» » Конструктивные элементы карьеров
15.05.2015

Рудные месторождения, разрабатываемые открытым способом, имеют самую разнообразную горно-геологическую характеристику, что предопределяет основные размеры и конструктивное оформление карьеров. Однако при всем разнообразии размеров карьеров общее конструктивное оформление их примерно одинаково (рис. 2).
При открытой разработке месторождение разделяют на отдельные горизонтальные слои, которые в процессе разработки приобретают уступную форму.
Конструктивные элементы карьеров

Важный элемент карьера — уступ, т. е. часть толщи горных пород в карьере, имеющая рабочую поверхность в форме ступени и разрабатываемая самостоятельными средствами выемки и транспорта. Уступ (рис. 3) состоит из откоса и ограничивающих его горизонтальных площадок. В рабочем уступе площадки имеют размеры, достаточные для размещения оборудования и развала отбиваемой горной породы. Нерабочие уступы имеют площадки малой ширины — бермы. Боковые поверхности, ограничивающие карьер и его выработанное пространство, называются бортом карьера (борт—совокупность откосов и площадок уступов карьера). Доступ с поверхности к рабочим горизонтам карьера осуществляется через капитальные траншеи; для подготовки уступов к разработке проводят разрезные траншеи.
Конструктивные элементы карьеров

За последние 15—20 лет в результате развития техники открытых работ значительно увеличились размеры карьеров, особенно глубина их разработки, высота уступов и ширина рабочих площадок. В связи с применением самоходного высокопроизводительного погрузочного и транспортного оборудования значительно увеличились уклоны путей и уменьшились радиусы закруглений.
Увеличение высоты уступа — позволяет сократить число рабочих горизонтов, отчего работа в карьере упрощается и снижаются затраты на выравнивание почвы уступов. Высоту уступа принимают, исходя из требований техники безопасности ведения работ, более полного использования оборудования и сокращения объемов вспомогательных работ.
Установка правильной взаимосвязи между высотой уступа и рабочими размерами экскаватора обеспечивает наиболее производительную безопасную и экономичную работу оборудования на уступе и выдачу сырья повышенного качества. Высотa уступа в первую очередь должна соответствовать высоте черпания экскаватора и, если позволяют прочие условия, равняться ей. При недостаточно устойчивых породах высоту уступа снижают до 0,65—0,7 высоты черпания экскаватора.
Раздельная погрузка различных сортов руды или погрузка руды отдельно от породы возможна только при высоте уступа, не превышающей высоты черпания экскаватора. Высота уступа, равная высоте черпания экскаватора, хорошо себя оправдала при селективной разработке многих месторождении, в частности Магнитогорского месторождения железных руд. При разработке месторождений с устойчивыми породами, когда не требуется раздельная выемка, высота уступа должна быть увязана с наибольшей высотой развала пород после взрыва, которая не должна превышать 1,25 максимальной высоты черпания экскаватора.
Увеличение высоты уступов в целесообразных пределах является одним из важнейших мероприятий, проводимых при совершенствовании открытых разработок рудных месторождений. Высота уступа в современных рудных карьерах России колеблется в пределах 10—20 м, чаше — 10—15 м. Такая высота уступа соответствует горно-геологическим условиям разработки многих месторождений и оптимальным условиям работы экскаваторов. В проектах новых карьеров (Соколовский, Cap-байский, Атасуйский железорудные карьеры, карьер комбината Печенганикель, Блявинский меднорудный и другие) высота уступа принята в пределах 12—15 м.
Ширина рабочей площадки уступа в основном зависит от высоты уступа, размеров применяемого погрузочного и транспортного оборудования и организации их работы. В связи с увеличением высоты уступов (широкий развал породы) и использованием мощного оборудования, имеющего большие габариты, ширина рабочих площадок в современных карьерах исчисляется десятками метров (чаще от 40 до 60—80 м) и практически колеблется в пределах от трех до пятикратного размера высоты уступа. Более точно ширина рабочей площадки может быть определена графически с учетом размеров применяемого погрузочного и транспортного оборудования и необходимого резерва подготовленных запасов на нижележащем горизонте.
Угол откоса рабочих уступов карьера определяется в соответствии с требованиями кратковременной устойчивости обнажаемых пород, а нерабочих уступов карьера — с учетом их долгосрочной устойчивости. В отечественной практике открытой разработки рудных месторождений принимаются следующие углы откоса рабочих уступов: для песчано-глинистых пород — от 35 до 45° и для монолитных скальных пород — от 80 до 90°. Соответственно углы откосов нерабочих уступов принимаются от 25 до 40° и от 75 до 85°.
Углы откосов бортов карьера при принятых высоте уступов и крутизне их откосов определяются с учетом ширины рабочих площадок (для рабочего борта) и ширины предохранительных или транспортных берм (для нерабочего борта)
Угол откоса нерабочего борта, обеспечивающий размещение транспортных и предохранительных берм, определяется из выражения
Конструктивные элементы карьеров

где H — высота борта;
γ' — угол откоса нерабочего борта карьера;
α — угол устойчивого откоса уступа;
ΣВ — общая ширина размещаемых на борту предохранительных и транспортных берм, капитальных траншей и других площадок на поперечном профиле.
При определении углов откосов бортов карьера учитывается также глубина карьера — углы откосов постепенно выполаживаются с углублением карьера. Ориентировочно углы откосов нерабочих (отработанных) бортов карьера в зависимости от крепости пород и глубины разработки на большинстве горнорудных предприятий России могут быть приняты в пределах значений, рекомендованных Гипрорудой (табл. 65).
Конструктивные элементы карьеров

Правильное установление углов откоса борта карьера имеет большое практическое значение, так как отклонение угла наклона всего на 1° изменяет объем вынимаемых пород на 4%.
Помимо крепости, устойчивости пород и глубины разработки, необходимо учитывать геоструктурные особенности пород, наличие пропластков, способствующих скольжению породных масс, и притоки воды. Притоки хотя бы незначительного количества воды резко снижают устойчивость пород, что ведет к уменьшению углов откосов бортов карьера. При сооружении карьеров притоки воды устраняют, проводя надежный дренаж, который, как правило, во много раз ниже стоимости Дополнительной разноски бортов. Исследования устойчивости обнажений пород в карьерах в зависимости от ряда факторов (физико-механических свойств пород, их выветривания, плоскостей ослабления, параметров уступов и др.) позволяют более точно определить оптимальные углы откосов для каждого случая.
В связи с увеличением граничного коэффициента вскрыши глубины современных карьеров в России достигают до 150—200 м. Проектные глубины новых карьеров достигают до 300—400 м и больше (см. табл. 64).
Целесообразная глубина карьера определяется графическим или аналитическим методом по соответствующим формулам. Аналитический метод применим при выдержанных элементах залегания рудного тела и мало изменяющихся условиях разработки с глубиной. Обоснованные аналитические методы определения конечной глубины карьера были впервые предложены академиком Л.Д. Шевяковым и проф. П.И. Городецким. Проф. П.И. Городецким был предложен ряд формул для определения глубины карьера применительно к различным углам залегания рудного тела.
Позже проф. Б.П. Боголюбовым была предложена следующая упрощенная, но достаточно точная для практических целей формула для определения конечной глубины открытой разработки
Конструктивные элементы карьеров

где H — оптимальная глубина карьера, м (при значительных размерах по простиранию);
M — горизонтальная мощность пласта (рудного тела), м;
D — ширина дна карьера, м (принимается в соответствии с размерами экскаватора при его работе);
β', β" — углы откосов бортов карьера по висячему и лежачему бокам;
К — коэффициент извлечения руды (0,95—0,97);
n — допустимый коэффициент вскрыши, м3/м3.
При ориентировочных расчетах может быть использована более упрощенная формула:
Н = 0,5К Mn tg β м,

где β — генеральный угол откоса бортов карьера (принимается одинаковым для всех бортов), град.
В условиях разработки рудных месторождений, представленных сложными формами, для определения конечной глубины разработки чаще применяется графический метод.
Графический метод сводится к определению показателей коэффициентов вскрыши на отдельных горизонтах и технико-экономической оценке этих коэффициентов. Расчетную глубину открытых разработок, как правило, ограничивают горизонтом, на котором погоризонтный (контурный) коэффициент вскрыши равен граничному. Коэффициенты вскрыши определяются применительно к наиболее характерным поперечным разрезам карьера, так как глубина карьера на отдельных участках может быть различной. При карьерах ограниченных размеров по простиранию учитывается дополнительный объем вынимаемых пород во флангах карьера.
В последнее время чл.-корр. АН России М. И. Агошковым предложен новый метод определения целесообразной глубины открытых работ. По этому методу глубина открытых работ определяется из условия минимальных затрат на разработку всего месторождения подземным и открытым способами. Применение такого метода показывает, что область открытых работ может быть значительно расширена.