Оконтуривание наклонных и крутых залежей

При определении границ карьера для наклонных и крутых залежей встречаются трудности, связанные особенно с покрывающими породами значительной мощности. При проектировании необходимо выбрать такой способ разработки месторождения, при котором можно достичь максимальной экономической эффективности, а также определить границы между открытыми и подземными работами, Для решения указанных задач необходимо оконтуривание карьеров, т. е. установление контуров карьеров на плане и геологических разрезах.
Методы определения конечных контуров карьеров весьма детально описаны в трудах профессоров П.И. Городецкого, А.С. Фиделева, П.Э. Зуркова и др. В трудах академика В.В. Ржевского и профессора А.И. Арсентьева обобщены существующие и рассмотрены новые методы.
Размеры карьера в плане, его глубина и конфигурация являются главными параметрами карьера, от которых зависят запасы полезного ископаемого и объем вскрышных пород, производственная мощность предприятия и срок его существования, способ вскрытия и схема комплексной механизации, расположение главных транспортных и энергетических коммуникаций, расположение отвалов и поверхностных сооружений и т. п.
Своеобразность проектирования граничных контуров карьерного поля заключается в том, что для установления границ необходимо знать места расположения отвалов, систему разработки, схему вскрытия, коэффициенты вскрыши, экономические показатели и многие другие данные, которые могут быть точно установлены только после оконтуривания карьерного поля.
Технический прогресс определяет непрерывный процесс совершенствования техники, технологии и организации открытых горных разработок. Точно прогнозировать этот процесс на большие отрезки времени, соответствующие срокам существования карьера, на данном этапе развития науки не представляется возможным.
Положение конечных контуров карьера зависит также от ряда инженерно-геологических и горнотехнических факторов, установить которые с достаточной степенью точности можно только в процессе разработки. Так, максимальные размеры карьерного поля в значительной мере определяются устойчивостью горных пород, слагающих борта карьера на проектируемых глубинах, что может быть установлено лишь в процессе разработки месторождения на этих глубинах.
В силу указанных причин можно считать границы карьера, установленные при проектировании, относительно точными и справедливыми только для определенного периода времени и уровня техники. Принципиальное решение задачи о границах открытых горных работ производится на основе анализа себестоимости добычи полезного ископаемого открытым способом на различных глубинах, сопоставления ее с планово-допустимой себестоимостью, определяемой установленными ценами на продукцию, и учитывая также потребность в данном виде полезного ископаемого и уровень рентабельности предприятия. Если месторождение или его часть может разрабатываться подземным и открытым способами, обязательно их сопоставление по результативным экономическим показателям и по организационно-техническим условиям.
Экономическая оценка возможных вариантов границ должна производиться по величине общих приведенных к одному моменту времени затрат на разработку с учетом этапов развития горных работ: например, на момент сдачи карьера в эксплуатацию. При этом необходимо учитывать фактор технического прогресса и экономической эффективности государственных средств, вкладываемых в горное производство разновременно.
В условиях разработки вытянутых залежей необходимо также уточнять экономически эффективную протяженность карьерного поля согласно установленной мощности карьера. В этих случаях часто возникает необходимость разделения месторождения на отдельные карьерные поля.
В ряде случаев при установлении открытых горных работ на окончательное решение вопроса оказывает влияние ряд специфических факторов. Так, глубина открытых горных работ может быть принята больше, чем та, которая получена при технико-экономических расчетах, если:
• запасы полезного ископаемого, расположенные ниже предельной глубины карьера, относительно невелики и поэтому строительство подземного рудника для их доработки нецелесообразно;
• месторождение характеризуется весьма сложным строением и распределением отдельных типов и сортов полезного ископаемого, что часто в условиях подземной разработки может привести к большим потерям ценного компонента;
• месторождение (обычно угольное или сульфидных руд) весьма опасно в отношении самовозгорания;
• благоприятные условия открытых горных работ создают возможность совмещать добычу полезного ископаемого с его первичной переработкой (например, в промышленности стройматериалов).
В настоящее время в науке и практике нет единой теории определения границ карьера при разработке наклонных и крутых залежей.
Существует несколько принципов определения глубины открытых работ:

Однако при такой ситуации неясно, какому принципу отдать предпочтение.
Только по этой причине многие карьеры Криворожского бассейна и Курской магнитной аномалии запроектированы не на основе одного из указанных принципов, а на основе приемлемого, с точки зрения проектировщиков, срока службы карьера при заданной производственной мощности предприятия.
Ho так как производственная мощность предприятий периодически пересматривается, то все время возникает необходимость пересмотра границ карьера. В результате систематического пересмотра границ карьера появляется необходимость в пересмотре основных технических решений, в ломке генерального плана и т. д.
Для выбора какого-либо одного принципа определения границ карьера необходимо учитывать следующие положения.
1. Достоверность разведанных запасов относительно невысокая, Исходя из опыта проектирования допускаются следующие погрешности определения запасов для различных категорий.

А если еще учесть приближенный характер экономических расчетов, то целесообразно применять наиболее простые, но достаточно надежные методы расчета экономических показателей.
2. Открытые работы отличаются от подземных большой масштабностью и более высокой производительностью и лучшими условиями труда, более полным использованием недр. Ведение же подземных работ способствует лучшему сохранению окружающей среды, меньшему ее загрязнению и отчуждению меньших площадей земель (экологический фактор).
Поэтому при выборе способа разработки месторождения необходимо давать экономическую оценку этих факторов. Ho так как во многих случаях трудно количественно (экономически) оценить социальные и экологические факторы, то в качестве критерия оценки их применять не рекомендуется.
3. Удельные затраты на добычу руды и удаление породы на различной глубине могут быть приняты постоянными, так как действуют противоположные факторы. С одной стороны, идет удорожание вследствие увеличения дальности транспортирования и ухудшения дробления и т. д., с другой — имеется влияние технического прогресса во времени, а также возможность использования вскрышных пород как строительного материала.
С учетом этих положений наиболее целесообразным экономическим критерием является «минимум расчетных затрат» на разработку всех запасов месторождения.
Рассмотрим аналитический и графические методы определения контуров и глубины карьера (по В.В. Ржевскому).
Аналитический метод. Глубина карьера зависит от большого числа факторов, основными из которых являются: мощность и условия залегания рудного тела, рельеф поверхности, способ вскрытия и направление развития горных работ, система разработки, экономические показатели открытого и подземного способов добычи. Учесть все факторы, необходимые для точного решения задачи, в одной аналитической зависимости практически невозможно. Поэтому аналитические выражения для определения технической глубины карьера могут быть составлены только для отдельных частных случаев применительно к наиболее простым условиям разработки, либо при допустимой идеализации природных условий.
Наиболее полное и экономически обоснованное определение глубины карьера с учетом большого числа названных факторов возможно посредством геометрического анализа карьерного поля, основы которого изложены ниже.

В ряде случаев, обычно в первоначальные этапы проектирования карьера, особенно для месторождений правильной формы, бывает достаточно знания ориентировочной глубины карьера, что можно установить аналитическим методом.
Условие экономичности открытых работ соблюдается, если текущий коэффициент вскрыши не превышает величины граничного коэффициента вскрыши. Текущий коэффициент вскрыши (рис. 5.1) для горизонта х в данном геологическом профиле определяется из следующего условия (м3/м3):

где ΣVлх и ΣVвх — суммарный объем вскрыши разноса бортов карьера соответственно со стороны лежачего и висячего боков залежи при углублении карьера на единицу глубины (Hy=1), м3; Vдх — объем прослойков пород залежи при углублении карьера на единицу глубины, м3; ΣVих — суммарный объем полезного ископаемого при углублении карьера на единицу глубины (т. е. на величину Ну), м3.
Угол откоса борта на определенном участке по его высоте может приниматься неизменным при разносе бортов на небольшую величину. Поэтому можно принять, что на профильной плоскости разнос бортов при углублении карьера на единицу глубины (Ну = 1) заключен между параллельными линиями откосов.
В общем случае текущий коэффициент вскрыши

где Нв.т х и Нл.т х — текущая глубина карьера со стороны висячего и лежачего боков, м; Mх и mх — мощность залежи и породных прослоев соответственно, м; γвх и γлх — угол наклона рабочего борта карьера соответственно со стороны висячего и лежачего боков залежи, град; αвх и αлх — угол наклона залежи соответственно со стороны висячего и лежачего боков залежи, градус.
Для случая, когда поверхность представлена равниной, уравнение примет вид

Для пласта с выдержанными элементами залегания формула (5.20) упрощается, м:

При установлении согласно уравнению (5.20) текущей глубины карьера не учитывается то обстоятельство, что в общие объемы вскрыши входят также наносы, стоимость добычи которых обычно ниже, чем коренных пород. В этом случае мощность наносов hн, м, заменяется эквивалентной мощностью коренных пород hэ (рис. 5.2) согласно выражению

где Cн и Cв — себестоимость отработки соответственно 1 м3 наносов и вскрышных пород, руб.
Глубина, полученная по формуле (5.22), должна измеряться не от уровня поверхности, а от уровня эквивалентного горизонта, построенного на основании формулы. Полная глубина карьера определяется как сумма, полученная по формулам (5.21)—(5.22), и разность мощности наносов и эквивалентной мощности коренных пород:

При таком решении задачи текущая глубина карьера означает ту промежуточную глубину, при которой текущий коэффициент вскрыши равен граничному, и, следовательно, дальнейший разнос бортов становится невыгодным.


Очевидно также, что ниже этой глубины можно экономически выгодно продолжить открытые горные разработки, ведя работы на погашение, т. е. так, что верхний контур карьера остается неизменным, а работы развиваются вглубь путем доведения углов откоса бортов до соответствующих углов погашения. Таким образом, конечная глубина карьера является функцией от установленного положения верхних бровок и углов откоса бортов на момент погашения. Конечная глубина, м, может быть определена по выражению (рис. 5.3)

где В — ширина верхнего контура в плане для данного геологического разреза, м; Шд — ширина дна карьера, равная ширине подошвы разрезной траншеи, м; γл и γв — угол откоса борта карьера на момент погашения (конечной глубины карьера) соответственно со стороны лежачего и висячего боков залежи, град.
С учетом рельефа местности глубина карьера со стороны лежачего и висячего бортов может быть определена следующим образом (рис. 5.4), м:

где α — угол наклона косогора, град.

Для относительно коротких залежей в случае, когда поверхность представлена равниной и глубина карьера по длине его отличается незначительно, конечная глубина карьера может быть определена из условия сопоставления граничного и контурного коэффициентов вскрыши, м:

где lx и γх — протяженность и угол откоса участков бортов по периметру дна карьера; γx и γср — углы откоса борта и в среднем по карьеру, соответствующие конечной глубине карьера; Sп — горизонтальная площадь полезного ископаемого, м2; S — площадь дна карьера, м2.
При этом может возникнуть необходимость уточнить глубину карьера повторным расчетом.
При разработке наклонных и крутопадающих залежей, когда углы откосов бортов относительно мало отличаются один от другого, можно пользоваться усредненной величиной:

Тогда расчетная формула (5.27) может быть упрощена до вида

где P — периметр дна карьера, м.
Графические методы. 1. Определение конечной глубины карьера для данного геологического профиля по известному значению Kгр путем сопоставления его с контурным коэффициентом вскрыши (рис. 5.5). Порядок построения следующий:
• на ориентировочно возможной глубине карьера замерить горизонтальную мощность залежи М;
• от любой точки А на поверхности отложить отрезок, равный произведению Kгр М;
• из точек А и В провести наклонные прямые линии по принятым углам откоса бортов карьера γв и γл. Точка пересечения прямых О соответствует отметке дна карьера;
• измерить горизонтальную мощность залежи на уровне точки О. Если мощность залежи М1 при этом мало отличается от принятой мощности М, то глубина карьера установлена правильно. Если же величина M1 значительно отличается от М, то построение повторяют; для этого от точки А откладывают отрезок AB1 = KгрM1. Уровень вновь полученной точки O1 обычно соответствует уточненной конечной глубине карьера. В противном случае построение повторяется.
Для построения контура карьера на данном профиле высотное положение точки О1 переносится на лежачий бок залежи (точка С), вычерчивается дно карьера и действительные линии откосов бортов, параллельные линиям AO1 и B1O1.
В случае, если углы откосов бортов карьера значительно изменяются с глубиной, то следует под углами γв и γл подразумевать углы откосов бортов на исследуемых глубинах, при этом наклонные линии ВО и АО являются условными вспомогательными, служащими для определения конечной глубины карьера. Действительные откосы бортов вычерчиваются после установления глубины карьера.
Если поверхность представлена некрутым косогором, то следует проводить вспомогательный (средний) горизонт на уровне отметки поверхности, соответствующей выходам залежи.
Конечная глубина карьера графическим методом может быть относительно просто определена и при наличии нескольких залежей в данном геологическом профиле (рис. 5.6). В этом случае глубину карьера следует определять применительно к главной, наиболее мощной залежи 1, а извлечение залежей 2 и 3 рассматривать как попутное.

Порядок построения сохраняется прежним. От произвольной точки А на поверхности (или на вспомогательном горизонте при косогоре) проводят отрезок AB, численно равный произведению Kгр (M1+М2+М3).
Из точек А и В под углами γл и γв проводят наклонные прямые, точка пересечения которых О расположена на конечной отметке глубины карьера. На уровне точки О замеряют горизонтальные мощности М1', M2', M3' и проверяют соответствие их принятым значениям. В противном случае построение повторяют и находят уточненную глубину карьера, соответствующую высотному положению точки O1.
В случае, когда в контуры карьера попадают одинаково мощные залежи, удаленные одна от другой настолько, что профиль карьера может получиться ломаным (рис. 5.7), построение следует проводить для одной из залежей (например, 1), рассматривая извлечение залежи 2 как попутное. После установления контура карьера I—I необходимо проверить целесообразность углубления карьера по залежи 2. Для приближенного, но достаточно точного нахождения границы по левому борту II—II следует перемещать угольник параллельно борту до положения, при котором линейное соотношение отрезков (ab+ce)/dc будет равно заданной величине граничного коэффициента вскрыши. При этом линия de, определяющая точку е, является вспомогательной. Она наклонена к горизонту под углом, равным углу падения залежи.

Аналогичным образом находят глубину карьера для пологих и наклонных залежей, когда разнос бортов со стороны лежачего бока не производится. По заданному углу откоса борта находят такое положение γв, при котором линейное соотношение участков борта, проходящих по породам и по полезному ископаемому, становится равным граничному коэффициенту вскрыши.
2. Определение глубины карьера по текущему коэффициенту вскрыши (рис. 5.8). В этом случае поперечное сечение по месторождению по высоте делится горизонтальными прямыми, расстояние между которыми кратно или равно высоте уступа,
В соответствии с принятым порядком развития горных работ на каждом горизонте выбирается место заложения разрезной траншеи и фиксируются точки дна карьера для каждого этапа работы (a', b' и т. д.).

От этих точек под углом рабочего борта карьера (17—20°) проводят наклонные прямые до пересечения с дневной поверхностью. Замеряют разнос бортов (А'В' и т. д.) на каждом этапе. Полученную величину делят на соответствующую горизонтальную мощность рудного тела на уровне дна траншеи (M1 и т. д.). Горизонт, на котором обеспечивается минимальная ширина разрезной траншеи (ab), является конечным.
Очевидно, что в общем случае точка пересечения прямых Bв и Aa может оказаться за пределами рудного тела. Тогда по установленной конечной глубине карьера уточняются контуры карьера: из точек, фиксирующих положение дна на установленной глубине карьера, проводятся наклонные прямые под углами γл и γв до пересечения с дневной поверхностью.
3. Метод установления глубины карьера по текущему коэффициенту вскрыши для штокообразных залежей имеет свои особенности, обусловленные тем, что исходными материалами для проектирования при этом являются не поперечные профили, а погоризонтные планы залежи. В соответствии с этим порядок оконтуривания карьера следующий.
На каждый план горизонта (либо через несколько) наносят топографию поверхности и вычерчивают положение дна карьера, форма и размер которого в основном определяются конфигурацией залежи и типом применяемого горнотранспортного оборудования. Кроме того, на этих же планах по принятому рабочему углу борта γр устанавливают верхние контуры карьера. Для этого по всему периметру дна откладывают отрезки З1, З2, З3 и т. д., численно равные З = (Ов+Oн) Ctg γр, здесь Oв и Oн — отметки на верхнем и нижнем контуре карьера (рис. 5.9).
Величины З1, З2 и другие можно также установить по вспомогательному графику, представленному на рис. 5.10.

С помощью планиметра или другими способами замеряют площади горизонтальных проекций верхних контуров для каждого этапа, а также площади полезного ископаемого в этих контурах. Отношения этих площадей определяют значения текущих коэффициентов вскрыши для каждого этапа.
Начиная с этапа, где Kт = Kгр, горные работы должны развиваться только вглубь. Для определения конечной глубины на профиле из точек внешнего контура опускаются наклонные прямые под углами погашения бортов карьера γв и γл до глубины, обеспечивающей минимально допустимые размеры дна карьера.