Упорядкування основних положень і термінології відкритої розробки родовищ корисних копалин

Анатолій ДРИЖЕНКО,

доктор технічних наук, професор,

Національний гірничий університет, м. Дніпропетровськ

Наведена нова редакція основних положень, деяких термінів та уніфікована класифікація систем відкритої розробки твердих родовищ корисних копалин.

Об'єктами промислової розробки твердих корисних копалин є поклади, що залягають у надрах Землі у вигляді трьох основних морфологічних типів: ізометричних, пластових та трубоподібних, які характеризуються значними розмірами, відповідно, у трьох, двох і одному напрямках. Гірничі роботи, які проводять із земної поверхні з метою добування різноманітних корисних копалин і утворення відкритих виїмок, називаються відкритими. Вони здійснюються за допомогою проведення відкритих гірничих виробок, сукупність яких у різних галузях промисловості має назву кар'єра, рудника, розріза, копальні та полігону. Найбільш загальним і розповсюдженим є кар'єр. Родовище або його частина, що відведена для експлуатації кар'єром, називається кар'єрним полем. Кар'єрні поля різняться між собою у досить широкому діапазоні за розмірами площі, її форми, кінцевої глибини, умовами залягання корисних копалин та порід розкриву, їх потужністю, міцністю, обсягами гірничих робіт, способами розкриття і відпрацювання, конструкцією та кількістю виймально-навантажувального і транспортного обладнання. Однак при дослідженні та вивчанні умов їх доцільного використання у гірничо-технічній літературі та підручниках [1-5] виникли деякі різночитання основних положень, понять і термінології. Тому для їх упорядкування і систематизації нижче наведена нова редакція їх викладення.

Так, за формою кар'єрні поля розподіляють на обширні, витягнуті та округлі. Обширні кар'єрні поля відповідають у 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 100 м) при великих площах кар'єру у плані (до 10…40 км²).

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

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), в декілька разів перевищують поперечні розміри родовища.

Такі поля характерні для глибинного типу відкритих розробок пластів і пластоподібних покладів крутопохилого та крутого залягання, що витягнуті у одному напрямку (вугілля, залізисті кварцити, азбест тощо). Глибина їх досягає 500…800 м.

За розмірами виділяють кар'єрні поля малої (довжина по поверхні L_к?1,9 км), середньої (L_к =2-4,2 км) та великої (L_к?4,3 км) протяжності [6-10]. Види кар'єрних полів за їх глибиною та розмірами наведені у табл.1.

За кутом падіння відносно горизонтальної поверхні розподіляють поклади:

- пологі, що характеризуються заляганням переважно плоских тіл корисних копалин прямолінійно або ж хвилясто під загальним кутом основної частини родовища до 8...10°; їх частковим випадком є горизонтальні поклади;

- похилі - з кутами падіння від 11 до 30°;

- крутопохилі - з кутами падіння від 31 до 56°;

- круті - з кутами падіння від 57 до 90°;

- складного залягання, що характерно для антиклінальних і синклінальних складок та різних геологічних порушень. У більшості випадків воно визначається мінливим напрямком падіння покладів. Форма покладів і кут їх падіння обумовлюють розміри кар'єрних полів та їх елементи.

Таблиця 1. Види кар'єрних (за В.В.Ржевським у інтерпретації А.Ю. Дриженка)

За потужністю поклади розподіляють залежно від можливості використання різноманітних технологічних засобів для видобування корисних копалин і кількості одночасного відроблювання уступів - для пологих родовищ або виймальних західок - для нахилених і крутих. При цьому виділяють поклади:

- надто малої потужності, коли дійсна потужність m (по перпендикуляру від кровлі до підошви) менша за 4 м, а розробка ведеться спеціальною технікою одним уступом;

- малої потужності (m = 4...20 м); розробка пологих родовищ ведеться одним уступом, а нахилених і крутих - однією західкою;

- середньої потужності (m = 21...60 м); розробка ведеться двома уступами, а нахилених і крутих - двома західками;

- потужні (m = 61...90 м); розробка ведеться трьома уступами, а похилих і крутих - трьома західками;

- надзвичайно потужні (m> 91 м).

Наведена класифікація покладів за потужністю дає можливість поряд з міцністю порід попередньо оцінювати спосіб складування порід розкриву у виробленому просторі кар'єру або переміщення їх у зовнішні відвали, проводити вибір типу виймального обладнання та розміщення транспортних комунікацій для перевезення гірських порід. При цьому потужність порід розкриву приймається аналогічною значенням потужності покладів корисних копалин.

Для планомірної розробки порід і раціонального використання обладнання кар'єрне поле у геологічному перерізі розділяють на окремі виїмкові шари, у більшості випадків - горизонтальні. Тому їх і називають горизонтальними. Виймання шарів проводять послідовно з верху до низу, незалежно від напрямку напластування порід. Можлива кількість шарів залежить від глибини і розмірів кар'єру у плані. Потужність шарів по глибині кар'єру може бути різною. При формуванні декількох шарів формуються уступи. Кількість їх у перерізі кар'єрного поля залежить від потужності покладу, кута його падіння, труднощів розробки порід, типу застосованого гірничотранспортного обладнання.

Іноді при пологих і похилих покладах розробку ведуть пологими (до 8-10?) і похилими (11-30?) шарами різної потужності, що залежить від потужності пластів та перекриваючих порід. Окремі пласти розроблюють за напластуванням порід послідовно один за одним. В окремих випадках розробку крутоспадаючих покладів і однорідних кам'яних масивів можна проводити крутопохилими (31-56?) шарами. Це дозволяє забезпечити більш круті укоси робочих бортів кар'єру і знизити завдяки цьому поточні обсяги розкривних робіт. Однак при такій технології суттєво ускладнюються розкриття робочих горизонтів і транспортування гірських порід, потрібна чітка залежність виконання видобувних і розкривних робіт.

Для керування режимом гірничих робіт глибокі та надто глибокі кар'єрні поля поділяються на етапи, під якими розуміються об'єми гірської маси, що знаходяться поміж суміжними межами тимчасово неробочих бортів. Етапи формуються у межах кар'єрного поля як у плані, так і за глибиною. Технологічно управління об'ємами виймання порід розкриву при поетапній розробці здійснюється шляхом збільшення кутів укосу робочих і тимчасово неробочих бортів кар'єру. Підтримання виробничої потужності кар'єра припускає ціленаправлений розвиток зони поглиблення в одному із торців кар'єрного поля з мінімальною потужністю перекриваючих порід, а також зони посування з прискореним переміщенням фронту гірничих робіт у верхній частині робочої зони уздовж простягання пластів корисних копалин.

На підставі вивчення праць Є.Ф. Шешка, М.В. Мельникова, В.В. Ржевського, О.І. Арсентьєва, К.А. Кумачова, В.Я. Маймінда, М.Г. Новожилова і В.С. Хохрякова та використовуючи накопичений досвід проектування і відробки родовищ, особливо похилих та крутих, запропоновано уніфікувати відомі класифікації способів розкриття і систем розробки родовищ за ознакою розвитку і механізації гірничотранспортних робіт як єдиної гірничотранспортної системи (табл. 2) [11,12].

Запропонована класифікація будується на основі системного аналізу, що розглядає кар'єр як складну сукупність ведення виймальних робіт і транспортування гірських порід на поверхню. Динаміку їх переміщення у просторі кар'єрного поля можна подати у вигляді гірничотранспортної системи, під якою розуміється установлений порядок виконання підготовчих, розкривних і видобувних робіт до кінцевої глибини з поетапним уведенням різних видів транспорту, що сумісно забезпечують безпечне економічне та найбільш повне виймання корисних копалин. При цьому в усіх класах системи присутнє певне виймальне обладнання, а ефективність відкритої розробки суттєво залежить від наявності чи відсутності кар'єрного транспорту для переміщення порід розкриву поряд із повсюдним використанням його на добувних роботах, при зниженні яких до існуючих схем трас розкривних виробок додатково вводяться нові. Відповідно до вищенаведених значень кутів залягання покладів отримали аналогічну назву і кути нахилу виїмкових шарів, а також виробок розкриття, що призначені для певних видів транспорту. Основне цільове призначення класифікації - не тільки наочне ознайомлення з можливим варіантом розвитку відкритих гірничих робіт але й вибір з множини комбінацій найбільш економічних, які відповідають гірничо-геологічним і гірничотехнічним умовам.

Різноманітність гірничогеологічних умов, в яких будуються й експлуатуються кар'єри, широкий вибір гірничотранспортного обладнання та галузі його використання дають змогу вважати обґрунтованим розподіл гірничотранспортних систем на три основні групи з виділенням характерних підгруп і рівнів класифікації. Вивчення питань розробки покладів показує, що формування робочої зони на повну глибину кар'єру з переміщенням її уздовж пласта корисної копалини і утворенням виробленого простору по кінцевому положенню кар'єрного поля відповідає групі суцільних систем при розробці в основному пологих родовищ. У той же час є позитивний досвід відробки похилих і крутих покладів з переміщенням порід розкриву у вироблений простір безтранспортним способом або із застосуванням конвеєрів, автосамоскидів та залізничних потягів.

Група заглиблювальних систем характерна тільки для похилих, крутопохилих і крутих родовищ, при розробці яких робоча зона розвивається углиб кар'єрного поля, вироблений простір несформований. Змішана група систем використовується, в основному, при розробці розосереджених покладів складної будови або виділенням кар'єру першої черги з частковим утворенням виробленого простору. У даних групах кар'єрний транспорт використовують повсюдно для переміщення як корисних копалин, так і порід розкриву. У таких умовах глибина кар'єру є визначальною для класифікації гірничотранспортних систем за ознакою виду транспорту. При цьому у залежності від щільності гірських порід, глибини розробки і площі кар'єру використовують різноманітні види транспорту як самостійно, так і у комбінаціях між собою. Так, використання автомобільного і залізничного транспорту може бути з прямою формою траси по окремих або групових траншеях тільки на верхніх горизонтах, стрічкових конвеєрів або скіпових підйомників, розміщених у похилих траншеях або шахтних стволах - з глибоких горизонтів. Складна форма траси характерна для автомобільного і залізничного транспорту під час руху по загальних траншеях на глибину до 200... 350 м, а також стрічковим конвеєром у зигзагоподібних траншеях. У міру поглиблення фронту гірничих робіт траса розкривних виробок у верхній частині кар'єру залишається без зміни або ж реконструюється, систематично доповнюється відповідним розвитком у глибинній частині.

Представлена у такий спосіб класифікація гірничотранспортних систем кар'єру дає можливість упорядкувати у єдиному сполученні основних елементів гірничих, транспортних і підготовчих робіт, створити методику економіко-математичного моделювання багатоваріантної системи розробки кар'єру. Внаслідок цього суттєво спрощується не тільки обізнаність про розвиток кар'єру, його вивчення в навчальному процесі але й вибір оптимального напрямку переміщення відкритих розробок при проектуванні й експлуатації протягом усього терміну їх існування. Наведені поняття і термінологія апробовані при проектуванні, запроваджені на вітчизняних залізорудних і флюсових кар'єрах, затверджені Мінпромполітики України [15].

Література

1. Технология открытой разработки месторождений полезных ископаемых. Ч.1.: Учебник для Вузов / Новожилов М.Г., Кучерявый Ф.И., Хохряков В.С. и др. - М.: Недра, 1971. - 512 с.

2. Технология открытой разработки месторождений полезных ископаемых. Ч.2. Учебник для Вузов / Новожилов М.Г., Хохряков В.С., Пчелкин Г.Д. и др.: - М.: Недра, 1971. - 552 с.

3. Ржевский В.В. Открытые горные работы. Ч.1.: Учебник для Вузов. - М.: Недра. 1985. - 500 с.

4. Ржевский В.В. Открытые горные работы. Ч.2. Учебник для Вузов. - М.: Недра, 1985. - 549 с.

5. Томаков П.И., Наумов И.К. Технология механизации и организации открытых горных работ: Учебник для Вузов. - М.: МГИ, 1992. - 464 с.

6. А.С. СССР № 805771. Способ рекультивации карьера внутренними отвальным уступом. Е 21С41/00 / Дриженко А.Ю., Просандеев Н.И., Мартыненко В.П. и др. Заявл. 13.04.79. №2750653/22-03 Опубл. 30.04.81, бюл.№16.

7. А.С. СССР № 1303715. Способ открытой разработки крутопадающих месторождений. Е 21С41/00 / Дриженко А.Ю., Богданов В.М. Заявл. 24.04.85 Опубл. 15.04.87, бюл. №14.

8. Дриженко А.Ю. Восстановление земель при горных разработках. - М.: Недра. 1985. - 240 с.

9. Богданов В.М. Разработка методики обоснования параметров поэтапного развития глубоких карьеров крутыми слоями: Дис... канд. техн. наук: 05.15.03 - Днепропетровск, 1989. - 110с.

10. Вскрытие глубоких горизонтов карьеров / Дриженко А.Ю., Мартыненко В.П., Симоненко В.И. и др. - М.: Недра, 1994. - 289 с.

11. Дриженко А.Ю. Об унификации способа вскрытия и систем открытой разработки месторождений полезных ископаемых // Горный инф.-аналит. бюл. - М.: МГТУ. -1998.- №5.- С. 81-86.

12. Мартыненко В.П. Научное обоснование и разработка экологически ориентированных технологий горных работ на железорудных горно-обогатительных комбинатах: Дис... д-ра техн. наук: 05.15.03 - Днепропетровск, 1999. - 344 с.

13. Бизов В.Ф., Дриженко А.Ю. Відкриті гірничі роботи : Підручник для ВНЗ. Кр. Ріг : - Мінерал, 2004. - 341 с.

14. Симоненко В. И. Технологические основы разработки нерудных месторождений с внутрикарьерным складированием отходов горного производства: Дис... д-ра техн. наук: 05.15.03 - Днепропетровск, 2004. - 467 с.

15. Положення про проектування внутрішнього відвалоутворення та складування відходів виробництва в залізорудних і флюсових кар'єрах / Керівник А.Г. Шапар. - Мінпромполітики України. Кр. Ріг.: Мінерал. 2004. - 50 с.