочие площадки на уступах сформируются в положение отличное от нормативного.
Таким образом, ширина резервной полосы рабочей площадки на данном горизонте формируется при извлечении объемов горной массы как на данном горизонте, так и на вышележащем. Ширина рабочих площадок на добычных уступах
В р1 = В т _ ДВ ' р1 + ДВ ' р(1-1) ,
В р(1+1) = В т _ ДВ ' р(1+1) + ДВ ' р1 . (33)
При установлении ширины рабочих площадок вскрышных и добычных уступов должны выполняться условия
ДВ ' р(1-1) > ДВ ' р1 > ДВ ' р(1+1) > ДВ ' рп ,
ДВ ' в(1-1) > ДВ ' в1 > ДВ ' в(1+1) > ДВ ' вп ,
ДВ V > ДВ 'вп , (34)
где ДВ р1 - разность в подвигании рабочих площадок для верхнего добычного уступа, м; ДВ вп - разность в подвигании рабочих площадок для нижнего вскрышного уступа, м.
Определение положения рабочего борта карьера, объемов готовых к выемке запасов, резерва работы карьера, на момент окончания подготовки любого горизонта, соответствующего максимально возможной в данных условиях надежности работы системы-карьер, может быть осуществлено с использованием динамического программирования - метода выбора оптимального решения как функции ранее предпринятых действий.
Решение задачи оптимизации сводится к нахождению значений показателей, при которых целевая функция принимает экстремальное значение, обеспечивающих максимальную надежность работы системы-карьер, с учетом имеющихся ограничений.
Оптимизация проводится в два этапа. Первый этап относится к добычным работам. На первом этапе признаком оптимальности принимается максимум объема готовых к выемке запасов на верхнем добычном уступе, при поддержании готовых к выемке запасов на всех рабочих уступах по высоте борта карьера, и при соблюдении условия превышения величины этих запасов на вышележащем добычном уступе, по сравнению с нижележащим, с учетом ряда ограничивающих факторов.
Результаты расчетов по первому этапу позволяют построить положение добычных уступов рабочего борта карьера, на погоризонтных планах или совмещенном плане горных работ, на момент окончания подготовки любого горизонта, обеспечивающее максимально возможный в данных условиях уровень надежности работы системы-карьер.
Второму этапу оптимизации предшествует определение на добычных уступах карьера, при сложном строении месторождения, извлекаемых попутно объемов вскрыши. Величины этих объемов корректируют, определяемую по установленной производительности по полезному ископаемому и эксплуатационному коэффициенту вскрыши, величину установленной производительности по вскрыше V, а также ДV'.
Второй этап решения задачи относится к установлению положения вскрышных уступов рабочего борта карьера на момент окончания подготовки горизонтов. В данном случае признаком оптимальности принимается максимум объема опережения вскрыши на нижнем вскрышном уступе, при поддержании этого опережения на всех рабочих вскрышных уступах по высоте рабочего борта, при соблюдении условия превышения объема опережения вскрыши нижележащего вскрышного уступа, по сравнению с вышележащим, с учетом ряда ог-
раничивающих факторов.
Возможна ситуация, при которой в результате
осуществления второго этапа оптимизации не удается выполнить условие EДV' і = ДV' , когда EДV' і > ДV' при любых значениях начального варианта, тогда необходимо сократить полученное на первом этапе решения значение ДВ
р1 .Установление распределения величин готовых к выемке запасов и опережения вскрыши, на момент окончания подготовки ряда или всех горизонтов в процессе разработки карьера, обеспечивающее высокий уровень надежности системы-карьер, позволяет осуществлять оптимальное планирование развития горных работ и формирование рабочего борта карьера.
Результаты расчетов величин готовых к выемке запасов и опережения вскрыши, для железорудного карьера, разрабатывающего крутопадающую залежь сложного строения, за десятилетний период отработки, представлен на рис.1.
Методика формирования рабочего борта карьера, на момент окончания подготовки любого горизонта, обеспечивающего достижение установленной производительности по полезному ископаемому и вскрыше, при максимально возможной в данных условиях величине надежности работы системы-карьер, заключается в следующем:
1. Определяется нормативная скорость подви-гания фронта работ на уступах при поддержании минимальной ширины рабочих площадок, на момент окончания подготовки данного горизонта.
2. На погоризонтных планах или совмещенном плане горных работ, на момент окончания подготовки данного горизонта, отстраивается положение горных работ, соответствующее нормативному подвиганию уступов при поддержании минимальной ширины рабочих площадок.
3. Определяются разности в добываемых объемах полезного ископаемого и извлечения вскрыши при установленной производительности и производительности карьера при нормативном подвигании уступов, ДV' и ДР '.
4. По разработанной на кафедре разработки месторождений открытым способом СПГГИ программе для ПЭВМ (первый этап оптимизации) производится распределение объема готовых к выемке запасов карьера по добычным уступам, обеспечивающее максимальную в данных условиях надежность работы системы-карьер. Определяется ширина рабочих площадок добычных уступов и запас работы карьера по полезному ископаемому.
5. На погоризонтных планах или совмещенном плане горных работ, на момент окончания подготовки данного горизонта, отстраивается положение добычных рабочих уступов. Определяется объем вскрыши, извлекаемый попутно
при ведении горных работ на добычных уступах для дальнейшей корректировки величины Д V' .
6. По разработанной программе для ПЭВМ (второй этап оптимизации) осуществляется распределение объема опережения вскрыши карьера по вскрышным уступам, обеспечивающее максимальную в данных условиях надежность работы системы-карьер. Определяются ширина рабочих площадок вскрышных уступов и запас работы карьера по вскрыше.
7. На погоризонтных планах или совмещенном плане горных работ, на момент окончания подготовки данного горизонта, отстраивается положение фронта работ на вскрышных уступах.
Таким образом, возможно формирование рабочего борта карьера, обеспечивающего максимально возможный в данных условиях уровень надежности системы-карьер, на момент окончания подготовки любого горизонта за весь срок отработки карьера.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Арсентьев А.И., Шпанский О.В., Константинов Г.П., Бложе В.Л. Определение главных параметров карьера. М., Недра, 1976, 216 с.
2. Арсентьев А.И. Законы формирования рабочей зоны карьера. изд.ЛГИ,1986.
4. Арсентьев А.И. Развитие горных работ в карьерном пространстве. Л., изд. ЛГИ, 1994, 104 с.
5. Арсентьев А.И., Холодняков Г.А. Проектирование горных работ при открытой разработке месторождений. М., Недра, 1994, 336 с.
6. Баженов М.В., Холодняков Г.А., Фомин С.И. Обоснование целесообразности разработки месторождений группы карьеров. г. Рудный, Рудненская гор.тип.,1995, 115 с.
© С.И. Фомин
Рис.1. Графики изменения во времени готовых к выемке запасов за 10-летний период отработки рудного карьера
52
