способ открытой разработки пологих и наклонных месторождений полезных ископаемых

Формула изобретения

1. Способ открытой разработки пологих и наклонных месторождений полезных ископаемых, включающий вскрытие каждого горизонта карьерного поля въездной траншеей, пройденной под углом к линии простирания пласта полезного ископаемого, создание вдоль въездных траншей рабочего борта карьера с устройством на нем транспортной трассы, формирование нерабочего борта под углом к линии простирания пласта полезного ископаемого путем отработки рабочего борта, отличающийся тем, что на первых этапах эксплуатации месторождения создают карьер треугольной конфигурации в плане путем отработки рабочего борта до пересечения с нерабочим бортом, при этом длину карьера на выходе пластов определяют из выражения

l_к= l_ф(sin_pctg_н+cos_p) при l_ф l_min,

где l_ф - принятая длина фронта горных работ по пласту полезного ископаемого, м;

l_min - минимальная по горно-техническим возможностям длина фронта горных работ по пласту полезного ископаемого, м;

_p - угол в плоскости пласта между линией его простирания (ЛПП) и рабочим бортом карьера, град;

_н - угол в плоскости пласта между ЛПП и нерабочим бортом, являющимся подпорной стенкой для внутреннего отвала, с устройством на борту транспортных берм, град.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что рабочий борт карьера на каждом горизонте формируют под одним и тем же углом _p к линии простирания пласта из условия устройства на нем прямого съезда в карьер, при этом угол _p определяют из выражения



где Н_у - высота уступа, м;

Q_p - угол между линией простирания пласта и осью въездной траншеи в плане, пройденной под уклоном, II_p, град,

I_p - руководящий уклон, соответствующий выбранному виду транспорта, %;

B_пл - длина горизонтальной площадки трассы, м;

- угол падения верхнего пласта продуктивной толщи в пределах горизонта, град.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что отработку рабочего борта осуществляют под углом (90-_p) к линии простирания пласта, при этом сохраняя треугольную конфигурацию карьера в плане путем наращивания с каждым горизонтом длины рабочего борта под углом _p на величину L, которую определяют из выражения



4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что после достижения конечной глубины карьера отработку его рабочего борта осуществляют в направлении линии простирания пласта при сохранении положения рабочего борта карьера под углом _p..

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к горному делу и может быть использовано при открытой разработке пологих и наклонных месторождений.

Известен способ (авторское свидетельство СССР N 985291, Кл. E 21 C 41/00, БИ N 43, 1982 г.) открытой разработки горизонтальных и пологих месторождений полезных ископаемых, при котором въездные траншеи проходят с противоположных сторон к центру месторождения. Разрезную траншею проходят дугообразными заходками, начиная из центра месторождения, с двух сторон въездной траншеи. Затем, после увеличения длины фронта горных работ в заходке до оптимальной величины для применяемого горно-вскрышного оборудования, проводят дополнительную пару радиальных въездных траншей, перпендикулярно указанному фронту, и отрабатывают заходки между ними - и т.д. до отработки всего месторождения. При этом вскрышку от проходки въездных траншей отрабатывают с удалением ее на внешние отвалы. Вскрышные породы из заходок размещают во внутренних отвалах. Въездные траншеи по мере подвигания горных работ погашают.

Рассматриваемый способ открытой разработки горизонтальных и пологих месторождений предопределяет большие объемы горно-капитальных работ, поскольку капитальную въездную траншею проходят по всему месторождению, а впоследствии возникает необходимость проведения дополнительных капитальных траншей. Другим недостатком описываемого способа является высокий текущий коэффициент вскрыши в первые годы эксплуатации, намного превышающий средний коэффициент по месторождению, поскольку добычу полезного ископаемого ведут на участках с наибольшей глубиной его залегания. Проведение капитальной въездной траншеи по всему месторождению до конечной глубины карьера увеличивает срок ввода в эксплуатацию месторождения, а отработка его от центра дугообразными заходками приводит в первые годы (когда еще не создано выработанное пространство) к большим расстояниям транспортирования горной массы.

Известен также способ открытой разработки наклонных залежей полезного ископаемого по авт. свид. N 1323715, кл. E 21 C 41/00, БИ N 26, 1987 г., при котором карьерное поле вскрывают въездной и разрезной траншеями, причем разрезную траншею проходят под углом 45 - 60^o к линии простирания залежи. Укладку вскрышных пород от проходки указанных траншей осуществляют на нерабочий борт карьера. Вскрышные и добычные уступы отрабатывают экскаваторами от висячего бока залежи к лежачему с опережением отработки уступов по висячему боку залежи. При этом отгрузку вскрыши осуществляют колесным транспортом во внутренний отвал. Со стороны лежачего бока создают упорную призму, удерживающую этот бок карьера. По мере отработки залежи въездную траншею целесообразно погашать, а неиспользуемую ее часть заполнять отвалами.

Недостатками рассматриваемого способа являются: большой объем горно-капитальных работ, поскольку капитальную траншею проходят на всю длину карьера, и значительные сроки ввода месторождения в эксплуатацию. Проходка разрезной траншеи под углом к линии простирания залежи от ее висячего бока к лежачему приводит к увеличению коэффициента вскрыши. Поскольку транспортировка вскрышных пород во внешний отвал происходит в одном направлении, то в первые годы эксплуатации карьера будут большие расстояния транспортирования вскрышных пород. Перечисленные выше недостатки снижают эффективность разработки месторождения.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ открытой разработки пологих и наклонных месторождений полезных ископаемых по патенту РФ N 2011827, кл. E 21 C 41/26, БИ N 8, 1994 г. Сущность его заключается в следующем: вскрытие первого и последующих горизонтов осуществляют пройденной под руководящим уклоном въездной траншеей, переходящей в разрезную траншею. Въездную траншею проходят под углом к линии простирания, определяемым из выражения



где i_р - руководящий уклон, соответствующий выбранному виду транспорта, %;

- угол падения пласта полезного ископаемого, град.

Разрезную траншею проходят параллельно линии простирания пласта и ее длину определяют из выражения



где N - количество горизонтов при конечной глубине карьера;

H_у - высота уступа, м;

b_г.п. - длина горизонтальной площадки трассы, м.

Параллельно въездной и разрезной траншеям формируют фронт горных работ. С другой стороны разрезной траншеи создают стационарную трассу на нерабочем борту, который формируют также под углом к линии простирания путем сокращения фронта горных работ по простиранию пласта. По мере отработки (подвигания) фронта горных работ в направлении, перпендикулярном въездной и разрезной траншеям, въездную траншею нового горизонта проходят вновь, а на вышележащих горизонтах въездные траншеи, преобразованные в полутраншеи, отрабатывают как скользящие съезды.

Главным недостатком известного способа открытой разработки пологих и наклонных месторождений является сравнительно большая длина L_k карьера на первых этапах его отработки (начальная длина), равная половине той длины, которую он будет иметь при достижении конечной глубину разработки. Это приводит к значительным объемам горно-капитальных работ и увеличению срока ввода месторождения в эксплуатацию, а также к большим (причем уже в первые годы отработки карьера): объемам горных работ, расстояниям транспортирования горной массы, длинам транспортных коммуникаций, площадям земель, изымаемых под карьер и внешние отвалы. Кроме того, не самыми лучшими являются геометрическая форма карьерной выемки и порядок горных работ, во многом определяющие удельные технико-эксплуатационные параметры карьера.

Технической задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является сокращение сроков строительства карьера и снижение капитальных вложений за счет уменьшения размеров карьера на первых этапах его отработки, а также улучшение технико-эксплуатационных параметров карьера за счет придания ему наивыгодной формы в плане и применения более рационального порядка развития горных работ.

Это достигается за счет того, что в способе открытой разработки пологих и наклонных месторождений полезных ископаемых, включающем вскрытие каждого горизонта карьерного поля въездной траншеей, пройденной под углом к линии простирания пласта (ЛПП) полезного ископаемого, создание вдоль въездных траншей рабочего борта карьера с устройством на нем транспортной трассы, формирование нерабочего борта под углом к ЛПП полезного ископаемого путем отработки рабочего борта, согласно изобретению, на первых этапах эксплуатации месторождения создают карьер треугольной конфигурации в плане путем отработки рабочего борта и наращивания его до пересечения с нерабочим бортом, при этом длину карьера на выходе пластов определяют из выражения:

l_к= l_ф(sin_pctg_н+cos_p) при l_ф l_min,

где l_ф - принятая длина фронта горных работ по пласту полезного ископаемого, м;

где l_min - минимальная по горно-техническим возможностям длина фронта горных работ по пласту полезного ископаемого, м;

_p - угол в плоскости пласта между линией его простирания (ЛПП) и рабочим бортом карьера, град;

_н - угол в плоскости пласта между ЛПП и нерабочим бортом, являющимся подпорной стенкой для внутреннего отвала, с устройством на борту транспортных берм, град.

При длине L_k, определяемой из вышеуказанного выражения (в случае l_ф = l_min), карьер на начало его отработки будет иметь минимальные размеры в плане. Это позволяет в относительно короткие сроки ввести его в строй и на первых этапах эксплуатации уменьшить объемы горных работ, расстояния транспортирования горной массы, длины транспортных коммуникаций, площади земель, используемых под горные работы. Придание карьеру в начале эксплуатации наиболее выгодной треугольной конфигурации в плане позволяет уже на первых этапах его отработки улучшить практически все основные технико-эксплуатационные параметры, а именно снизить (в расчете на 1 тонну извлекаемых запасов полезного ископаемого): текущие объемы вскрыши, грузоперевозок, дорожного строительства и площадь изымаемых земель под горные работы.

Целесообразно рабочий борт карьера на каждом горизонте формировать под одним и тем же углом _p к ЛПП из условия устройства на нем прямого съезда в карьер, при этом угол _p определяют из выражения:



где H_у - высота уступа, м;

Q_р - угол между ЛПП и осью въездной траншеи в плане, пройденной под уклоном i i_p, град;

i_p - руководящий уклон, соответствующий выбранному виду транспорта, %;

B_пл - длина горизонтальной площадки трассы, м;

- угол падения верхнего пласта продуктивной толщи в пределах горизонта, град.

Такое выполнение рабочего борта позволяет, используя всю его длину, сооружать на нем прямой съезд в карьер. Это сокращает расстояние транспортирования вскрыши по уступам рабочей зоны карьера от забоев до трассы. Кроме того, положение рабочего борта под углом _p (диагонально) к ЛПП позволяет не только на пологопадающих, но и на наклонных месторождениях отрабатывать продуктивную толщину наклонными слоями по транспортной системе разработки, а при слабонаклонном падении пластов полезного ископаемого возможно применение на междупластьях и высокоэффективной бестранспортной технологии.

Целесообразно при этом отработку (подвигание) рабочего борта осуществлять под углом (90-_p) к ЛПП, при этом сохраняя треугольную конфигурацию карьера в плане путем наращивания с каждым горизонтом длины рабочего борта под углом _p на величину L, которую определяют из выражения:



Такой порядок развития горных работ позволяет выдерживать треугольную конфигурацию (треугольную или близкую к ней форму) карьера в плане вплоть до достижения рабочим бортом карьера его технической границы (первый период эксплуатации месторождения), что, вследствие более выгодной формы карьера, обеспечивает лучшие технико-эксплуатационные параметры в течение всего первого периода отработки месторождения.

Целесообразно также после достижения конечной глубины карьера отработку его рабочего борта осуществлять в направлении ЛПП при сохранении положения рабочего борта карьера под углом _p (второй период эксплуатации месторождения).

Переход на поперечную систему разработки при развитии горных работ в направлении ЛПП, вследствие одинаковой глубины карьера и полного внутреннего отвалообразования, приводит к стабилизации технико-эксплуатационных параметров во втором периоде отработки месторождения. При этом сохранение в данном периоде положения рабочего борта карьера под углом _p к ЛПП позволяет (в отличие от известной в технической литературе поперечной системы разработки (см. , например): Барабанов В.Ф., Томаков П.И., Дергачев И.И. Разработка крутых и наклонных пластов открытым способом с размещением пустых пород в выработанном пространстве //Уголь. - 1959 - N 12, с. 9 - 10) без каких-либо дополнительных затрат, связанных с разворотом рабочего борта, перейти на новое направление развития горных работ. Остается также возможность отработки продуктивной толщи наклонными слоями по транспортной и бестранспортной технологиям. Кроме того, при диагональном расположении рабочего борта, вследствие большей его длины, уменьшается нагрузка на 1 км фронта горных работ, а следовательно, появляется возможность интенсифицировать отработку месторождения.

Сущность предлагаемого способа открытой разработки пологих и наклонных месторождений полезных ископаемых иллюстрируется примерами конкретной реализации и чертежами.

На фиг. 1 изображен карьер на первых этапах отработки треугольной конфигурации в плане. Пунктирными линиями показано развитие горных работ при опускании дна карьера на нижележащий горизонт (этап n = 3).

На фиг. 2 - положение горных работ на момент достижения рабочим бортом технической границы карьера по поверхности (этап n = 13). Пунктирными линиями показаны последующие этапы развития горных работ: n = 14 - рабочий борт достигает технической границы карьера понизу (конечная глубина карьера) n = 15, 16 ... - происходит развитие горных работ по направлению ЛПП при глубине карьера, равной H_k.

На фиг. 3 - упрощенное изображение фиг. 2.

На фиг. 4 - 6 - сравнительные положения горных работ (М1 : 25000) на характерных этапах отработки карьера по предлагаемому способу и прототипу (изображены пунктирными линиями); фиг. 4 (n = 3) - на конец первого этапа после создания карьера треугольной конфигурации в плане; фиг. 5 (n = 7) - на конец этапа, в котором объемы вскрываемых запасов полезного ископаемого в рассматриваемых способах равны; фиг. 6 (n = 12) - на начало этапа n = 13, в котором общие объемы горной массы карьеров в обоих способах разработки становятся равными между собой.

На фиг. 7 - 12 представлены зависимости основных технико-эксплуатационных параметров карьера (V_n^кв, V_n^кд, V_n^тв, V_n^тд, K_n^тв, K_n^кв, L_n^ов, P_n, S_n^к, S_n^к, L_nk^ф, L_n^пп) от его глубины (числа этапов) при применении предлагаемого способа и прототипа (пунктирные кривые).

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом. Каждый горизонт вскрывают наклонной въездной траншеей 1 (фиг. 1), пройденной под углом Q_p к ЛПП. Вдоль въездных траншей 1 создают рабочий борт 2 с устройством на нем транспортной трассы 3. Нерабочий борт 4 формируют также под углом _н к ЛПП путем подвигания рабочего борта 2 карьера, отрабатывая его и наращивая до пересечения с нерабочим бортом 4, и уже на первых этапах образуют карьер треугольной конфигурации в плане (фиг. 1). При этом его длину на выходах пластов определяют из выражения

L_к= l_ф(sin_pctg_н+cos_p) при l_ф l_min,

где l_ф - принятая длина фронта горных работ по пласту полезного ископаемого, ее длину целесообразно принимать равной l_min;

l_min - минимальная по горно-техническим возможностям длина фронта горных работ по пласту полезного ископаемого, м;

_p - угол в плоскости пласта между ЛПП и рабочим бортом карьера, град;

_н - угол в плоскости пласта между ЛПП и нерабочим бортом, являющимся подпорной стенкой для внутреннего отвала, с устройством на борту транспортных берм, град.

Рабочий борт 2 на каждом горизонте целесообразно формировать под одними тем же углом _p к ЛПП из условия устройства на нем прямого съезда в карьер по всей его длине. При этом угол _p определяют из выражения



где H_у - высота уступа, м;

Q_р - угол между ЛПП и осью въездной траншеи в плане, пройденной под уклоном i i_p, град;

i_p - руководящий уклон, соответствующий выбранному виду транспорта, %;

B_пл - длина горизонтальной площадки трассы, м;

- угол падения верхнего пласта продуктивной толщи в пределах горизонта, град.

После создания карьера треугольной конфигурации в плане подвигание его работы борта 2 на последующих этапах (этап отражает развитие горных работ при понижении их на один горизонт) целесообразно осуществлять под углом (90-_p) к ЛПП, отрабатывая его до пересечения с нерабочим бортом 4. При этом целесообразно сохранить треугольную конфигурацию карьера в плане путем наращивания с каждым горизонтом длины рабочего борта 2 под углом на величину L, которую определяют из выражения



Такой порядок развития горных работ целесообразно сохранять вплоть до достижения рабочим бортом 2 карьера его технической границы 5 по поверхности (фиг. 2). По мере вышеуказанного подвигания рабочего борта 2 карьера при опускании горных работ на один горизонт въездную траншею 1 нового горизонта проходят вновь, а на вышележащих горизонтах въездные траншеи 1, преобразованные в полутраншеи, отрабатывают как скользящие съезды. При этом вскрышные породы выше этих съездов отрабатывают горизонтальными уступами с вывозкой породы во внутренний и внешний отвалы (на фиг. 1 - 6 не показаны), а продуктивную толщу 6 - наклонными слоями либо также горизонтальными уступами (при крутонаклонном падении пластов полезного ископаемого).

После достижения карьером конечной глубины на этапе n = 14 (технической границы 7 по низу карьера, фиг. 2) дальнейшую отработку его рабочего борта целесообразно осуществлять в направлении ЛПП при сохранении диагонального расположения рабочего борта 2 карьера под углом к ЛПП (фиг. 2, n = 15, 16 .. .).

Эффективность предлагаемого способа открытой разработки пологих и наклонных месторождений рассмотрена в сравнении с прототипом для условий, приближенных к Нерюнгринскому месторождению угля (АО "Якутуголь").

Приведенные на фиг. 4 - 6 позиции со штрихом (2", 3"...) относятся к прототипу, а без штриха - к предлагаемому способу разработки. При этом одинаковые номера позиций со штрихом и без штриха несут одну ту же смысловую нагрузку. L"_к и L_к обозначены длины карьера на выходе пластов соответственно у прототипа и предлагаемого способа, а L - длина разрезной траншеи по низу карьера у прототипа на этапе n = 1. Стрелками указаны направления подвигания рабочего борта карьера. Как видно из этих чертежей, карьеры рассматриваемых способов разработки по форме, по размерам и по порядку развития горных работ значительно отличаются друг от друга на первых этапах и становятся одинаковыми при достижении рабочим бортом карьера технической границы по поверхности.

Анализ зависимостей на фиг. 7 - 12 свидетельствует о значительных преимуществах предлагаемого способа разработки: меньшие размеры карьера в 6,25 - 9,97 раза на первых этапах эксплуатации в предлагаемом способе разработки определяют меньший объем горно-капитальных работ в период строительства карьера, а, следовательно, и меньшие размеры первоначальных капиталовложений.

Объемы вскрыши и объемы извлекаемых запасов V_n^кд по карьеру в целом (нарастающим итогом) на начальных этапах (n = 1 - 3) в предлагаемом способе (здесь и ниже сплошная линия) меньше, чем в прототипе, (штриховая линия) соответственно: V_n^кв - в 5,42 - 13,75 раза, а V_n^кд - в 4,33 - 13,00 раза. В дальнейшем эти соотношения сокращаются и на этапе n = 12 V_n^кв становятся меньше всего лишь в 1,12 раза, а V_n^кд - в 1,08 раза (фиг. 7, кривые 1, 2 и 3, 4). Это происходит вследствие отработки большого карьера (карьера в контурах первого периода) малыми карьерами (этапами) с меньшими размерами в плане. При этом, несмотря на меньшие объемы извлекаемых V_n^кд запасов в предлагаемом способе разработки, коэффициенты вскрыши в целом по карьеру в данном случае ниже, чем в прототипе, соответственно на этапах n = 1 - 3 и n = 12, в 1,1 - 1,25 и 1,03 раза (фиг. 9, кривые 1, 2). Это объясняется более выгодной (с позиции соотношения объемов вскрыши и полезного ископаемого) формой карьера в плане при данном способе разработки.

Текущие объемы вскрыши V_n^тв до этапа n = 8 в прототипе выше в 1,20 - 13,75 раза. На этапе n = 9 они становятся равными для обоих вариантов разработки, а на этапах n = 10 - 12 V_n^тв выше уже в предлагаемом способе в 1,19 - 1,83 раза (фиг. 8, кривые 1, 2). При этом текущие объемы извлекаемых запасов V_n^тд до этапа n = 6 в прототипе больше в 1,22 - 13,00 раза, на этапе n = 7 в обоих вариантах разработки они равны, а на этапах n = 8 - 12 V_n^тд больше в предлагаемом способе в 1,15 - 1,92 раза (фиг. 8, кривые 3, 4). При таком распределении объемов V_n^тв и V_n^тд по этапам разработки месторождения текущие коэффициенты вскрыши K_n^тв, характеризующие режим горных работ, на всех этапах ниже в предлагаемом способе: на этапах n = 1 - 6 в 1,06 - 1,57 раза, а на этапах n = 7 - 12 в 1,11 - 1,43 раза (фиг. 9, кривые 3, 4). Этот эффект в данном способе достигается за счет применения диагонального порядка развития горных работ, обеспечивающего сохранение более выгодной треугольной конфигурации карьера в плане в течение всего первого порядка эксплуатации.

В обоих вариантах разработки предусматривается как внутреннее, так и внешнее отвалообразование. Внутренний отвал в рассматриваемых условиях (наклонное падение пластов полезного ископаемого) располагается у нерабочего борта 4, который является для него подпорной стенкой. Во внутренний отвал складируется 30,8% общего объема вскрыши за период работы на этапах n = 1 - 14. При этом доля вскрыши, транспортируемой во внутренний отвал, в предлагаемом способе изменяется от 45 - 90% на начальных этапах (n = 1 - 3) до 28,9 - 29,9% на этапах n = 10 - 12. В прототипе эта доля изменяется от 6 - 8% на этапах n = 1 - 3 до 20,9 - 25,8% на этапах n = 10 - 12. В результате средневзвешенное расстояние транспортирования L_n^св в предлагаемом способе ниже, чем у прототипа, в 1,70 - 1,86 раза на первых этапах n = 1 - 3 и на этапах n = 10 - 12 - в 1,04 - 1,26 раза (фиг. 10, кривые 1, 2). Этот эффект достигается за счет устройства прямого съезда в карьер непосредственно на рабочем борту, меньшей его длины и большей доли вскрыши, транспортируемой во внутренний отвал, до которого плечо откатки меньше.

Удельная работа карьерного транспорта (удельные грузоперевозки P_n, зависящая и от объема вскрыши, и от расстояния транспортирования, в предлагаемом способе разработки ниже в 1,73 - 2,68 раза на первых этапах n = 1 - 3, а в конце рассматриваемого периода (n = 10 - 2) - в 1,1 - 1,42 раза (фиг. 10, кривые 3, 4).

Площадь земель S_n^к, изымаемых под карьер и внешние отвалы, в предлагаемом способе меньше, чем в прототипе, в 4,65 - 9,97 раза на этапах n = 1 - 3 и в 1,08 - 1,07 раза на этапах n = 10 - 12 (фиг. 11, кривые 1, 2). Однако землеемкость S_n^к в целом по карьеру вследствие меньшей добычи полезного ископаемого ниже всего лишь в 1,02 - 1,26 раза в интервале этапов n = 3 - 10 (см. фиг. 11, кривые 3, 4).

Объем строительства L_n^пп временных дорог при эксплуатации карьера в расчете на 1 млн. т добычи, всецело зависящий от текущих объемов горной массы, в предлагаемом способе меньше в 1,57 - 1,63 раза на начальных этапах n = 1 - 3 и в 1,05 - 1,25 раза на этапах n = 10 - 12 (фиг. 12, кривые 1, 2).

Длина L_n^ф фронта горных работ в расчете на 1 млн.т добычи полезного ископаемого на первых этапах (n = 1 - 3) в предлагаемом способе меньше в 1,66 - 2,07 раза. С увеличением глубины карьера преимущество по этому параметру в предлагаемом способе увеличивается в связи с постоянным нарастанием объемов вскрываемых запасов (фиг. 12, кривые 3, 4).

Таким образом, практически по всем основным технико-эксплуатационным параметрам предлагаемый способ открытой разработки пологих и наклонных месторождений полезного ископаемого в первом периоде эксплуатации имеет существенное преимущество перед прототипом. И еще больший эффект достигается в сравнении с отработкой его по традиционной продольной углубочной системе разработки.