способ разработки полезных ископаемых

Формула изобретения

1. Способ разработки полезных ископаемых из бортов карьеров, траншей или иных выработок с использованием комплекса открыто-подземной разработки (КОПР), включающий открытую разработку и выемку полезного ископаемого выемочными камерами с оставлением между ними предохранительных целиков и последующей закладкой камер, отличающийся тем, что в границах отрабатываемого месторождения формируют три рабочие зоны: подготовительную – для открытых работ, основную – для открыто-подземных работ и завершающую – для отвалообразования и рекультивации, зоны формируют последовательно с отставанием одновременно по простиранию и падению пласта, причем подготовительную зону формируют дискретно, с оставлением подготовительных целиков с ненарушенной поверхностью длиной не более 600 м по простиранию пласта, при этом в процессе проведения открыто-подземных работ рабочий орган комплекса изначально устанавливают с расположением его продольной оси под углом 30-150° в горизонтальной плоскости к оси простирания пласта, при последующих заходках рабочий орган комплекса веерообразно перемещают с изменением положения его продольной оси в указанном диапазоне углов с шагом 0,5-2°, после чего аналогичным образом производят отработку подготовительных целиков с их торцов.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что открыто-подземные работы начинают слоем от кровли пласта, завершают слоем по почве пласта соосными или несоосными слоями.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что отработку свиты пластов производят последовательно, начиная с верхнего пласта, заканчивая нижним, по возвратно-поступательной траектории.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что подготовительную зону перемещают по фронту простирания пласта горизонтально, с уклоном или со ступенчатой углубкой.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области горнодобывающей промышленности и может быть использовано при открыто-подземной добыче полезного ископаемого, в частности угля при углах падения пластов до 30°, расположенных как за пределами, так и в пределах конечного контура борта карьера, в том числе в свитах, с мощностью угольных пластов от 0,6 м и более.

Областью применения могут быть вновь строящиеся и действующие предприятия, находящиеся на стадии открытой разработки и уже отработанные карьерные поля, доработка запасов всевозможных торцов, бортов, дна карьера, под естественными и искусственными преградами (отвалы, перемычки, водоемы), отработка некондиционных и законсервированных запасов.

В настоящее время разработка открытым способом имеет предпочтение в сравнении с разработкой подземным способом благодаря таким факторам, как высокая производительность и степень механизации процессов, более низкие затраты, лучшая статистика безопасности, более высокий процент выемки полезного ископаемого.

Однако добыча полезного ископаемого открытым способом сопровождается следующими проблемами:

1. Область применения ограничивается глубиной отработки или достижением предельного коэффициента вскрыши.

2. Месторождения отрабатываются по простиранию с очень низким темпом углубки 5-10 м/г, при общей глубине отработки до 300 м.

В начальный период эксплуатации из зоны окисления добывается продукция более низкого качества.

Низкий темп углубки определяет избыточность действующего фронта на весь срок эксплуатации предприятия 30 и более лет, при этом требуется долгосрочное поддержание излишней протяженности всех видов коммуникаций; возникает необходимость в максимальных сроках изъятия земель, увеличиваются площади нарушенных земель; стадия рекультивации переносится на последнюю фазу отработки месторождения, когда себестоимость добычи достигает максимума.

3. По мере углубления горных работ резко возрастают объемы буровзрывных и вскрышных работ, дальность транспортировки горной массы, потребность в площадях под отвалообразование.

4. При достижении предельного коэффициента вскрыши добыча открытым способом завершается, созданная инфраструктура и коммуникации подвергаются демонтажу или, в большинстве случаев, стихийным разрушениям и полной деградации (разграблению).

5. Обостряются экологические проблемы, связанные с изъятием из хозяйственного оборота и нарушением земель, нарушением рельефа, флоры, фауны, гидрологических режимов местности, загрязнений воды и воздуха.

Не меньше проблем имеет и подземный способ отработки.

Многие месторождения имеют категорию запасов, которые не технологичны ни для открытого, ни для подземного способов добычи, к этой категории относятся:

- законтурные запасы разрезов (за пределами экономически целесообразной технической границы);

- приповерхностные запасы шахт, отработка которых подземным способом недопустима из соображений безопасности, а открытым нерентабельна;

- запасы месторождений, залегающие в малоосвоенных районах со слабо развитой инфраструктурой, которые не могут быть быстро вовлечены в эксплуатацию из-за высоких капиталовложений;

- участки недр с относительно небольшими запасами угля и пластами малой мощности.

В связи с изложенным является актуальным поиск новых технологических решений по отработке месторождений полезных ископаемых.

Известны способы комбинированной открыто-подземной разработки пластов в классическом сочетании открытых и подземных работ, имеющие статус основного технологического процесса (см. RU 2151291, E 21 C 40/00, 1998, RU 2099524, Е 21 С 41/00, 1997, RU 2117155, Е 21 С 41/00, 1998).

Недостатками этих способов являются большие потери полезного ископаемого в целиках между открытой выработкой и зоной подземных горных работ, а также в целиках между подземными выработками и в торцевых частях добычных забоев.

Сложность выемки и транспортирования полезного ископаемого, связанная с разворотами комплекса, большая опасность работ при выходе комплекса на поверхность, низкий уровень механизации процессов.

Невозможность работы комплекса при отрицательных температурах воздуха при вводе его в пласт. Использование способа возможно только при значительной мощности междупластья, когда подработка вышележащего пласта не сказывается на его целостности.

Кроме того, использование способа не возможно для отработки наклонных и крутопадающих залежей.

Известны способы открыто-подземной разработки пластов с применением таких специальных агрегатов для извлечения угля из-под земли с открытой поверхности, как шнеко-буровая машина, разработчики тонких пластов (см US 4589700, 1986, WO 92/10644, 1992, WO 95/02746, 1995, SU 823577, 1981, SU 1051280, 1983). Данные известные способы имеют ограничения в применении и не нашли широкого распространения.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ разработки полезных ископаемых из бортов карьеров и траншей с использованием комплекса открыто-подземной разработки (КОПР) с секционной конвейерной установкой или с многозвенным шнековым транспортером, включающий открытую разработку и выемку полезного ископаемого заходками с образованием выемочных камер и оставлением между ними ленточных предохранительных целиков с последующей закладкой выработанного пространства (см WO 92/10644, 1992, WO 95/02746, 1995).

Данный известный способ предусматривает установку комплекса указанной конструкции с размещением его продольной оси под прямым углом к оси простирания пласта и периодическое перемещение комплекса вдоль борта на толщину ленточного целика для выбуривания очередной выемочной камеры.

Недостаток этого способа заключается в том, что он предназначен для отработки полезного ископаемого только после достижения открытыми горными работами предельного коэффициента вскрыши, только маломощных, одиночных, горизонтальных или слабонаклонных пластов и применяется в ограниченных случаях как вспомогательный процесс на завершающей стадии открытых горных работ. Способ недостаточно производителен в связи с необходимостью частых перемещений комплекса к новым выработкам. Большое количество выработок, растянутых на значительной расстояние, является причиной массивного нарушения земной поверхности. Оборудование находится в длительных простоях, связанных с ожиданием фронта работ, коэффициент использования календарного фонда времени оборудования находится в пределах 0,2-0,3.

Задачей изобретения является расширение области применения способа разработки полезных ископаемых, повышение производительности и коэффициента использования календарного фонда времени оборудования, а также большей экологичности процесса за счет увеличения сохранности земной поверхности и полноты выемки полезного ископаемого.

Задача решается тем, что при открытом способе разработки полезных ископаемых из бортов карьеров и траншей или иных выработок с использованием комплекса (КОПР) с секционной конвейерной установкой или многозвенным шнековым транспортером, выемку полезного ископаемого производят заходками с образованием выемочных камер и оставлением между ними предохранительных целиков с последующей закладкой выработанного пространства.

Согласно изобретению в границах отрабатываемого месторождения формируют три рабочие зоны: подготовительную - для открытых работ, основную - для открыто-подземных работ и завершающую - для отвалообразования и рекультивации, зоны формируют последовательно с отставанием в 20 и более метров одновременно по простиранию и падению пласта. Подготовительную зону формируют дискретно, с чередованием участков вскрывающих угольный пласт и целиков с ненарушенной поверхностью протяженностью до 600 метров по простиранию пласта.

Выемка угля первоначально производится с участка вскрытого угля, комплекс устанавливают в положение, при котором продольная ось рабочего органа расположена под углом 30-150° к оси простирания пласта в горизонтальной плоскости. При проходке каждой последующей выработки рабочий орган комплекса веерообразно перемещают с изменением положения его продольной оси в указанном диапазоне углов с шагом 0,5-2°, после чего аналогичным образом производят отработку целиков с торцов, не нарушая рельеф поверхности.

При мощности пласта более 5 м производится послойная выемка угля. С закладкой выработок выемку начинают слоем от почвы пласта, по восходящей траектории последовательно поднимаясь ярусами слоев по мощности пласта к его кровле соосными или несоосными слоями выработок. Каждый последующий ярус отрабатывается со специально произведенной отсыпанной из породы площадки высотой, равной высоте предыдущего яруса (до 5 м), и шириной, необходимой для размещения комплекса (20-30 м). Циклы в последовательности: выемка угля, закладка выработок, отсыпка площадки, повторяются до полной отработки пласта по мощности. В результате после отработки угля остается засыпанная выработка почти на полную мощность пласта, что снижает затраты на рекультивацию отработанного участка.

Без закладки выработок отработка ярусов производится в обратном порядке по нисходящей траектории ярусом от кровли пласта и завершается ярусом по почве пласта только слоями соосных выработок.

Выемку угля начинают со специально отсыпанной из породы площадки высотой, равной мощности пласта за минусом 5 м (высота первого слоя), и шириной, необходимой для размещения комплекса (20-30 м). Для отработки нижележащего яруса производится удаление площадки на высоту выемочного слоя (до 5 м). Циклы в последовательности: выемка угля, удаление площадки, повторяются до полной отработки пласта по мощности. В результате после отработки угля требуется дополнительная засыпка отработанного участка в целях его рекультивации.

Отработка свиты пластов производится по вышеописанной технологии в восходящем порядке с закладкой выработок и последующей отсыпкой рабочей площадки или в нисходящем порядке без закладки с предварительной отсыпкой рабочей площадки, а затем с последующим ее удалением последовательно, начиная с нижнего или верхнего пласта, по возвратно-поступательной траектории.

Подготовительная зона формируется по фронту пласта как параллельно оси простирания пласта, так и с уклоном или со ступенчатой углубкой относительно первоначального горизонта отработки по оси простирания пласта.

Способ осуществляют следующим образом. Извлечение полезного ископаемого производят с изначальным формированием в границах месторождения трех рабочих зон:

- подготовительной или зоны открытых работ,

- основной или зоны эксплуатации комплекса (КОПР),

- завершающей или зоны отвалообразования и рекультивации.

Формирование зон производят последовательно с небольшим отставанием в 20 и более метров друг от друга по простиранию и падению пласта одновременно, что дает возможность отрабатывать полезное ископаемое сразу на проектную глубину и следом производить рекультивацию.

Размеры рабочих зон, расстояния между ними, скорость и направление их перемещения определяют исходя из условий безопасности, минимума экологической нагрузки, производительности горнотранспортного оборудования и мощности полезного ископаемого.

Подготовительную зону формируют дискретно с чередованием участков вскрывающих угольный пласт и целиков с ненарушенной поверхностью протяженностью до 600 метров по простиранию пласта.

Отработку этих целиков производят с торцов, что позволяет сократить степень нарушения земной поверхности по фронту простирания пласта от 50 до 70%.

Создание укрупненных до 600 м по фронту участков с ненарушенной поверхностью и отработка их с торцов обеспечивается особенностями формирования выемочных камер (веерообразно) и возможностями используемого оборудования вести разработку на глубину до 300 м.

Установка комплекса в стартовом положении, при котором продольная ось рабочего органа располагается под углом, выбранным из диапазона 30-150° к оси простирания пласта, обеспечивает возможность разработки пластов полезного ископаемого в широком диапазоне углов их падения и мощности. При стартовой установке комплекса выбор конкретного значения угла поворота оси рабочего органа относительно оси простирания пласта внутри вышеприведенного диапазона значений зависит от мощности и угла падения пласта, уровня допустимых потерь угля, геометрии, рельефа подготовительного участка и может изменяться в пределах до 120°.

Для образования очередной выемочной камеры рабочий орган комплекса перемещают (разворачивают), изменяя угловое положение его продольной оси. Перемещение производят веерообразно в выбранном диапазоне углов с шагом 0,5-2°. Выбор шага перемещения оси рабочего органа комплекса зависит от крепости и устойчивости боковых пород, а также от расположения пласта (в частности, чем выше устойчивость породы, тем меньше может быть шаг перемещения рабочего органа, и наоборот). Одновременно комплекс перемещают на незначительное расстояние вдоль борта. Формирование выемочных камер таким образом позволяет в свою очередь минимизировать нарушения рельефа поверхности по фронту простирания пласта, поскольку отработку в этом случае производят компактно, небольшими рабочими зонами, к тому же последующая обработка аналогичным образом подготовительных целиков с их торцов обеспечивает высокую полноту выемки пласта.

При мощности пласта более 5 м производится послойная выемка угля. С закладкой выработок выемку начинают слоем от почвы пласта, по восходящей траектории последовательно поднимаясь ярусами слоев по мощности пласта к его кровле соосными или несоосными слоями выработок. Циклы в последовательности: выемка угля, закладка выработок, отсыпка площадки для размещения комплекса, повторяются до полной отработки пласта по мощности.

Без закладки выработок отработка ярусов производится в обратном порядке по нисходящей траектории ярусом от кровли пласта и завершается ярусом по почве пласта только соосными слоями выработок.

Циклы в последовательности: выемка угля, удаление площадки, повторяются до полной отработки пласта по мощности.

Отработка свиты пластов производится последовательно, начиная с нижнего или верхнего пласта, по возвратно-поступательной траектории движения комплекса в рабочей зоне, что является наиболее оптимальной схемой по экономическим и организационным параметрам. Отработка свиты пластов производится в восходящем порядке с закладкой выработок и последующей отсыпкой рабочей площадки или в нисходящем порядке без закладки с предварительной отсыпкой рабочей площадки, а затем последующим ее удалением.

Формирование подготовительной рабочей зоны по фронту простирания пласта с уклоном или ступенчатой углубкой позволяет увеличить глубину отработки месторождения.

Изобретение иллюстрируется чертежом, на котором изображен вид сверху на зону разработки пласта. Условные обозначения: а - длина подготовительных целиков, - угол между продольной осью рабочего органа комплекса и осью простирания пласта, 1 - выемочные камеры фронтальной зоны, 2 - выемочные камеры в зоне отработки подготовительных целиков.

Комплекс устанавливают в выработке, подготовленной открытым способом. Рабочий орган (комбайн) зарубается в пласт под углом , равным 30-150° и создает наклонную прямоугольную выемочную камеру высотой, равной 1-5 м. Через каждые 6 м рабочий орган наращивают секцией транспортера и цикл работ повторяется до глубины 300 м. Ширина выемочной камеры составляет 3,5 м. Затем также по секциям рабочий орган извлекают на поверхность, а устье выемочной камеры присыпают породой до высоты, исключающей случайное попадание в них людей, животных и т.д.

Для отработки следующей камеры комплекс поворачивают на угол 0,5-2° с незначительным перемещением его вдоль борта и цикл выемки повторяется. Внутренний угол между крайними выемочными камерами может дифференцироваться в пределах 120°.

Пласты мощностью более 5 м отрабатывают послойно. Оставленные целики между зонами отрабатывают с торцов по веерообразной схеме.

Производительность комплекса при использовании его в рамках заявленного способа достигает до 10 тысяч тонн в сутки. Система навигации позволяет автоматически отрабатывать пласт на всю мощность, а также выдерживать толщину поддерживающего целика (клинообразной формы) на всем протяжении выработок. Полезное ископаемое, например уголь, извлекаемый при проведении выработок, конвейером выгружается сзади комплекса на рабочую площадку, затем грузится погрузчиком на автосамосвалы и вывозится на промежуточный склад и далее потребителям в железнодорожных вагонах.

Технический результат, получаемый при использовании изобретения, заключается в возможности вовлечения в отработку ранее недоступных по технологическим причинам запасов с отработкой месторождения сразу на проектную глубину при снижении экологической нагрузки за счет сокращения площади нарушенных земель, а также сокращения сроков рекультивации нарушенных земель и возврата их в хозяйственный оборот.

Преимуществом заявленного способа является возможность отработки месторождений практически любых типов и находящихся в любой стадии отработки, в том числе и начальной. За счет расширения области применения становится возможным перевод технологии из разряда ограниченно применяемых в разряд основных.