СПОСОБ ОТВАЛООБРАЗОВАНИЯ ПРИ РАЗРАБОТКЕ НАГОРНЫХ КАРЬЕРОВ
DUMPING METHOD DURING DEVELOPMENT OF UPLAND QUARRIES

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при открытой разработке нагорных карьеров.
Известен способ отвалообразования нагорных карьеров путем вскрытия месторождений внешними групповыми траншеями, при этом каждая отдельная траншея примыкает к отдельным площадкам соответствующих уступов карьера. Выбор места заложения внешних групповых траншей увязывают с допустимыми уклонами транспортных съездов, минимальным объемом вскрышных работ и удобным расположением подъездных путей и отвалов на земной поверхности (Г.Н. Попов. «Технология и комплексная механизация разработки рудных месторождений», М., Недра, 1970 г., с. 407).
Недостатком данного способа является большой объем вскрышных работ, связанных с проходкой групповых траншей и размещением площадок примыкания на борту карьера, что снижает эффективность работ. Кроме того, отметки устьев групповых траншей не всегда совпадают с отметками отвальных ярусов, что приводит к увеличению затрат на транспортирование пород.
Известен также способ открытой разработки месторождений полезных ископаемых. Вскрытие производят капитальной траншеей и проходят выездную траншею с шириной основания, не менее двойной ширины. Траншеи делят на две части, попеременно по каждой из них осуществляют выдачу горной массы. По мере отсыпки внутреннего отвала перемещают капитальную и выездную траншеи в направлении фронта горных работ путем отсыпки в них вскрышных пород и последующего формирования указанных траншей вновь, причем сначала породу отсыпают на половину ширины основания траншеи, а после формирования на них трассы передвижения отсыпают и на оставшуюся часть основания траншей, после чего операции повторяют в аналогичном порядке (SU №1726770, Е21С 41/26, 3. №4758468, 14.11.89, опубл. 15.04.1992 г.).
Недостатком данного способа является низкая эффективность, обусловленная сложностью его использования при вскрытии нагорных карьеров крутопадающих месторождений. Поскольку рабочая зона уменьшается пропорционально углам погашения бортов карьера, это не позволяет размещать вскрышные породы в выработанном пространстве и формировать в них отсыпные съезды.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ складирования пород в отвал на склонах при разработке нагорных месторождений, включающий отсыпку пород ярусами снизу вверх, складирование в ярусы отсыпкой пород по горизонтали со смещением ярусов относительно друг друга по вертикали на уровне, соответствующем минимальному расстоянию транспортирования пород по горизонтам выделенных по высоте толщ пород каждого яруса с образованием основного отвала за границами карьера и поэтапно внутреннего отвала для создания выезда из карьера (RU №2194859, Е21С 41/26, заявка 2001103232, 05.02.2001, опубл. 20.12.2002 г.). Отсыпку ведут в предотвале сверху в пределах площадки нескольких этапов разработки с постепенной переэкскавацией.
Недостатком способа является его низкая эффективность, так как, осуществляя отсыпку отвалов на каждом нижележащем ярусе их формирования, транспортирование ведут со значительным плечом транспортирования пород до площадок отвалов. На нагорных карьерах при разработке верхних горизонтов по породе необходимо перевести породы вскрыши к основанию склонов для формирования первых ярусов (отвала) и затем вновь поднимать вверх (вышележащие ярусы) при разработке глубоких горизонтов карьера. Это ведет к большим затратам средств на транспортирование пород вскрыши до отвалов (ярусов) небольшой высоты, применению дополнительного количества техники и транспорта при увеличении плеча транспортирования.
Цель изобретения - повышение эффективности складирования пород на склонах за счет снижения расстояния транспортирования вскрышных пород при отработке нагорных карьеров и, как следствие, снижение грузооборота и уменьшение количества применяемого автотранспорта.
Поставленная цель достигается тем, что в способе отвалообразования при разработке нагорных карьеров, включающем отсыпку пород ярусами снизу вверх, складирование в ярусы отсыпкой пород по горизонтали со смещением ярусов относительно друг друга по вертикали на уровне, соответствующем минимальному расстоянию транспортирования пород по горизонтам выделенных по высоте толщ пород каждого яруса с образованием основного отвала за границами карьера и поэтапно внутреннего отвала для создания выезда из карьера, предварительно по нормали к склону проходят капитальную выездную траншею с обратным уклоном, примыкающую к площадке на низовой части борта карьера, после отсыпки первого яруса внешнего отвала дно траншеи засыпают до горизонтальной отметки и формируют следующий ярус отвала, отсыпают внутренний отвал на дно траншеи под углом, обеспечивающим превышение отметки относительно горизонтальной отсыпки на высоту следующего отвального яруса и повторяют операции.
Дно капитальной выездной траншеи с обратным уклоном используют для отведения самотеком карьерных вод.
Отсыпку первого яруса основного отвала производят от отметки начала траншеи за границами карьера.
После отсыпки внешнего отвала до проектных отметок проходят новую траншею, смещенную в плане, а сформированную первоначально капитальную выездную траншею засыпают.
Поэтапное формирование капитальной выездной траншеи позволяет производить поярусную отсыпку отвалов вскрышных пород при минимальном расстоянии транспортирования. Формирование дна капитальной траншеи на втором и третьем этапах путем отсыпки пустой породой позволяет разместить часть объемов в выработанном пространстве капитальной выездной траншеи, уменьшить плечо откатки и повысить эффективность способа отвалообразования.
Способ поясняется чертежами 1-4 и таблицей 1:
- фиг. 1 - показана схема поэтапного формирования капитальной выездной траншеи и внутреннего отвала;
- фиг. 2 - изображен 1 этап формирования внешней капитальной выездной траншеи с обратным уклоном и формирования первого отвального яруса за границами карьера в плане и разрезе;
- фиг. 3 - изображен 2 этап формирования внешней капитальной выездной траншеи с горизонтальным уклоном и формирования второго отвального яруса в плане и разрезе;
- фиг. 4 - изображен 3 этап формирования внешней капитальной выездной траншеи и формирования третьего отвального яруса за границами карьера;
- таблица 1 - представлена сравнительная оценка и эффект от использования предлагаемого способа отвалообразования.
Способ осуществляется следующим образом.
Для осуществления данного способа отвалообразования была смоделирована топографическая поверхность и крутопадающее месторождение, в условиях которых может быть применим данный способ.
Разработка данного крутопадающего месторождения, расположенного на косогоре, предполагается на глубину 300 м. Угол наклона косогора, на котором будет размещаться внешний отвал вскрышных пород, составляет в среднем 25°.
п
Вначале разрабатывается общая схема вскрытия карьера с определением объемов руды и вскрыши. Затем определяется глубина заложения внешней капитальной траншеи (Н) по формуле («Строительство и реконструкция рудных карьеров», Юматов Б.П., Бунин Ж.В., М., Недра, 1970 г., стр. 175):
где:
А - 537,3 расшифровано в формуле (2);
- 48723,5 расшифровано в формуле (3);
внеш
К - 1,1 коэффициент развития трассы внешней траншеи;
внут
К - 1,06 то же системы внутренних траншей;
Q - 95000000 общий объем перевозок за весь срок существования карьера, т
Q - 333333 объем перевозок на 1 м карьера сверху, т;
t - 20 срок существования предприятия, лет;
3
Рвск - 120 стоимость 1 м вскрышных работ, руб.;
3
Ртр - 120 стоимость 1 м траншеи, руб.;
Рпн - 0,02 стоимость 1 тм перепробега, руб.;
Рн - 0,15 нормативный коэффициент эффективности капиталовложений
h - 15 высота уступа, м;
b - 30 ширина основания траншеи, м;
bтр - 30 ширина транспортной бермы, м;
β - 60 угол откоса бортов внешней траншеи, градус;
α - 75 то же внутренних траншей, градус;
I - 0,08 руководящий уклон траншеи.
Результат расчета по вышеприведенной формуле (1):
Нп - 45,60 глубина заложения внешней капитальной траншеи, м.
Для оценки влияния горнотехнических условий карьеров на работу автотранспорта принято приведенное (эквивалентное) расстояние транспортирования (Lпр), учитывающее горизонтальное перемещение и подъем горной массы из карьера, определяемое по формуле:
ф
где: 1 - фактическое расстояние транспортирования, км;
hп - суммарная высота подъема при движении в грузовом направлении, км;
hс - суммарная высота спусков при движении в грузовом направлении, км;
п
К - коэффициент приведения высоты подъема к горизонтальному пути;
с
К - коэффициент приведения высоты спуска к горизонтальному пути;
ус
У  - удельный вес участков пути с усовершенствованным покрытием;
пов
П  - число поворотов (серпантинов).
Если принять глубину погружения внешней траншеи равной 45 м, то расстояние транспортирования по ней составит 45/0,08=563 м.
Длину участков с усовершенствованным покрытием принимаем равным 1,0, а число поворотов 1,0.
п
с
Коэффициенты приведения высоты подъема и высоты спуска к горизонтальному пути (Единые нормы выработки и времени на экскавацию и транспортирование горной массы автосамосвалами для предприятий цветной металлургии, МЦМ СССР, Москва, 1986, по таблице с. 20) будут равны соответственно: К=10, К=6,5. Тогда приведенное расстояние транспортирования составит: L пр=(0,563+10х 0,045+6,5х 0,045) (1-0,2x1)+0,1x1,0=1,14 км.
Из вышеприведенного расчета следует, что транспортирование горной массы по наклонному участку траншеи на расстоянии 563 м сопоставимо по энергозатратам с транспортированием по горизонтальному участку с расстоянием 1140 м. Таким образом, применение схемы поэтапного формирования капитальной траншеи и внешнего отвала позволит значительно повысить эффективность горных работ за счет снижения расстояния транспортирования вскрышных пород.
у
Далее определяем высоту устойчивого откоса яруса (Н) отвала на наклонном основании по формуле:
у
1
Н=(k/γ)х+(k/γ)у, м,
1
1
3
где k - удельное сцепление по контактам поверхностей ослабления, k=3 т/м;
3
k - удельное сцепление в породах отвала, k=8 т/м;
х, у - табличные коэффициенты (принимаем х=9,6; у=5,8);
3
γ - объемная масса отвальных пород, γ=2,5 т/м.
у
Н=(3/2,5)×9,6+(8/2,5)×5,8=30 м (принимаем высоту яруса отвала 30 м).
o
Предельную высоту отвала (Н) определяют по формуле (Методические указания по расчету устойчивости и несущей способности отвалов, ВНИМИ, г.Ленинград, 1987 г. стр. 24):
где α - угол откоса отвала, градус;
β - угол наклона основания отвала, градус.
, принимаем 90 м.
Таким образом, проектируемый отвал будет формироваться в три яруса, по 30 метров каждый, предельная высота отвала составит 90 метров.
При расчетной глубине погружения капитальной траншеи 45 м (а.о +555 м), угле наклона поверхности 25°, и расчетной высоте отвального яруса 30 м определяем нижнюю отметку основания капитальной траншеи - +555-30=+525 м.
После сработай в карьере верхних горизонтов на первом этапе формирования капитальной выездной траншеи на смоделированной топографической поверхности от склона до площадки 1 карьера проходится по нормали к склону капитальная выездная траншея 2 с обратным уклоном длиной 400 м, определяемой графически исходя из разницы отметок наклонной поверхности (555-525=30 м). Поскольку это расстояние меньше приведенного, то поверхность отвального яруса 3 по отм +525 м можно формировать на расстояние (1140-400)=740 м, высотой до 30 м. Уклон траншеи составляет 30/400=75 промилле. Положение сформированной капитальной выездной траншеи 2 и 1-го яруса отвала 3 на конец первого этапа показано на фиг. 2.
Далее на втором этапе отсыпаем пустую породу во внутренний отвал - формируем горизонтальное дно 4 капитальной выездной траншеи 2. Устье траншеи будет увеличено до отм. +555 м. Длина траншеи составит 360 м. По отм. +555 м по горизонтали формируем отвальный ярус 5 высотой 30 м на расстояние до (1140-360)=780 м. Положение сформированной капитальной выездной траншеи и второго яруса отвала на конец второго этапа показано на фиг. 3.
o
На третьем этапе формируем дно капитальной траншеи 2 с отметкой ее устья +585 м, т.е. на 30 выше путем отсыпки пустой породой до положения 6. Длина капитальной выездной траншеи составит 300 м, уклон траншеи 30/300=100 промилле. После чего формируется ярус 7 отвала за границей карьера высотой 30 м. Проектная отметка поверхности отвала, предельная высота (Н) которого 90 метров, составит +585 м. Положение сформированной капитальной выездной траншеи 2 и отвала на конец третьего этапа показано на фиг. 4.
3
Эффект от применения описываемого способа в данных условиях можно оценить в сокращении расстояния транспортирования вскрышных пород во внешний отвал по капитальной выездной траншее. Объем транспортировки вскрышных пород в отвал составляет 30 млн м (75 млн т). Сравнительная оценка традиционного способа формирования отвалов, который заключается в отсыпке пород ярусами снизу-вверх с транспортировкой вскрыши из карьера с площадки 1 (а.о. +555 м) по внешней капитальной траншее на поверхность (а.о. +600 м), а далее по склону до отвала, и предлагаемого представлена в таблице 1.