Способ открытой разработки наклонных и крутопадающих залежей полезных ископаемых

 

Способ относится к горной промышленности и может быть использован при открытой разработке полезных ископаемых. Торцовые борта карьера отстраивают большими по высоте и с меньшим радиусом кривизны, чем продольные, выравнивают параметры бортов карьера посредством отсыпки породы в глубоком торце карьера, а распорную призму формируют из пород целика посредством углубки промежуточного дна от бровки отсыпаемых пород в направлении, противоположном его уклону. Приведены соотношения параметров бортов карьера и зависимость результирующего уклона конечного дна карьера от влияющих факторов. 4 ил.

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при открытой разработке наклонных и крутопадающих залежей полезных ископаемых.

Известен способ открытой разработки пластовых месторождений, включающий отработку карьера с первоначальным внешним и последующим внутренним отвалообразованием криволинейными в плане участками [1].

Недостатками способа являются большие затраты на вскрышные работы, уменьшающие экономически целесообразную глубину карьера и тем самым полноту выемки полезных ископаемых из недр, а также различная устойчивость участков бортов, не исключающая их деформаций, и соответственно, ухудшающая полноту выемки ископаемых.

Данные недостатки обусловлены наличием в пределах карьерного поля трех карьеров - рабочих участков, что увеличивает суммарную протяженность заездов и затраты на их проходку, время перегонов оборудования из-за сравнительно небольших объемов работ на площадках и опасности его оставления на рабочих площадках при производстве массовых взрывов; наличием не испытывающих бокового распора участков бортов в период отработки целиков пород и в период отсыпки отвала за счет разности его углов и углов откоса бывшего целика пород.

Наиболее близким техническим решением является способ открытой разработки наклонных и крутопадающих залежей полезных ископаемых, включающий отработку карьера очередями, отсыпку внешнего отвала в первой очереди отработки, отсыпку пород на промежуточное дно карьера, формирование распорной призмы бортов [2].

Однако данный способ характеризуется следующими недостатками.

1. До промежуточного дна карьера торцовый ("зажатый") и продольный ("незажатый") борта отстраивают одинаковыми по высоте при различной их устойчивости, что обусловливает необходимость увеличения устойчивости продольного борта отсыпкой распорной призмы, которую при дальнейшем углублении карьера приходится отрабатывать, т.е. нести дополнительные затраты на вскрышные работы.

2. В процессе отработки карьера ниже его промежуточного дна участки борта имеют различную устойчивость, так как в период от начала отработки и перемещения (впереди по фронту работ) пород распорной призмы и последующей отработки уступов под ней до пригрузки отвалом устойчивость борта на данном участке существенно снижается по отношению к смежным по борту пригруженным его участкам (пригруженным распорной призмой впереди по фронту работ и отвалом позади). Существенное уменьшение устойчивости упомянутого участка борта обусловлено обнажением его вследствие перемещения пород распорной призмы; его увеличением по высоте за счет отработки под распорной призмой уступов пород; его увеличением по площади за счет разности результирующих углов откосов отрабатываемого между промежуточным дном и конечным дном карьера целика пород и их внутреннего отвала.

Все это обуславливают неизбежность заблаговременного дополнительного завышения коэффициента запаса устойчивости борта, отстраиваемого до промежуточного дна карьера на величину, компенсирующую будущее указанное его ослабление, что достигается уменьшением его угла наклона относительно допустимого по устойчивости угла, соответствующего наименьшему по площади обнажению участка борта между поперечным фронтом работ и внутренним отвалом, и влечет увеличение объемов вскрышных работ; неизбежность деформаций борта и, соответственно, увеличения затрат на вскрышные работы (связанных с ущербом от деформаций) в случае отстройки его до промежуточного дна без дополнительного (сверх нормативного) завышения устойчивости.

3. В силу пологого результирующего откоса отвала зона "зажима" борта сильно растянута по длине и на отдельных его участках, где радиус кривизны борта большой, проявляется слабо. Вследствие этого участки продольного борта имеют различную устойчивость, при этом не исключаются локальные деформации, увеличивающие затраты на отработку пород.

Увеличение затрат на вскрышные работы уменьшает экономически целесообразную глубину разработки месторождения открытыми способом и, соответственно, уменьшает объем (полноту) выемки полезных ископаемых из недр.

Целью изобретения является увеличение полноты выемки полезных ископаемых при сокращении затрат на вскрышные работы и выравнивании устойчивости бортов.

Поставленная цель достигается тем, что в способе открытой разработки наклонных и крутопадающих залежей полезных ископаемых, включающем отработку карьера очередями, отсыпку внешнего отвала в первой очереди отработки, отсыпку пород на промежуточное дно карьера, формирование распорной призмы бортов, промежуточное дно карьера формируют наклонным, борта карьера отстраивают с параметрами, определяемыми следующими соотношениями: R_п>R_т и B_п<B, где R_п, R_т - радиусы кривизны по дну продольного и торцового бортов карьера соответственно, м; B_п, B_т - высоты продольного и торцового бортов соответственно, м, выравнивают указанные параметры бортов карьера посредством отсыпки породы в глубоком торце карьера, а распорную призму формируют из пород целика посредством углубки промежуточного дна от бровки отсыпаемых пород в направлении, противоположном уклону промежуточного дна, и формируют конечное дно под результирующим уклоном, определяемым зависимостью i_p≅ , (1) где i_р - результирующий уклон конечного дна карьера; Δ F₁, Δ F₂ - разность удерживающих и сдвигающих сил по вероятной поверхности скольжения призмы обрушения продольного борта при его высоте при наличии и отсутствии целика распорной призмы соответственно (при превышении сдвигающих сил над удерживающими принимает отрицательное значение), кН; П - полусумма частей оснований распорной призмы, захватываемых поверхностью скольжения борта при его высоте, увеличенной на высоту целика распорной призмы, м; γ, ϕ , с - плотность, угол внутреннего трения и сцепление пород распорной призмы соответственно, кН/м³, град, кПа; α и l_ц - результирующий угол наклона к горизонту и длина поверхности скольжения в пределах распорной призмы соответственно, град, м; h_i, δ_i - высота и угол наклона к горизонту i-х участков конечного дна карьера по его предельному сечению соответственно, м, град; Б_i - длина горизонтальных участков конечного дна карьера по его продольному сечению, м.

На фиг. 1 и 2 представлены выкопировки из плана горных работ с нанесением промежуточного дна карьера; на фиг. 3 - разрез А-А на фиг. 1 и 2; на фиг. 4 - схема для вывода зависимостей параметров конечного дна карьера.

Способ осуществляют следующим образом.

В первой очереди отработки карьера производят отсыпку внешнего отвала и формируют промежуточное дно 1 карьера. Дно 1 карьера формируют наклонным между точками D и E с высотными отметками его торцовых участков, например 108 и 88 м (фиг. 1 и 3), и тем самым отстраивают до него борта карьера с параметрами, определяемыми следующим соотношением:
R_п>R_т и B_п<B где R_п, R_т - радиусы кривизны по дну продольного и торцового бортов карьера соответственно, м;
B_п, B_т - высоты продольного, торцового бортов соответственно, м, с нормативным запасом устойчивости продольного борта и с минимальным запасом кратковременной устойчивости торцового борта. Указанные параметры бортов карьера выравнивают посредством отсыпки породы в глубоком торце карьера, т. е. формированием насыпной распорной призмы 2 в контурах KFECNMK (фиг. 3) на промежуточном дне 1 карьера, например между высотными отметками 88-124 м (фиг. 1 и 2). При этом уменьшают высоту торцового борта (в данном примере на 36 м: 128-88=36 м) и увеличивают радиус его кривизны от величины R_т по дну 1 карьера (фиг. 1) до величины R_тр на отметке 124 м (см. фиг. 2) по отсыпанной рабочей площадке и в целом увеличивают коэффициент запаса устойчивости торцового борта, что обеспечивает безопасность дальнейшего углубления дна карьера. Одним из вариантов формирования упомянутой распорной насыпной призмы KFECNMK в торце карьера является обрушение пород торцового борта и перемещение их сверху вниз силой гравитации, удешевляющее выравнивание устойчивости торцового и продольного бортов.

Распорную призму 3 продольного борта в контурах ECOP формируют из пород целика посредством углубки промежуточного дна 1 карьера от нижней бровки C отсыпаемых пород в направлении, противоположному уклону промежуточного дна 1 карьера, т.е. имевшее место при формировании промежуточного дна 1 направление работ от точки D к точке E (фиг. 1 и 3) изменяют на направление от точки С к точке Р. При этом формируют наклонное конечное дно 4 карьера и обеспечивают минимальные объемы вскрышных работ при отстройке продольного борта до промежуточного дна и конечного дна карьера посредством выбора положения и параметров распорной призмы 3 из целика пород. Положение и параметры распорной призмы 3 определяют из условия
ΔF₁ ≥ ΔF₂+Пγ(cosα·tgϕ+sinα)h_ц+l_ц·c, (2) ΔF₁, Δ F₂ - разности удерживающих и сдвигающих сил по вероятным поверхностям скольжения призмы обрушения продольного борта при его высоте до промежуточного дна 1 карьера (по поверхности UVI, фиг. 4) при наличии целика распорной призмы 3 и до конечного дна 4 карьера (по поверхности TBS, фиг. 4) при отсутствии целика распорной призмы 3 соответственно, рассчитываемые по известным способам, м;
П - полусумма частей оснований распорной призмы 3, захватываемых поверхностью скольжения TBSGC борта при его высоте, увеличенной относительно промежуточного дна 1 карьера на высоту целика распорной призмы 3, м,
П = , Шп и Шк - ширина частей оснований распорный призмы 3 по сечению, нормальному к продольному борту, захватываемых поверхностью скольжения TBSGC на уровне промежуточного дна 1 и конечного дна 4 карьера соответственно (фиг. 4), м;
γ, c,ϕ - плотность, сцепление и угол внутреннего трения пород распорной призмы 3, кН/м³, кПа, град;
α и l_ц - результирующий угол наклона к горизонтальной плоскости и длина части SGC поверхности скольжения TBSGC в пределах распорной призмы 3 соответственно, м;
h_ц - высота целика распорной призмы 3 (по сечению, проходящему через точку С и точку I вкрест NO, на фиг. 1 и 2 не показано), м.

h_ц= h_ictgδ_i+ Бi_p, (3) где h_i и δ_i - высота и угол наклона к горизонту i-х участков конечного дна 4 карьера по его продольному сечению соответственно (например, согласно фиг. 3, при порядковом номере i=1 и i=2 принимается h₁ и h₂, δ₁ и δ₂ соответственно), м, град;
Б_i - длина горизонтальных участков конечного дна 4 карьера по его продольному сечению, м;
i_р - результирующий уклон конечного дна карьера на рассматриваемом участке (например, согласно фиг. 3, на участке COПР¹).

Решением (2) и (3) получаем результирующий уклон рассматриваемого участка конечного дна 4 карьера, обеспечивающий выравнивание устойчивости участков продольного борта карьера при формировании распорной призмы 3 и конечного дна 4 карьера,
i_p≅ (4)
Конечное дно 4 карьера формируют с результирующим уклоном, определяемым зависимостью (4). Например, в условиях ΔF₁=37470 кН на 1 п.м протяженности борта с учетом зажима борта в торцовой его части вследствие небольшого R_т на участке P^I P, ΔF₂=14790 кН, l_ц=45 м, С=200 кПа, П=15 м, γ=26,6 кН/м³, α= 25^о, ϕ = 38^о, h₁= 4 м, δ₁=5^о, h₂=28 м, δ₂=70^о, Б_i=40 м по зависимости (4) получаем
i_p≅ =
= = = 0,3162 i_р ≅ 0,3162, т.е. результирующий угол наклона конечного дна 4 карьера к горизонту (в контуре COOPP¹, фиг. 4) должен быть равным или меньшим 17,6^о. При этом в тех же условиях, но при Δ F₂=34990 кН на 1 п.м. протяженности борта в окрестностях сечения, проходящего через т. О, l_ц=10,3 м, α =5^о, П=4 м, на участке продольного борта в пределах участка OC (фиг. 3) конечного дна 4, не испытывающего влияния кривизны (фактора "зажатости" пород) вследствие большого радиуса его кривизны, результирующий уклон конечного дна 4 карьера составляет
i_p≅ = = 0,0874 i_р ≅0,0870, т. е. угол наклона конечного дна 4 к горизонту должен быть меньше или равным 5^о.

Таким образом, условию обеспечения равной устойчивости участков продольного (в том числе между собой) и торцового бортов на конец отработки карьера соответствует продольный контур конечного наклонного дна карьера COPP¹ (фиг. 3), а с учетом закладки одного торца насыпными породами равная устойчивость всех рабочих бортов карьера обеспечивается формированием продольного контура конечного дна FKMNCOP¹P. Преимущество предлагаемого способа заключается в том, что сокращаются объемы вскрышных работ и затраты на них в торцах карьера, по перемещению пород распорной призмы и на участках деформаций бортов.

Формула изобретения

СПОСОБ ОТКРЫТОЙ РАЗРАБОТКИ НАКЛОННЫХ И КРУТОПАДАЮЩИХ ЗАЛЕЖЕЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ, включающий отработку карьера очередями, отсыпку внешнего отвала в первой очереди отработки, отсыпку пород на промежуточное дно карьера, формирование распорной призмы бортов, отличающийся тем, что, с целью увеличения полноты выемки полезных ископаемых при сокращении затрат на вскрышные работы и выравнивания устойчивости бортов, промежуточное дно карьера формируют наклонным, борта карьера отстраивают с параметрами, определяемыми следующими соотношениями:
R_п > R_т;
B_п < B_т,
где R_п, R_т - соответственно радиусы кривизны по дну продольного и торцевого бортов карьера, м;
B_п, B_т - соответственно высоты продольного и торцевого бортов, м;
и выравнивают указанные параметры бортов карьера посредством отсыпки породы в глубоком торце карьера, а распорную призму формируют из пород целика посредством углубки промежуточного дна от бровки отсыпаемых пород в направлении, противоположном уклону промежуточного дна, и формируют конечное дно под результирующим уклоном, определяемым зависимостью

где i_р - результирующий уклон конечного дна карьера, %;
ΔF₁, ΔF₂ - разность удерживающих и сдвигающих сил по вероятной поверхности скольжения призмы обрушения продольного борта соответственно при его высоте при наличии и отсутствии целика распорной призмы; при превышении сдвигающих сил над удерживающими принимается отрицательное значение ΔF₂, кН ;
П - полусумма частей оснований распорной призмы, захватываемых поверхностью скольжения борта при его высоте, увеличенной на высоту целика распорной призмы, м;
γ, ϕ, C - соответственно плотность, угол внутреннего трения и сила сцепления пород распорной призмы, кН/м³, град. кПа;
α и l_ц - соответственно результирующий угол наклона к горизонту и длина поверхности скольжения в пределах распорной призмы, град.м;
h_i и δ_i - соответственно высота и угол наклона к горизонту i-х участков конечного дна карьера по его предельному сечению, м, град;
Б_i - длина горизонтальных участков конечного дна карьера по его продольному сечению, м;

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4