CC BY
34
© Б.Р. Ракишев, А.У. Кожантов, А.Е. Куттыбаев, 2005
УДК 622.271.4
Б.Р. Ракишев, А. У. Кожантов, А.Е. Куттыбаев
ВЗАИМОСВЯЗЬ МЕЖДУ ВАЖНЕЙШИМИ ПАРАМЕТРАМИ И ПОКАЗАТЕЛЯМИ СИСТЕМЫ ОТКРЫТОЙ РАЗРАБОТКИ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ
Семинар № 12
сновные понятия, образующие понятие «система открытой разработки полезных ископаемых»:
Система (от греческого systema — целое, составленное из частей; соединение) — множество (совокупность) элементов, находящихся в отношениях и связях друг с другом, которое образует определенную целостность, единство.
Разработка полезных ископаемых — это извлечение горных пород (полезно-го ископаемого, включая нефть, газ, воды) из недр Земли различными способами (открытым, подземным, скважинным, подводным и комбинированным) после вскрытия месторождения. При открытом способе упомянутое осуществляется проведением разрезных траншей (котлованов) из уже пройденных капитальных выработок и выемкой полезного ископаемого, включая вскрыш-ные породы, из подготовительных, вскрышных и добычных выработок [1, 2].
Открытая разработка полезных ископаемых — это извлечение горных пород из недр Земли некоторой заданной совокупностью подготовительных, вскрышных и добычных выработок, проведенных в карьерном поле.
Из приведенных понятий вытекает следующее искомое определение.
Система открытой разработки полезных ископаемых — это совокупность взаимозависимых и взаимосвязанных между собой подготовительных, вскрыш-ных и добычных выработок в карьерном поле,
предназначенных для извлечения горных пород из недр Земли [2].
Для такой системы, как и для любой системы в общепринятом смысле, присущи организация, структура, связи и функции.
Организация выражает комплекс свойств, характеризующих определен-ную упорядоченность элементов в сис-теме и их взаимодействие. Например, подготовительные, вскрышные и добычные выработки размещаются по определенным нормативам и должны обеспечивать нормальное функционирование системы. Любой организации присуща иерархия уровней. В рассматриваемом случае система -эта «система разработки полезных ископаемых», а ее элементы: разрезные траншеи (котлованы) и рабочие уступы.
Структура предусматривает конструкцию совокупности элементов и способы их объединения в единое целое. В системе разработки полезных ископаемых в таком качестве выступают рабочие площадки. На всех рабочих уступах их размеры должны быть не меньше некоторого их минимального значения, установленного нормативами.
Под связью в широком смысле понимается то, что объединяет отдельные элементы в систему. Связи многообразны по своим формам, значению, содержанию. В нашем случае отдельные элементы (рабочие уступы) в систему разработки полезных ископаемых объединяет вещественная связь, т.е. объем горной массы задан-
ного качества, извлекаемый из каждого рабочего горизонта (уступа). Эта связь является гибкой и изменяющейся в процессе функционирования системы.
Всякая система выполняет некото-рые функции - просто существует, служит областью обитания другой системы, обслуживает систему более высокого уровня и т.д. Система разработки полезных ископаемых призвана обеспечить устойчивое извлечение горных пород заданного объема и требуемого качества из недр Земли. Она обслуживает систему более высокого уровня «эксплуатация месторождения полезных ископаемых» и служит областью обитания другой системы «технология добычных и вскрышных работ».
Система разработки полезных ископаемых, как любая система может быть представлена структурной моделью, которая отображает только строение и устройство системы. Структурная модель системы разработки представлена на рис. 1. Здесь элементы (рабочие уступы) 1, 2,.., N образуют систему разработки 8, входящую как составная часть в окружающую среду (карьерное поле) р. В системе 8 обитает другая система Т «технология горных работ».
Таким образом, в предлагаемой формулировке системы открытой разработки полезных ископаемых полностью раскрывается суть изучаемого понятия открытых горных работ, соблюдаются все основные системные принципы: целостности, иерархичности, структурности, взаимозависимости системы и среды.
Система разработки характеризуется ее элементами, параметрами и показателями.
■іШШІШШ/п <2
Элементы системы представлены разрезной траншеей (котлованом), рабочими уступами с их рабочими площадками. В процессе развития горных работ разрезная траншея (котлован) вырождается в рабочий уступ. Остальные элементы в совокупности образуют рабочую зону карьера. В дальнейшем она в единственном лице представляет систему разработки в динамике [3].
Основными параметрами элементов системы разработки являются: высота уступа, ширина разрезной траншей (размеры котлована), углы откосов рабочих уступов, ширина рабочей площадки, длина экскаваторного блока, длина фронта добычных и вскрышных работ на уступе, число рабочих уступов, высота и ширина рабочей зоны, угол откоса рабочего борта карьера, длина фронта работ по видам в рабочей зоне.
Основные показатели системы разработки: объем пород в рабочей зоне, объемы вскрытых и готовых к выемке запасов; скорость подвигания забоев, скорость перемещения уступов в горизонтальной плоскости, скорость углубления горных выработок; дополнительные показатели: производительность карьера с единицы длины рудного, породного фронта работ, с единицы площади рабочей зоны, эксплуатационные потери и разубоживание руды.
Рассмотрим влияние наиболее важных параметров системы - высоты рабочего уступа И, ширины рабочей площадки Врп и длины экскаваторного блока Ьб на некоторые показатели системы разработки - скорость перемещения панели уступа, скорость перемещения рабочего уступа в горизонтальной плоскости, скорость перемещения горных выработок в глубину. Указанные кинематические характеристики установлены нами теоретически на основе взаимоувязывания объема извлекаемой горной массы V = ЛВС из карьерно-
Рис. 1. Структурная модель системы «открытая разработка полезных ископаемых»
Рис. 2. Схемы к определению скоростей перемещения горных выработок
го поля со временем его отработки 1 (см. рис. 2) [4].
Для скорости подвигания забоя Зп = А /1 за время 1 (обычно сутки, месяц) выведена следующая зависимость:
= Qa / ^ ,
(1)
где Qa = V /1 - производительность выемочно-погрузочного оборудования на выемке пород из панели уступа за то же время; Sny = BC - площадь поперечного
сечения панели уступа (заходки); B = В3 -ширина панели (заходки); C = h - высота уступа.
Для скорости перемещения рабочего уступа в горизонтальной плоскости Зу = B /1 за время 1 (обычно месяц, год) получена формула:
Эу = Qe / Я,, (2)
гДе Qe = V /1 - производительность выемочно-погрузочного оборудования на выемке части уступа, шириной B = пВ3 ( п - число отработанных панелей) за то же время; Яеу = AC - площадь продольного вертикального сечения панели уступа; Л = Lф - длина фронта горных работ на уступе; C = h - высота уступа.
Для скорости углубления горных выработок Эг = С /1 за время 1 (обычно год) установлена зависимость:
4 = Qc / ягс, (3)
где Qc = V /1 - производительность выемочно-погрузочного оборудования на отработке требуемого объема пород текущего нижнего уступа для создания условий по вскрытию очереднего нижнего горизонта за то же время; Ях = ЛB - площадь срединного гори-зонтального сечения отрабатываемого объема уступа; А = Ьф - длина фронта работ на уступе; B = B - ширина срединного горизонтального сечения отрабатываемого объема уступа.
Минимальная величина площади Я™" , соответствующая возможной максимальной скорости углубления горных выработок, различна для разных подсистем разработки. При однобортовой подсистеме разработки (рис. 3, а):
Я!
-1,5 h (^а' + ^а)] Ьф,
(4)
при двухбортовой подсистеме раз-работки (рис. 3, б):
•рт + 2 Врп
-3hctga^ Ьф.
(5)
Здесь вт - ширина транспортной (предохранительной) бермы на текущем нижнем уступе; врт - ширина разрезной
траншеи на вскрываемом горизонте; Врп -ширина рабочей площадки на теку-щем нижнем уступе; а', а - угол откоса соответственно нерабочего и рабочего уступов.
Как видно из формул (1), (2), скорость подвигания забоя, скорость перемещения рабочего уступа в гори-зонтальной плоскости при прочих равных условиях обратно пропорциональны высоте уступа.
Рис. 3. Схема к определению мини-мальных значений Бгс
Так, при производительности выемочно-погрузоч-ного оборудования 80 000
м3/месяц скорости подвигания забоя на 10 и 20 метровых уступах соответственно составляют 571,4 и 285,7 м/месяц, а скорости перемещения рабочего уступа в горизонтальной плоскости соответственно составляют 22,8 и 11,4 м/месяц (см. табл. 1).
Что касается влияния высоты уступа на скорость углубления горных выра-боток, то оно не существенное. Как показывают данные табл. 1, при работе ЭКГ-8И с производительностью 800 000 м3/год на 10 м уступе с длиной фронта 600 м максимальная скорость углубки горных работ составляет 12,1 м/год, а 20 м уступе 10,8 м/год. При работе ЭКГ-12,5 с производительностью 1 100 000 м3/год на блоке длиной 800 м указанные скорости на 15 и 20 м уступах соответственно достигают величин 10,8 и 10,3 м/год, т.е. изменяются незначительно.
Эти результаты наглядно изображены на графиках зависимостей скоростей от высоты уступа (рис. 4). Для соблюдения сопоставимости на графиках исследуемые показатели представлены при одной и той же производительности экскаватора (для ЭКГ-5А 0М= 55 000 м3/месяц, = 650 000
м3/год, для ЭКГ-8И рм = 68 000 м3/месяц, Рг = 800 000 м3/год, для ЭКГ-12,5 рм =
96 000 м3/месяц, рг = 1100 000 м3/год). Почти прямые (сплошные) линии, характеризующие изменение скоростей углубления горных работ в зависимости от высоты уступа, указывают на отсутствие явной связи между ними. Причем характер закономерностей изменения скоростей для всех экскаваторов при различной длине блока одинаков.
Этот вывод опровергает распространенное мнение о том, что темп углубления горных работ возрастает при уменьшении высоты уступа.
Для установления влияния ширины рабочей площадки на показатели системы разработки рассмотрим выражения (2) и (3). Из них видно, что ширина рабочей площадки влияет только на скорость углубления горных выработок.
Причем в формулу (3) для вычисления ширины срединного горизонтального сечения текущего нижнего горизонта входят также ширина транспортной (предохранительной) бермы, высота уступа, углы откосов рабочего и нерабочего уступа. Однако доля этих составляющих в ширине горизонтального сечения текущего нижнего уступа значительно меньше вклада ширины рабочей площадки в эту величину.
Рис. 4. Скорости щ (пунктирные), ог (сплошные линии) в зависимости от высоты уступа при длине фронта работ 350м (а), 600 м (б) и 800 м (в): при работе ЭКГ-5А (*), ЭКГ-8И (*), ЭКГ-12,5 (•).
Численные значения изучаемого показателя при различных параметрах системы разработки и производительности выемочно-погрузочного оборудования
приведены в табл. 2. При расчетах среднее значение Вср при использовании ЭКГ-5А на 10, 15 и 20 м уступах изменялось в пределах 90-170 м, при работе ЭКГ-8И - 110-180 м и при использова-
ние. 5. Скорости углубления горных выработок в зависимости от ширины рабочей площадки при работе экскаватора ЭКГ-5А (а), ЭКГ-8И (б), ЭКГ-12,5(в): при длине фронта работ 350 м (•), 600 м (•), 800 м (*).
нии ЭКГ-12,5 - 120-190 м. Скорости углубления горных выработок при различных значениях Вср, следовательно ширины рабочей площадки, и длины блока изменялись в широких пределах, что нашло отражение в табл. 2. Данные табл. 2 графически изображены на рис. 5. Ввиду одинакового характера
Таблица 2
Скорости углубления горных работ в зависимости от ширины срединного горизонтального сечения текущего нижнего горизонта
Экскава- торы Ьф, м Ь, м Вср> м ог, м/год
10 90 100 110 120 130 20,6 18,5 16,8 15,2 14,2
350 15 100 110 120 130 140 18,5 16,8 15,2 14,2 13,2
20 100 115 130 150 170 18,5 16,4 14,2 12,3 10,9
ЭКГ-5 А 500 10 15 90 100 100 110 110 120 120 130 130 140 14,4 13,0 13,0 11,8 11,8 10,8 10,8 10,0 10,0 9,3
20 100 115 130 150 170 13,0 11,3 10,0 8,6 7,6
10 90 100 110 120 130 12,0 10,8 9,8 9,0 8,3
600 15 100 110 120 130 140 10,8 9,8 9,0 8,3 7,7
20 100 115 130 150 170 10,8 9,4 8,3 7,2 6,4
10 90 100 110 120 130 9,0 8,1 7,4 6,8 6,2
800 15 100 110 120 130 140 8,1 7,4 6,8 6,2 5,8
20 100 115 130 150 170 8,1 7,1 6,2 5,4 4,8
10 110 125 140 155 170 20,7 18,3 16,3 14,7 13,4
350 15 115 130 145 160 175 19,9 17,6 15,7 14,3 13,0
20 120 135 150 165 180 19,0 16,9 15,2 13,8 12,2
10 110 125 140 155 170 14,5 12,8 11,4 10,3 9,4
ЭКГ-8И 500 15 20 115 120 130 135 145 150 160 165 175 180 13,9 13,3 12,3 11,8 11,0 10,7 10,0 9,7 9,1 8,8
10 110 125 140 155 170 12,1 10,7 9,5 8,6 7,8
600 15 115 130 145 160 175 11,6 10,2 9,2 8,3 7,6
20 120 135 150 165 180 11,1 9,9 8,8 8,1 7,4
10 110 125 140 155 170 9,1 8,0 7,1 6,4 5,9
800 15 115 130 145 160 175 8,6 7,6 6,8 6,2 5,7
20 120 135 150 165 180 8,3 7,4 6,6 6,1 5,5
10 120 135 150 165 180 26,2 23,2 20,9 19,0 17,4
350 15 125 140 155 170 185 25,1 22,4 20,2 18,4 16,9
20 130 145 160 175 190 24,1 21,6 19,6 17,9 16,5
ЭКГ-12,5 500 10 15 120 125 135 140 150 155 165 170 180 185 18,3 17,6 16,3 15,7 14,6 14,2 13,3 12,9 12,2 11,8
20 130 145 160 175 190 16,9 15,2 13,8 12,5 11,6
10 120 135 150 165 180 15,2 13,5 12,2 11,1 9,9
600 15 125 140 155 170 185 14,6 13,1 11,8 10,7 9,9
20 130 145 160 175 190 14,1 12,6 11,4 10,4 9,6
10 120 135 150 165 180 11,4 10,2 9,2 8,3 7,6
800 15 125 140 155 170 185 11,0 9,8 8,8 8,1 7,4
20 130 145 160 175 190 10,5 9,4 8,5 7,8 7,2
Примечание: принятая 800 000 м3/год, ЭКГ-12.
производительность экскаватора ЭКГ-5 А - 650 000 м /год, ЭКГ-8И 5 - 1 100 000 м3/год.
зависимостей таковые для экскаваторного блока длиной 500 м опущены.
Анализ графиков изменения скоростей углубления горных выработок от ширины рабочей площадки показывают, что между ними существует обратно пропорциональная зависимость. Причем эта закономерность соблюдается на всех высотах уступов при работе экскаваторов различной марки в блоках одинаковой длины. Например, при работе ЭКГ-5А на 10, 15, 20 м уступах скорость углубления горных работ при Вср = 100 м в блоках длиной 350 м составляет 16,8 м/год, в блоках длиной 500 м - 13,0 м/год. При использовании ЭКГ-8И при Вср = 125 м в блоках длиной 600 м иг = 9,52 м/год, в блоках длиной 800 м иг = 8,0 м/год.
С увеличением длины экскаватор-ного блока при прочих равных условии-ях уменьшается скорость углубления горных выработок. Последняя находит-ся в прямо пропорциональной зависимости от производительности выемочно-погрузочного
оборудования.
Приведенные в статье теоретичес-кие результаты достаточно близко совпадают с данными практики ряда горных предприятий Казахстана с открытым способом разработки месторождений полезных ископаемых. Это, свою очередь, подтверждает возможность использования выражений (1), (2) и (3) для прогнозирования и управления важнейшими показателями системы открытой разработки полезных ископаемых.
1. Шевяков Л.Д. Разработка месторождений полезных ископаемых. - М.: Углетехиздат, 1953, 756 с.
2. Ракишев Б. Р. Системы и технологии открытой разработки. Алматы: НИЦ «Гылым», 2003. -328с.
3. Ракишев Б. Р. О системах и технологиях от-
--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
крытой разработки полезных ископаемых. ГИАБ, №11, М., 2002, С. 184-187.
4. Ракишев Б. Р. Теоретическое обоснование показателей систем открытой разработки. ГИАБ, №9, М., 2003, С. 92-94
— Коротко об авторах ----------------------------------------------------------------------
Ракшиев Б.Р. - академик НАН РК, профессор, доктор технических наук, заведующий кафедрой открытых горных работ,
Кожантов А. У. - аспирант, КазНТУ им. К.И.Сатпаева.
Куттыбаев А.Е. - аспирант, КазНТУ им. К.И.Сатпаева.
Казахский национальный технический университет им. К.И. Сатпаева.
Таблица 1
Показатели интенсивности развития горных работ при различных параметрах системы разработки
Ьф, М I Ь, М I БсрМ I_______Уз, м/сутки______|________Уз, м/месяц_______|________У„ м/месяц_______________|_»„, м/год___|______Уг, м/год
При работе ЭКГ-5 А с производительностью
2 000 / 3 000 м3/сутки , 55 000 / 80 000 м3/м-ц , 650 000 / 900 000 м3/год (В3=14 м)
350 10 15 20 94 101 107 14,2/21,4 9,52/14,2 7,1/10,7 392,8/571,4 261,9/380,9 196,4/285,7 15,7/22,8 10,4/15,2 7,85/11,4 185,7/257,1 123,8/171,4 92,8/128,5 19,5/27,1 18,3/25,4 17,2/23,9
10 94 14,2/21,4 392,8/571,4 9,1/13,3 108,3/150 11,4/15,7
600 15 101 9,5/14,2 261,9/380,9 6,1/8,8 72,2/100 10,7/14,8
20 107 7,14/10,7 196,4/285,7 4,5/6,6 54,1/75 10,1/13,9
10 94 14,2/21,4 392,8/571,4 6,8/10 81,2/112,5 8,5/11,8
800 15 101 9,5/14,2 261,9/380,9 4,5/6,6 54,1/75 8,1/11,1
20 107 7,14/10,7 196,4/285,7 3,4/5 40,6/56,2 7,5/10,4
При работе ЭКГ - 8И с производительностью 2 500 /4 000 м3/сутки, 68 000 / 110 000 м3/м-ц, 800 000 / 1 300 000 м3/год (В3=18 м)
350 10 15 20 110 116 122 13,8/22,2 9,2/14,8 6,9/11,1 377,7/611,1 251,8/407,4 188,8/305,5 19,4/31,4 12,9/20,9 9,7/15,7 228,5/371,4 152,3/247,6 114,2/185,7 20,6/33,6 19,5/31,8 18,5/30,2
10 110 13,8/22,2 377,7/611,1 11,33/18,3 133,3/216,6 12,1/19,6
600 15 116 9,2/14,8 251,8/407,4 7,55/12,2 88,8/144,4 11,4/18,5
20 122 6,9/11,1 188,8/305,5 5,6/9,16 66,6/108,3 10,8/17,6
10 110 13,8/22,2 377,7/611,1 8,5/13,75 100/162,5 9,1/14,7
800 15 116 9,2/14,8 251,85/407,4 5,6/9,1 66,6/108,3 8,5/13,9
20 122 6,9/11,1 188,8/305,5 4,2/6,8 50/81,2 8,1/13,2
При работе ЭКГ-12,5 с производительностью 3 500 / 6 500 м3/сутки, 96 000 / 170 000 м3/м-ц , 1 100 000 / 2 100 000 м3/год (В3=21 м)
10 120 16,6/30,9 457,1/809,5 27,4/48,5 314,2/600 26,1/49,8
350 15 126 11,1/20,6 304,7/539,6 18,2/32,3 209,5/400 24,8/47,3
20 132 8,3/15,4 228,5/404,7 13,7/24,2 157,1/300 23,6/45,1
10 120 16,6/30,9 457,1/809,5 16/28,3 183,3/350 15,2/29,0
600 15 126 11,1/20,6 304,7/539,6 10,6/18,8 122,2/233,3 14,4/27,6
20 132 8,3/15,4 228,5/404,7 8/14,1 91,6/175 13,7/26,3
10 120 16,6/30,9 457,1/809,5 12/21,2 137,5/262,5 11,4/21,7
800 15 126 11,1/20,6 304,7/539,6 8/14,1 91,6/175 10,8/20,7
20 I 132 I 8,3/15,4 I 228,5/404,7 | 6/10,6 | 68, 7/131,2 | 10,3/19,7
