Вскрывающие горные выработки, их назначение и параметры

Вскрытие рабочих горизонтов осуществляют посредством сооружения специально предназначенных для этого выработок. По виду и способу образования можно выделить наземные, подземные и комбинированные выработки.

При добыче полезного ископаемого из-под воды в затопленном забое, осуществляя его отработку драгами, плавучими земснарядами и драглайнами, вскрытие осуществляют земляными сооружениями: плотинами, перемычками, насыпями, дамбами, каналами. В отдельных случаях, например, при использовании башенных экскаваторов и различных кранов, отработку месторождений и перемещение грузов могут производить без проведения вскрывающих выработок [4].

Наибольшее распространение на карьерах получили наземные вскрывающие выработки. К ним относят траншеи, полутраншеи и котлованы. Траншеи классифицируют по нескольким признакам (табл. 7.1).

 

Таблица 7.1. Классификация траншей (по Е. Ф. Шешко)

Признак разделения	Основные различия	Наименование траншей
Расположение траншей относительно контура карьера	Расположение вне контура. Расположение внутри контура	Внешние Внутренние
Число уступов, обслуживаемых системой траншей	Один уступ. Несколько (группа) уступов. Все уступы карьера	Отдельные Групповые Общие
Основное назначение	Для прохода груза и порожняка (маятниковое движение транспорта). Для прохода только груза и только порожняка (поточное движение транспорта)	Одиночные     Парные
Стационарность	Постоянное расположение траншей за контуром карьера или на бортах в конечном положении. Временное расположение траншей внутри конечных контуров на бортах, подлежащих разработке	Стационарные (капитальные)     Временные (скользящие)

 

Вскрытие равнинных месторождений и смежных горизонтов карьера ведут траншеями полного трапециевидного профиля (рис. 7.2). Высотные месторождения вскрывают полутраншеями (рис. 7.2, в). Вскрывающие траншеи называют также и въездными. В процессе формирования рабочей зоны один борт внутренних траншей срабатывают, и они приобретают вид полутраншей (рис. 7.12). Если траншеи, вскрывающие каждый уступ, связаны в единую транспортную сеть, что встречается наиболее часто, то они представляют собой систему траншей. Внутренние траншеи, входящие в систему, непосредственно продолжают друг друга (рис. 7.4), а внешние составляют единый контур (рис. 7.1, а, б).

 

 

а б в Рис. 7.2. Графическое изображение открытых горных выработок: а – вскрывающая траншея; б – разрезная траншея; в – полутраншея

 

 

Внешние капитальные (стационарные) траншеи могут закладывать за предельным и промежуточным контурами карьера. В первом случае их сохраняют на весь срок службы карьера, а во втором случае они переходят в систему временных или скользящих съездов.

Основные параметры траншей и полутраншей: глубина заложения Н_т, продольный уклон i, углы откоса бортов α, ширина по нижнему основанию (дну) b_т, длина в плане L_т и горно-строительный объем V.

Глубина заложения траншей и полутраншей равна разности отметок ее устья (начало траншеи на поверхности) и вскрываемого горизонта. При вскрытии одного уступа глубина траншеи равна высоте уступа.

Продольный уклон устанавливают в зависимости от вида применяемого транспорта (табл. 5.1). По величине i въездные траншеи делят на наклонные, i = 3–12 %, предназначенные для железнодорожного и автомобильного транспорта, и крутые – для конвейерных и скиповых подъемников. Уклон крутых траншей в зависимости от типа подъемника достигает 18–60º. Углы откоса бортов зависят от свойств пород, степени их обводненности и срока службы выработки. При длительном сроке службы угол откоса ее бортов в мягких и полускальных породах не должен превышать углов их естественного откоса, составляя 34–45°, В скальных породах он изменяется от 60º до 80° [25]. Ширина по нижнему основанию должна обеспечивать безопасные зазоры между транспортными средствами и необходимую провозную способность, на которую влияет количество размещенных в траншее коммуникаций.

Кроме того, b_т связана со способом, схемой проходки, рабочими параметрами проходческого оборудования и может превысить ширину, необходимую по транспортным условиям. В этих случаях пройденную широкую въездную траншею сужают до необходимой величины в процессе подготовки горизонта [4]. Длина траншеи в плане (м) связана с ее глубиной и продольным уклоном:

, (7.1)

где i – продольный уклон, %.

Строительный объем наклонной траншеи (м³) можно определить как сумму объемов двух трехгранных пирамид и половинного объема прямоугольного параллелепипеда:

, (7.2)

или с учетом (7.1.)

. (7.3)

При угле откоса косогора не менее 10º, горно-строительный объем наклонной полутраншеи V (м³) находят по формуле К.С. Попова:

, (7.4)

где γ – угол откоса косогора, град.

Для других значений γ величину V_пт (м³) устанавливают по формуле С.А.Ильина:

; (7.5)

. (7.6)

Вскрытие первоначальным котлованом применяют при разработке россыпных месторождений гидравлическим и дражным способами (см. раздел 12). Его размеры зависят от параметров применяемого оборудования. При независимом выходе на поверхность с каждого горизонта объем наклонной траншеи внешнего заложения (м³), имеющую в поперечнике ступенчатую форму (рис. 7.1, а) можно найти из выражения:

, (7.7)

где , , …, – высота вскрываемых траншеей уступов.

Для другой формы поперечного сечения внешних траншей используют зависимости, приведенные в учебнике Ю.И. Анистратова [1, табл. 5.10] или в учебном пособии [31].

а б в г Рис. 7.3. Схемы крутых траншей: а – поперечная; б – диагональная; в – криволинейная; д – зигзагообразная

Крутые траншеи обычно имеют внутренне заложение (рис.7.3). По расположению относительно борта карьера их подразделяют на поперченные и диагональные. Поперечные крутые траншеи (рис.7.3, а) применяют для скиповых подъемников, а диагональные (рис.7.3, б, в, г) служат для размещения конвейерных или автомобильных подъемников.

 

Горно-строительный объем внутренней крутой траншеи V_кт (м³) может быть определен по формуле В.В.Ржевского [30]:

, (7.8)

где ω – угол наклона траншеи, град.; γ_к – угол погашения борта карьера, град; b_кт – ширина крутой траншеи по дну; α – угол откоса бортов крутой траншеи, град.

Если борт имеет сравнительно узкие предохранительные бермы, или сдвоенные (строенные) уступы, проводят крутую полутраншею, объем которой вычисляют по формулам (7.4) – (7.5).

Для вскрытия горизонтов нагорных карьеров гравитационными и транспортно-гравитационными технологическими схемами, применяют рудоспуски и рудоскаты. Не исключена возможность использования их для доставки вскрышных пород на погоризонтные отвалы в сложных топографических условиях.

 

В их конструкцию входит разгрузочная площадка на поверхности рудоската и накопительная – в основании. Для обеспечения непрерывного потока руды сооружают два рудоската, работающих попеременно (рис.7.4). Расстояние между ними выбирают с учетом исключения возможности попадания транспортируемых по одному

Рис. 7.4. Схема вскрытия нагорного карьера с использованием рудоскатов (по Ю.И. Анистратову)

рудоспуску кусков руды в другой [1].

Как капитальные выработки, рудоскаты располагают на поверхности склона за контуром карьерного поля (рис.7.4). Место расположения рудоскатов должно обеспечить их минимальную длину между карьером и пунктом приема горной массы. Профиль рудоската может иметь один уклон, обеспечивающий надежную гравитационную доставку, или разный: в верхней части – 40º; в средней – 35º; в нижней – 30º. В сечении рудоскат представляет собой траншею с крутыми углами откоса бортов. Для уменьшения износа стенок и дна практикуют сплошную или частичную обшивку их стальными листами или рельсами. В основании рудоската откос борта у накопительной площадки может быть 70–80º, высота должна соответствовать высоте развала руды, безопасного для погрузки выемочно-погрузочной техникой. Для уменьшения параметров развала на приемной (накопительной) площадке сооружают отбойный вал. [1].

Чтобы исключить заклинивание кусков перемещаемой горной массы в желобе должно выполняться условие:

b_ж ≥ d_max, (7.9)

где b_ж – ширина желоба, м.; d_max – максимальный линейный размер куска горной массы, поступающей в рудоскат, м.

При разработке россыпей гидравлическим и дражным способом (раздел 12), вскрывающими выработками являются котлованы. Размеры котлована при гидравлической разработке обеспечивают размещение в нем землесоса и гидромонитора. Глубина котлована при дражном способе разработки должна обеспечить всплытие понтона при меженном уровне воды в долине, а также свободный вывод из-под понтона городков при его сборке.

При использовании для вскрытия «траншей-каналов», ширина выработки по дну превышает 1/5 длины земснаряда, высота уровня воды в канале на 0,6–1,0 м величину осадки земснаряда [12].

Для вскрытия месторождений заводнением используют гидротехнические сооружения: плотины, перемычки, насыпи.

Плотина – подпорное сооружение, перегораживающее водоток с целью создания разностей уровней воды выше и ниже этого сооружения [14].

По материалам изготовления выделяют шесть типов плотин: бетонные, железобетонные, деревянные, земляные, из каменной наброски или сухокаменной кладки; смешанные. При разработке россыпей наибольшее распространение получили земляные плотины [12].

В основные элементы плотины входят: тело, верховой и низовой откосы, гребень, водослив (рис. 7.5).

Высота сооружаемой плотины зависит от создания необходимого уровня воды со стороны верхнего бьефа и класса ответственности плотины, определяющего возвышение гребня плотины над уровнем воды. Для I класса ответственности возвышение гребня плотины составляет 1,3 м; для II класса – 1,0 м, для III и IV классов – 0,8 м.

Ширина гребня зависит от наличия на ней автодороги и высоты плотины. Ширина плотины по низу должна обеспечить ее устойчивость от опрокидывания. Она должна примерно в 5 раз превышать максимальный напор воды до этого горизонта [31]. Проектирование и строительство земляных плотин должно выполняться из условия: кривая падения фильтрационного напора ни в коем случае не должна выходить за низовой откос.

 

 

Перемычки – это простейшие плотины, сооружаемые бульдозером из отвалов драги, что позволяет поднять уровень воды в забое на 1–2, иногда 3–4 м. Насыпь перемычки имеет более крутые откосы, чем плотина, а ширину гребня выдерживают достаточной ля прохода сооружающей ее машины. [12].

Рис. 7.5. Схема плотины для вскрытия россыпного месторождения: 1 – защитный слой из песка; 2 – верховой откос; 3 – защитное покрытие; 4 – гребень; 5 – оградительный барьер; 6 – кювет для сбора и транспортирования воды; 7 – берма; 8 – низовой откос; 9 – дренажная призма; 10 – дренажный тюфяк; 11 – тело плотины; 12 – ядро; 13 – зуб; 14 – понур

Подземные вскрывающие выработки подразделяют на перепускные (рудо- и породоспуски) и транспортные (тоннели, штольни, наклонные и вертикальные стволы, квершлаги).

Перепускные выработки могут быть вертикальными или наклонными (65–80º). Наиболее распространены вертикальные рудоспуски круглого сечения. Как правило, их располагают внутри карьера, предпочтительно в центре тяжести рудной залежи.

Во избежание зависания диаметр рудоспуска принимают не менее четырех- и пятикратного размера максимального куска перепускаемой руды. С этой целью повышенные требования предъявляют к форме его поперечного сечения: в нем не должно быть выступов, пережимов и сужений. Установлено, что выступ в виде сегмента высотой, равной 8 % диаметра, останавливает перемещающийся при выпуске поток руды; при высоте сегмента, равной 5% диаметра, становится невозможным возобновление движения руды после перерыва в выпуске. Площадь поперечного сечения рудоспусков на действующих карьерах изменяется от 4,15 до 63,6 м², а глубина – от 27 до 600 м. Годовая производительность рудоспуска колеблется от 0,5 до 10 млн.т., чаще всего, она не превышает 1 млн.т. при крупности перепускаемой горной массы до 400 мм. [38].

Рис. 7.6. Схема внутрикарьерного рудоспуска (по В.А. Щелканову): 1 – устье рудоспуска; 2 – ствол; 3 – аккумулирующая емкость; 4 – выпускное устройство; 5 – контрольный восстающий; 6 – смотровой ходок; 7 – автосамосвал; 8 – транспортная штольня

Конструктивно рудоспуск состоит из устья, ствола и выпускного устройства (рис. 7.6). В нижней части ствола сооружают аккумулирующую емкость для уменьшения динамического воздействия падающих кусков руды. Ширина ее должна быть в 2-3 раза больше диаметра рудоспуска, а высота – в 6-7 раз. Выпускную щель желательно иметь прямоугольной формы с отношением высоты к ширине 0,6:0,9. Ширина щели не должна превышать средний размер куска выпускаемой руды более чем в 2,5-3 раза.

На нагорных карьерах в комбинации с рудоспусками используют штольни с перемещением по ним локомотивосоставов узкой или нормальной колеи. Площадь поперечного сечения такой выработки составляет от 15–20 м² (узкая колея) до 30–40 м² (нормальная колея). Изредка для перевозки руды используют автосамосвалы.

Площадь поперечного сечения наклонных стволов, оснащенных конвейерами, достигает 17–22 м² (рис. 7.7). Она зависит от конструктивных параметров и количества устанавливаемых конвейеров.

Для вскрытия глубоких горизонтов карьеров при железнодорожном транспорте используют тоннели, которые, как правило, являются продолжением пройденной вскрышной траншеи. Площадь поперечного сечения однопутных железнодорожных тоннелей составляет 45–47 м² в свету. Для разминовки поездов устраивают подземные камеры.

 

Рис. 7.7. Сечение наклонного ствола с конвейерным подъемником

Формы трасс капитальных траншей

 

Продольную ось траншей или системы траншей называют трассой. Горизонтальная проекция трассы является планом транспортных коммуникаций, а вертикальная ее проекция – продольным профилем. Продольный профиль трассы включает наклонные и горизонтальные участки, а также участки сопряжения между ними, обеспечивающие необходимую плавность переходов.

Различают три вида примыкания капитальных траншей к рабочим горизонтам карьера (рис. 7. 8): примыкание на руководящем подъеме (схема а), на смягченном подъеме (схема б) и на горизонтальных площадках (схема в).

Примыкание на руководящем подъеме, когда незначительное смягчение подъема допускают лишь в местах пересечения путей, размещения стрелок и на кривых, обеспечивает наименьшую протяженность и минимальный горно-строительный объем системы траншей. Однако для движения поездов на таком продольном профиле необходимо увеличение мощности локомотивов на 10–15 %, так как при трогании с места после остановки на подъеме необходимо преодолевать дополнительное сопротивление движению. Для облегчения трогания и разгона составов, полезная масса которых определена из условия равномерного движения на руководящем подъеме, предусматривают уменьшение подъема капитальной траншеи до (0,60–0,65)·i_pпри подходе к лежащему выше рабочему горизонту. Длина смягченного участка трассы l_смсоставляет 200–250 м. Общая длина трассы (м) в этом случае больше на величину

, (7.10)

где n – число смягченных участков; i_см– смягченный подъем, %.

а б в Рис. 7.8. Схемы пунктов примыкания к рабочим горизонтам: а – на руководящем подъеме; б – на смягченном подъеме; в – на горизонтальной площадке

 

Наиболее распространено примыкание на горизонтальных площадках: оно просто в конструктивном отношении, удобно при эксплуатации и подготовке новых горизонтов. Длина горизонтальной площадки l_г(м) зависит от конструкции раздельных пунктов. При этом объем системы траншей остается тем же, что и в случае примыкания на руководящем подъеме, но возрастает длина трассы на величину ΔL_п = n·l_г, происходит выполаживание борта карьера и увеличивается объем вскрыши в его контурах.

Теоретическую длину трассы можно вычислить по формуле (7.1). Действительная ее длина всегда больше теоретической за счет наличия участков примыкания:

L_д = L_п+ ΔL_п (7.11)

В приближенных расчетах L_днаходят умножением L_п на коэффициент удлинения трассы K_ут (табл. 7.2).

 

Таблица 7.2. Коэффициент удлинения трассы

Траншеи	Транспорт
железнодорожный	автомобильный
Внешние	1,1–1,2	–
Внутренние с примыканием на смягченном подъеме	1,2–1,3	–
Внутренние с примыканием на площадках	1,4–1,6	–
Внутренние с простой формой трассы	–	1,07–1,16
Внутренние петлевые автомобильные съезды	–	1,04–1,25
Внутренние петлевые съезды с внешней круговой кривой (серпантином)	–	1,4–1,7

 

Форму трассы в плане считают простой, если она не меняет своего направления по всей длине, и сложной, если она состоит из нескольких участков разного направления. Трассы внешних траншей всегда простые (рис. 7.1, а, б),а трассы внутренних траншей могут быть и простыми (рис. 7.1, г),и сложными (рис. 7.9).В последнем случае различают тупиковые (а), петлевые (б), спиральные (в) и комбинированные (г) системы траншей. Установление пространственного положения системы траншей называют трассированием. Основанием для трассирования служат положения бортов карьеров, изображаемых на плане изолиниями одинаковых высотных отметок с интервалом, равным высоте уступа. Обычно трассу вводят в контур карьера с его торца в пониженных местах рельефа местности, что сокращает объем горно-строительных работ. При выборе положения трассы учитывают также необходимость обеспечения устойчивости тех участков бортов, на которых она размещена, расположение станций и отвалов на поверхности и др. [30].

а б в г Рис. 7.9. Трассы траншей: а – тупиковая; б – петлевая; в – спиральная; г – комбинированная

Обоснование формы трассы производят с учетом пара­метров залегания месторождения, размеров и конфигурации карьерного поля в плане, вида карьерного транспорта.