Параметри кар’єрних полів, ч. 1,2

Родовище корисної копалини або його частина разом з масивом покриваючих і вміщуючих порід, яку розробляють одним кар’єром, називають кар’єрним полем. Воно являє собою об'ємну геометричну фігуру, що характеризується розмірами у плані, глибиною і кутами укосів бортів та входить складовою частиною до земельного відводу кар'єру, в межах якого розміщують відвали, промислові площадки, транспортні й енергопостачальні комунікації та інші промислові об’єкти. Розміри кар'єрного поля визначають загальні об'єми гірничих робіт і можливу продуктивність кар’єру.

Головні параметри кар’єрних полів:

1. Кінцева глибина кар'єрного поля Н_к (м)

При розробці горизонтальних та слабкопохилих родовищ кінцева глибина кар'єрного поля по досягненні підошви покладу дорівнює поточній глибині кар'єру і у процесі ведення гірничих робіт практично не змінюється. Для похилих та, більшою мірою, крутоспадаючих родовищ поточна глибина кар'єру систематично збільшується на ступінь річного темпу пониження гірничих робіт h_р (м/р) і тільки при їх завершенні збігається з кінцевою глибиною. У цьому полягає принципова різниця у розкритті й технології відкритої розробки пологих та похилих і крутоспадаючих пок­ладів.

Кінцева глибина кар’єру може бути визначена наближеними або детальними методами.

При наближених методах у якості вихідних даних використовують поперечні геологічні перерізи зі спрощеним зображенням реальних геологічних умов, тобто рудні тіла представлені у вигляді простих геометричних фігур - прямокутників, трикутників, трапецій та ін. При значній протяжності кар’єрного поля глибину кар’єра визначають по кількох характерних геологічних розрізах, а потім днище та контури кар’єра узгоджують між цими контурами. При невеликій протяжності та значній глибині кар’єру - розрахунок проводять одразу для всього кар’єрного поля.

Приклади формул для обчислення глибини кар’єра наближеними методами:

1) , м , (ф-ла Городецкого; Мельников, справочник по ОГР)

де К_вил – коеф. вилучення запасів КК (0,95-0,97); К_р.гр. – об’ємний граничний коеф. розкриву; m_г – горизонтальна потужність родовища, м; β_в та β_л – відповідно кути відкосів бортів кар’єра з висячого та лежачого боків родовища.

2) , м, (Томаков, Ржевский)

де Р – периметр підошви кар’єра; S – площа підошви кар’єра.

Проведені наближені розрахунки Н_к використовують для попередньої оцінки ефективності відпрацювання родовища, а потім уточнюють за детальними розрахунками.

Детальні розрахунки кінцевої глибини та контурів кар’єра проводять на основі реальних геологічних розрізів та погоризонтних планів або на базі достовірної математичної моделі родовища за допомогою САПР.

Розміри дна кар'єруL_д і В_д визначаються шляхом оконтурювання розроблюваної частини родовища на рівні кінцевої глибини кар'єру. Мінімальні їх значення встановлюють відповідно до вимог безпечного виймання й транспортування гірських порід на нижньому уступі, що становлять L_д = 150 м, В_д 30 м.

Кути відкосу бортів кар'єрного поляβ_н (град.) визначаються умовами стійкості порід прибортового масиву з урахуванням розміщення транспортних площадок і площадок безпеки. Збільшення значення цих кутів призводить до зменшення об'єму порід розкриву у межах кар'єрного поля. Так, при розробці крутоспадних родо­вищ збільшення кута відкосу борту кар'єрного поля лише на один градус при погашенні гірничих робіт призводить до зменшення об'єму розкриву на 5-10 %. У той же час потрібно пам’ятати, що збільшення кутів неробочих бортів кар’єру веде до зниження їх стійкості.

Кут відкосу неробочого борту кар'єру β_н (град.) у кінцевому положенні визначається за формулою: β_н = , де h_y – висота уступу, м ; n_y, n_т, n_б – кількість уступів, транспортних і запобіжних площадок; b_т, b_d – відповідно ширина транспортних та запобіжних площадок, м; α_y.н – кут відкосу неробочих уступів, град.

Для уточнення розмірів кутів, особливо при нестійких породах або несприятливому заляганні поверхонь ослаблення, необхідно проводити натурні дослідження і розрахунки стійкості укосів для окремих уступів і борту кар'єру у цілому.

В сучасних кар’єрах отримали поширення три переважні форми відкосів неробочих бортів: а) увігнута; б) плоска; в) випукла (опукла).

Відкоси увігнутої форми (рис. а) отримали поширення при розробці слабких порід, які схильні до інтенсивних деформацій. Плоскі відкоси (рис. б) забезпечують задовільну стійкість бортів, але ефективність робіт знижується порівняно з випуклими відкосами (рис. в) через непродуктивне виймання розкривних порід на нижніх горизонтах. Враховуючи те, що на нижніх горизонтах глибоких кар’єрів є тенденція зростання стійкості порід, використання випуклих відкосів бортів може зекономити значні обсяги виймання розкриву.

Для наближених розрахунків параметрів кар’єрів складної конфігурації часто використовують усереднений кут відкосу неробочих бортів кар’єру. При цьому мається на увазі не просто середньоарифметичне значення, а середньозважене, з урахуванням довжини кожної дільниці борту кар’єру, на якій відбувається суттєва зміна куту відкосу борту. Визначається він наступним чином:

,

де β_n та ℓ_n – відповідно кут відкосу та усереднена довжина n-го неробочого борту кар’єру.

м,

де ℓ_пп.n та ℓ_д.n – відповідно довжина n-го неробочого борту кар’єру по поверхні та по дну, м.

Кут відкосу робочих бортів кар'єруα_р (град.) визначається умовами міцності розроблюваних порід, габаритами виймально-транспортного обладнання та орієнтацією виймальних шарів. Для планомірної розробки порід і раціонального використання обладнання кар'єрне поле розділяють на окремі виїмкові шари, у більшості випадків – горизонтальні. Їх виймання проводять послідовно згори донизу незалежно від напрямку напласту­вання порід.

Кут відкосу робочого борту кар'єру визначається за формулою

α_р = ,

де b_р та n_р – ширина та кількість робочих площадок, м; α_y – кут укосу робочого уступу, град.

При однакових значеннях висоти уступів, ширини їх робочих площадок і кутів укосу на кожному з уступів кут укосу робочого борту кар'єру приблизно визначається параметрами одного робочого уступу.

Значення α_р змінюються від 5до 30⁰ і залежать, у першу чергу, від технології розробки покладів, висоти уступів і ширини робочих площадок. У свою чергу від значення кута укосу робочого борту кар'єру залежать швидкість посування і потоковий об'єм гірничих робіт. Внаслідок цього, змінювання кута α_р є важливим фактором регулювання режиму гірничих робіт.

У багатьох випадках на окремих ділянках кар'єрів за глибиною і у плані влаштовують тимчасово неробочий борт, для чого припиняють виконання гірничих робіт на декількох уступах. Ширина площадок таких уступів b_т.н (м) скорочується порівняно з робочими площадками і знаходиться на рівні транспортних площадок, або частіше, площадок безпеки. При цьому кут укосу тимчасово неробочого борту досягає значення 25…35⁰.

Формування тимчасово неробочих бортів виконується в основному для зменшення потокових об'ємів виймання порід розкриву. В окремих випадках така конструкція борту кар'єру може бути застосована при будівництві транспортних комунікацій, залишенні породних ціликів між суміжними ділянками кар'єрного поля і т.п.

Розміри кар'єрного поля у плані на поверхнівизначаються розмірами покладів за простяганням і навхрест нього, а також довжиною і шириною дна, глибиною, кутами укосів бортів, топографічними та гідрографічними умовами. Довжина кар'єрних полів змінюється від сотень метрів до 5…6 км і в окремих випадках досягає 10…13 км. Ширина кар'єрних полів становить до 5 км. Розміри кар’єра по поверхні наближено визначаються за формулами:

м

Загальний об'єм гірської маси у межах кар'єрного поля V_к визначає виробничу потужність підприємства, термін його дії, розмір земель, що займають відвали тощо. При рівнинному рельєфі поверхні V_к (м³) визначають за формулою акад. В.В.Ржевського

V_к = S_д H_к + P ctgβ_ср + ctg²β_ср , м3

де S_д – площа дна кар'єру, м³; P_д – периметр дна, м; β_ср – усереднений або середньозважений кут відкосу бортів, град.

Запаси корисних копалин. Геологічними запасами корисних копалин називається їх кількість у надрах Землі, встановлена за даними геолого-розвідувальних робіт (або в про­цесі розробки родовищ). Запаси корисних копалин вимірюються в одиницях об’єму або маси: природний газ, нерудні корисні копалини і будівельні ма­теріали – в м³, нафта, вугілля, руда – в тоннах, благородні метали, рідкісні елементи – в кілограмах, алмаз – у каратах.

Всі розвідані запаси корисних копалин у надрах підлягають обо­в'язковій перевірці і затвердженню в Державній комісії по запасах (ДКЗ) або в територіальній комісії по запасах (ТКЗ). Підприємства, які здійснюють гірничовидобувні, проектні, геологорозвідувальні і гірничобудівельні роботи, фінансуються лише при представленні про­токолу-рішення ДКЗ (ТКЗ).

Загальнорозвідані запаси корисних копалин класифікуються за трьома ознаками:

– за народногосподарським значенням;

– за ступенем розвіданості (достовірності);

– за ступенем підготовленості до промислового освоєння.

За народногосподарським значенням геологічні запаси корисних копалин розподіляються на балансові, забалансові, промислові та експлуатаційні.

Балансовими називаються запаси, які при даному рівні розвитку техніки та технології видобутку і переробки можуть бути рентабельно використані в народному господарстві, тобто повністю відповідають прийнятим кондиціям на даний вид мінеральної сировини, а також їх розробка забезпечує дотримання вимог раціонального, комплексного використання корисних копалин і охорони природи

Забалансовими називаються запаси, використання яких у сучасних умовах недоцільне за кондиціями, потужністю, складністю розробки і переробки, але які в подальшому можуть стати об'єктом промислового освоєння.

Промислові запаси – частина балансових запасів, яка безпосередньо видобувається в процесі розробки, за виключенням проектних кількісних втрат.

Проектні кількісні втрати – частина балансових запасів, яка запроектована до безповоротного залишення в надрах.

Експлуатаційними запасами вважаються обґрунтовані проектом промислові запаси за винятком втрат та з урахуванням збіднення їх при видобуванні.

За ступенем вивченості (достовірності) запаси корисних копалин поділяються на розвідані запаси категорій А,В,С₁ та попередньо оцінені – категорія С₂. При їх розподілі на категорії врахо­вується різниця в достовірності визначення, яка знижується послі­довно від категорії А до категорії С₂. Критеріями встановлення кате­горій для твердих корисних копалин є вивченість форм, розмірів і умов залягання корисних копалин, характеру і закономірностей зміни їх морфології, внутрішньої будови, якості та технологічних властивостей, гідрогеологічних, інженерногеологічних, гірничогеоло­гічних та інших природних умов родовищ.

Запаси категорії А повинні задовольняти таким вимогам:

1) встановлено розміри, форма й умови залягання тіл корисних копалин, вивчено характер і закономірності мінливості їх внутрішньої будови, виділено та оконтурено некондиційні ділянки всередині тіл корисних копалин;

2) визначено природні різновиди, виділено та оконтурено промислові типи і сорти корисних копалин, встановлено їх склад, властивості і розподіл цінних та шкідливих компонентів за мінеральними формами; якість виділених промислових типів і сортів корисних копалин охарактеризовано за всіма передбаченими кондиціями і показ­никами;

3) технологічні властивості корисних копалин вивчено з деталь­ністю, що забезпечує одержання вихідних даних, достатніх для проек­тування технологічної схеми їх переробки;

4) гідрогеологічні, інженерно-геологічні та інші природні умови вивчено з детальністю, що забезпечує одержання вихідних даних, необ­хідних для складання проекту розробки родовища;

5) контур запасів корисних копалин визначено за свердловинами або гірничими виробками.

Запаси категорії В повинні задовольняти такі вимоги:

1) встановлено розміри, основні особливості і мінливість форми, внутрішньої будови та умов залягання тіл корисних копалин, просторове розміщення некондиційних ділянок;

2) визначено природні різновиди, виділено й оконтурено про­мислові типи корисних копалин, встановлено закономірності просторо­вого розподілу і кількісного співвідношення промислових типів корис­них копалин, мінеральні форми знаходження корисних та шкідливих ком­понентів; якість виділених промислових типів і сортів корисних копа­лин охарактеризовано за всіма передбаченими кондиціями і показниками;

3) технологічні властивості корисних копалин вивчено у достатній мірі, необхідній для вибору принципової технологічної схеми пере­робки;

4) гідрогеологічні, інженерно-геологічні, гірничо-технологічні та інші природні умови вивчено з достатньою повнотою, що дає змогу характеризувати їх вплив на розкриття і розробку родовища;

5) контур запасів корисних копалин визначено за свердловинами і гірничими виробками.

Запаси категорії С₁ повинні задовольняти такі вимоги:

1) виявлено розміри і характерні форми тіл корисних копалин, основні особливості умов їх залягання та внутрішньої будови;

2) визначено природні різновиди та промислові типи корисних копалин, встановлено загальні закономірності їх просторового розпо­ділу і кількісні співвідношення промислових типів і сортів корисних копалин, мінеральні форми знаходження корисних і шкідливих компо­нентів, якість промислових типів охарактеризовано за всіма передба­ченими показниками;

3) технологічні властивості корисних копалин охарактеризовано достатньою мірою для обґрунтування промислової цінності запасів;

4) гідрогеологічні, інженерно-геологічні, гірничо-геологічні та інші природні умови вивчені з повнотою, що дозволяє попередньо охарактеризувати їх основні показники;

5) контур запасів корисних копалин визначено згідно з вимо­гами кондицій до свердловин або гірничих виробок.

Запаси категорії С₂ повинні задовольняти такі вимоги:

1) розміри, форма, внутрішня будова тіл корисних копалин та умови їх залягання оцінено за геологічними та геофізичними даними і підтверджено розкриттям корисних копалин одиничними свердловинами і гірничими виробками;

2) якість і технологічні властивості корисних копалин визначе­но за результатами досліджень поодиноких лабораторних проб або оці­нено за аналогією до більш вивчених ділянок того самого або подіб­ного родовища;

3) контури запасів корисних копалин визначено на основі поодиноких свердловин, окремих гірничих виробок, природних відшарувань з урахуванням геофізичних та геохімічних досліджень.

За ступенем підготовленості до видобутку розрізняють запаси розкриті, підготовлені та готові до виймання. В основу даної класифікації запасів покладено виконання певних видів гірничих робіт і проведення необхідних гірничих виробок. У гірничотехнічній літературі існують різні визначення цих понять, тому краще використовувати формулювання, встановлені «Положенням про проектування гірничодобувних підприємств України та визначення запасів корисних копалин за ступенем підготовленості до видобування».

Розкритими вважаються балансові запаси корисних копалин родовища або його частини, звільнені від пустих порід, або оголені внаслідок природних умов залягання, для розробки яких пройдена в’їзна траншея і виконані гірничо-капітальні роботи, передбачені проектом.

Підготовленими називаються запаси уступів (із числа розкритих) з оголеною верхньою і боковою поверхнями, для розробки яких виконані гірничопідготовчі роботи, передбачені проектом. Це запаси, які можна розробляти при паралельному посуванні всіх видобувних уступів без проведення розкривних робіт.

Готовими до виймання вважаються запаси з числа підготовлених, для розробки яких виконані допоміжні роботи і які можуть бути відпрацьовані незалежно від просування суміжного верхнього уступу, залишаючи при цьому необхідну робочу площадку мінімальної ширини. Готовими до видобутку запасами вважаються також запаси, відбиті від масиву корисних копалин.

Форма кар’єрних полів.

За формоюкар'єрні поля розподіляють на обширні, витягнуті та округлі.

Обширні кар'єрні поля відповідають в основному поверхневому типу відкритих розробок пологих пластів і пластоподібних покладів (буре вугілля, марганцеві та залізні руди, розсипи поліметалів, вогнетриви тощо). Вони характеризуються середньою глибиною (до 100м) при великих площах кар'єру в плані (до 10…40км²).

Витягнуті кар'єрні поля мають великі розміри за простяганням, що в декілька разів перевищують поперечні розміри родовища. Такі поля характерні для глибинного типу відкритих розробок пластів і пластоподібних покладів крутонахиленого та крутого залягання, що витягнуті в одному нап­рямку (вугілля, залізисті кварцити, азбест тощо). Глибина їх досягає 500…800 м, довжина – 5…13км.

Округлі кар'єрні поля мають закруглену або овальну форму у плані (L_к : В_к = 1 : 2 ) і відповідають глибинному і висотно-глибинному типу відкритих розробок ізометричних покладів (кольорові та благородні метали, дорогоцінне каміння, будівельні матеріали тощо). Глибина їх досягає 500…800 м при площі до 6...10 км².

ЛЕКЦІЯ 5