Принципы геометрического анализа карьерных полей.

При планировании развития горных работ на действующих карьерах необходимо устанавливать объемы добычных и вскрышных работ по годам и этапам существования карьера. При этом горные работы должны рассматриваться в процессе их развития с изменением формы и размеров карьера, а также объемов выполняемых работ.

Карьер с конечным или промежуточным положением его бортов представляет собой некоторый объем, заключенный между двумя топографическими поверхностями (рис. 1). Одна из этих поверхностей есть действительная топографическая поверхность участка земной поверхности, относящегося к карьерному полю. Другая поверхность возникает и перемешается в пространстве земной коры в результате производства открытых горных работ. Размер и положение этой поверхности меняются по мере ведения горных работ. Обычно горные работы развивают гак, чтобы следовать за залежью для максимального извлечения полезных ископаемых при возможно минимальных затратах труда и средств на вскрышные работы.

Изменение объема карьера с течением времени происходит в связи с увеличением его глубины (по оси z), а также расширением контуров в плане (по направлениям х и у) при разносе бортов. Функция извлекаемого объема горной массы обязательно непрерывна, а функции объемов вскрышных пород и полезного ископаемого, как слагаемые функции горной массы, также непрерывны, но могут быть и прерывными.

Аналитическое выражение этих функций можно найти только для простейших условий залегания. При залежах неправильной формы и сложном рельефе поверхности, отличном от равнины, функции можно определить только графическими способами.

Построить функции можно, если известно положение отдельных их точек, расположенных достаточно близко друг от друга. Для этого на чертежах, изображающих залежь и породы карьерного поля, наносится соответствующее число промежуточных по­ложений горных работ (этапов) и затем устанавливается для каждого из них значение функции. При нанесении таких положении необходимо учитывать, что приращение объемов происходит по определенному направлению, связанному со вскрытием и системой разработки.

На графиках, изображающих функции объемов, в качестве независимой переменной по оси х может приниматься возрастающая глубина карьера для наклонных залежей или подвигание фронта работ для горизонтальных и пологих залежей (рис. 2). Функции извлекаемых объемов горной массы и вскрышных пород позволяют вычитанием найти функции объемов добываемых полезных ископаемых, их запасов по всем этапам работ и затем их делением - функцию изменения коэффициента вскрыши (см. рис. 2). По указанным функциям с учетом затрат на единицу вскрышных работ и единицу добычи представляется возможным построить функции расходов государственных средств, прибыли и т. и. по мере разработки месторождения для оценки различных вариантов разработки и, в частности, для установления режима горных работ.

Рис. 1 - Схематическое изображение объема карьера между двумя топографическими поверхностями.

Рис. 2. График объемов горной массы (1), полезного ископаемого (2), вскрышных пород (3) и коэффициента вскрыши (4) (на единицу длины карьера).

 

Режим горных работ считается установленным, если известны их начальное положение и главное направление их развития, календарное распределение объемов вскрышных и добычных работ, а также качество добываемого полезного ископаемого по годам существования карьера.

Для различных условий производства открытых горных работ и прежде всего для разных типов месторождений и карьерных полей построение графиков режима горных работ по принципиально единой методике осуществляется разными способами и приемами, в том числе и с применением ЭВМ. Использование ЭВМ для геометрического анализа карьерных полей осуществ­ляется по трем направлениям.

При первом направлении вычислительная машина используется для подсчета запасов, массовых расчетов объемов горных работ, классификации качественных свойств залежи и покрывающих пород по признакам и т. д. вне зависимости от интенсивности и последовательности производства горных работ.

Второе направление связано с решением задач геометрии движения рабочей зоны карьера при направленном подсчете объемов для определенного порядка развития горных работ. При этом варианты вскрытия, направления развития горных работ, конфигурации и способа подвигания фронта задаются проектирующим лицом. В этом случае ЭВМ может производить по этапам расчеты площадей, объемов, коэффициентов вскрыши, длины фронта работ и т. д. но заданным направлениям. Быстрота действия позволяет с достаточно небольшим шагом, а, следовательно, и с высокой точностью исследовать большое число вариантов режима. Оценка этих вариантов по количественным показателям может осуществляться вручную или с при­менением ЭВМ. Сочетание опыта горного инженера с возможностью рассмотрения весьма большого числа вариантов позво­ляет принимать решения, близкие к оптимальным, что улучшает качество планирования горных работ.

Однако возможности ЭВМ на этом не ограничиваются. Алгоритмическая универсальность и высокое быстродействие совре­менных вычислительных машин позволяют использовать методы оптимального планирования, когда после ма­тематической формулировки задачи и ограничивающих условий выбор требуемого варианта и условий его получения производится ЭВМ. Например, ставится задача выбрать такой порядок развития горных работ, при котором обеспечиваются оптималь­ные показатели разработки и соблюдаются определенные ограничивающие условия технологического порядка. В этом случае в результате расчетов на ЭВМ могут быть получены для отдельных этапов разработки положения фронта горных работ, соответствующие оптимальному критерию оценки.

Для анализа объемов горных работ по карьеру в целом необходимо строить сводный график. При геометрическом анализе по погоризонтным планам и планам изомощностей построенный график является вместе с тем и сводным для карьера, поскольку он показывает функциональную зависимость извлекаемых объемов от углубления или подвигания работ для карьерного поля в целом.

Метод геометрического анализа карьерного поля для пологих и горизонтальных залежей заключается в вычерчивании ряда положений фронта работ через определенные интервалы его подвигания, определении для каждого фронта объемов вскрышных и добычных работ и построении графиков режима горных работ. Исходными материалами служат топографические планы с нанесенными изолиниями мощности вскрышных пород и полезной мощности залежи.

На графике по оси абсцисс в принятом масштабе откладывают этапы подвигания фронта работ, а по оси ординат - объемы вскрышных работ и извлекаемого полезного ископаемого при подвигании фронта на единицу длины (рис. 3). При па­раллельном подвигании фронта карьерное поле разделяется серией параллельных линий, означающих его положения (рис. 4). Таких положений выбирается 6-8 при простых условиях залегания и 10-15 - при сложных.

Для установления извлекаемых объемов вскрышных пород и полезного ископаемого при подвигании на единицу длины фронт работ разделяют (см. этап V) на участки одинаковой длины (10, 20 или 50 мм в зависимости от масштаба и главным образом от сложности планов изомощностей вскрыши и залежи). В середине каждого участка (по отметкам изомощностей) проставляют мощность вскрыши и полезного ископаемого, которые суммируют и умножают на длину одного участка и линейный масштаб. Полученные произведения наносят в качестве ординат полезного ископаемого и вскрышных пород на график для каждого этапа фронта работ. Расстояние между этапами составляет соответственно l₁, l₂, … l₇(см. рис. 3). На линиях ординат откладываются также в определенном масштабе значения текущего коэффициента вскрыши и протяженности фронта работ для каждого его положения. Полученные точки соединяют ломаными линиями или плавными кривыми, показывающими функциональную зависимость извлекаемых объемов вскрышных пород, полезного ископаемого и текущих коэффициентов вскрыши от подвигания фронта.

Площадь, заключенная между графиком полезного ископаемого, осью абсцисс и любой парой ординат, означает объем извлекаемого ископаемого при соответствующем подвигании фронта работ.

 

Рис. 3. График режима гор­ных работ при разработке поло­гой залежи:

1 - объем добычи полезного ископае­мого; 2 - объем вскрышных пород: 3 - текущий коэффициент вскрыши; 4 и 5 — соответственно протяженность и скорость подвигания фронта работ.

 

Рис. 4. Положения фронта работ при параллельном его перемещении.

 

Сводные графики объемов при разработке наклонных и крутых залежей (рис. 5) имеют следующие основные свойства:

1. Для любой высотной отметки дна разрезной траншеи ордината полезного ископаемого означает в масштабе чертежа извлекаемый объем полезного ископаемого при понижении работ на единицу глубины. Аналогичное значение имеют орди­наты вскрышных пород и горной массы.

2. Для подсчета извлекаемых объемов полезного ископаемого, вскрышных пород и горной массы необходимо измерить соответствующие площади, заключенные между осью высотных отметок, двумя линиями ординат и соответствующими кривыми. Для этого достаточно умножить среднюю ординату на интервал между линиями ординат.

Рис. 5. Сводный график режима горных работ: 1 - полезное ископаемое; 2- вскрышные породы; 3 - текущий коэффициент вскрыши.

 

3. Общая площадь, заключенная между осью высотных отметок и графиком горной массы от начала графика до ка­кой-либо высотной отметки, означает общий извлекаемый объем горной массы при ведении горных работ до указанной отметки дна разрезной траншеи. Площади, ограниченные графиками вскрышных пород и полезного ископаемого, определяют извлекаемые объемы вскрышных пород и полезного ископаемого от начала разработки до соответствующей высотной отметки. Объемы, извлекаемые при углублении работ на один или несколько уступов, равны площадям на сводном графике между соответствующими этапами работ.

4. При заданных конечных положениях бортов, размере дна карьера и углах откосов его бортов объемы горной массы, вскрышных пород и полезного ископаемого являются величи­нами вполне определенными, выражающимися соответствую­щими площадями на графике. Какой бы вариант развития горных работ не рассматривался, итоговые данные запасов и объемов вскрышных пород могут отличаться друг от друга только на величину точности расчетов.

5. Согласно методу, положенному в основу построения графиков, каждая ордината горной массы на сводном для карьера графике приблизительно выражает площадь горизонтальной проекции рабочей зоны карьера. Она состоит из площади по вскрышным породам и по полезному ископаемому, каждая из которых выражается своей ординатой для данной высотной отметки дна разрезной траншеи. На сводном графике режима для горизонтальных и пологих залежей ординаты горной массы выражают площади вертикальных проекций рабочей зоны карьера.

6. График изменений текущего коэффициента вскрыши строится путем деления ординат вскрышных пород на ординаты полезного ископаемого. Поскольку в каждый данный период времени предприятие должно иметь вскрытые запасы полезного ископаемого, более точное нахождение текущих коэффициентов вскрыши может быть достигнуто тем, что ординаты вскрышных пород и полезного ископаемого измеряются (см. рис. 2 и 5) не по одной ординатной линии, например АА` а таким образом, чтобы ордината вскрышных пород измерялась по ординатной линии ББ', а ордината полезного ископаемого - по линии АА' из того расчета, чтобы площадь полезного ископаемого (АабБ) между линиями АА' и ББ' была бы численно равна величине вскрытых запасов, необходимых для нормальной работы предприятия.

7. График изменений средних коэффициентов вскрыши от начала работ до какого-либо положения дна разрезной траншеи (положения фронта работ при разработке горизонтальных залежей) устанавливается путем нахождения суммарной пло­щади по вскрышным породам и полезному ископаемому.

8. Запасы полезного ископаемого в карьерном поле отрабатываются за определенный (по производственной мощности) срок существования карьера Т, лет. Производственная мощность карьера, соответственно потребностям народного хозяй­ства, может быть разной для различных периодов.

Так как в технико-экономических расчетах оперируют не с погоризонтными объемами работ, а с годовыми объемами по полезному ископаемому и по вскрышным породам, появляется необходимость в трансформации сводного графика теку­щих объемов применительно к календарным периодам по годам существования карьера. Эта трансформация осуществляется следующим образом. Запасы полезного ископаемого, соответствующие углублению дна карьера на один уступ (площадь S_н), при равномерной производительности для данного периода Q_x отрабатывается за срок (лет):

t_x = S_н/Q_x или

t_x = Y_ср.∆ /Q_x = ∆ Y_ср./Q_x = ∆ /Y_г

где Y_r = Q_x/Y_cp. - годовое углубление работ для данного этапа, м/год.

Установив величину t_х для каждого интервала глубины (по ве­личинам S_н и Q_x), суммированием можно найти начальные и ко­нечные годы отработки любого интервала по глубине:

t_{x, н} = t₁ + t₂+ … + t_x-1; t_{x, к} = t₁ + t₂ + … + t_x.

Аналогично определяются интервалы времени t_x поэтапного подвигания фронта при разработке горизонтальных и пологих залежей. Но здесь при этапных запасах полезного ископаемого S_и и расстоянии между смежными положениями фронта работ L величина Q_x/Y_ср. = u_ф (uф - скорость подвигания фронта ра­бот) и tx = L/u_ф.

В соответствии с проведенными расчетами вычерчивают ка­лендарный график добычи, на котором ординатой полезного ис­копаемого в каждый период существования карьера является его производственная мощность (рис. 6).

 

 

Рис. 6. Календарные графики горных работ: а и б - при разработке соответственно горизонтальной и крутой залежей; 1 и 2 - объемы соответственно добычных и вскрышных работ; 3 и 4 - соответственно скорость подвигания фронта и темп углубления горных работ.

 

Для установления года начала добычных работ и календарного распределения объемов вскрышных работ необходимо также трансформировать график вскрышных пород. В начальный период строительства и освоения проектной мощности карьера объемы вскрышных работ устанавливают в соответствии с возможным темпом углубления (скоростью подвигания фронта) карьера или по графику ввода в работу экскаваторов и фактически выполняемому ими объему. Таким образом находят сроки производства горно-капитальных работ до сдачи карьера в эксплуатацию и освоения его проектной мощности. Для последующего периода эксплуатации годовые объемы вскрышных работ определяют путем деления этапных объемов вскрышных пород (S_в = Y_ср.в× ∆ или S_в = Y_cp.в× l) на срок отработки данного этапа t_x- Эти годовые объемы откладывают на календарном графике в виде ординат в середине периода отработки данного этапа. Можно также ординаты календарных объемов вскрышных работ найти путем умножения ординат мощности карьера по полезному ископаемому на текущий коэф­фициент вскрыши для каждого интервала t_x, определенного по сводным графикам режима (см. рис. 2 и 5).

Более точно годовые объемы вскрышных работ устанавливаются с учетом состояния вскрытых запасов полезного иско­паемого. Для этого с использованием сводного графика режима (например, разработки пологой залежи) вычисляют поэтапные и нарастающим итогом объемы полезного ископаемого и вскрышных пород, которые вносят в табл. 1.

 

 

Таблица 1. Объемы горных работ по этапам и нарастающим итогом

Показатель	Номер этапа
Этапы горных работ, м	0-200	200-400	400-600
Объемы полезного ископаемого по этапам Vh, тыс. м8
Объемы полезного ископаемого нарастающим итогом Σ Vи, тыс. м3
Объемы вскрышных пород по этапам VB, тыс. м3
Объемы вскрышных пород нарастающим итогом Σ VB, тыс. м3		13 200	20 700

 

Продолжение табл. 1

 

Показатель	Номер этапа
Этапы горных работ, м	600-800	800-1000	1000-1200
Объемы полезного ископаемого по эта­пам Vи, тыс. м3
Объемы полезного ископаемого нара­стающим итогом Σ Vи, тыс. м3
Объемы вскрышных пород по этапам Vв, тыс. м3
Объемы вскрышных пород нарастаю­щим итогом 2VB, тыс. м3	27 800	35 800	43 400

 

Объемы нарастающим итогом откладывают на графике (рис. 7), левая вертикальная шкала которого служит для объемов полезного ископаемого, а правая - для объемов вскрышных пород. На горизонтальной шкале фиксируют положения этапов горных работ. Таким образом, график показывает для каждого этапа извлекаемые объемы полезного ископаемого и вскрышных пород с начала разработки.

В табл. 2 указываются для каждого года эксплуатации карьера планируемая мощность карьера по полезному ископаемому и требуемые объемы его вскрытых запасов.

Рис. 7. График объемов горных работ нарастающим итогом по годам.

 

Годовые объемы вскрышных работ, выполняемые с учетом обеспечения плановой мощности карьера и подготовки вскрытых запасов, определяют по графику (см. рис. 7). Для этого на шкале полезного ископаемого в принятом масштабе откла­дывают годовые объемы добычных работ (отрезки 0а₁, а₁а_2, а₂а₃ и т. д.), планируемые объемы вскрытых запасов (отрезки 0 – b₁, а₁ – b₂ и т. д.) и от точек b₁, b₂, b₃ проводят горизонтальные линии до пересечения с графиком нарастающих объемов полезного ископаемого (точки b`<sub>1</sub>, b`₂, b`<sub>3</sub> и т. д.). Проекции точек пересечения на горизонтальную шкалу показывают положение вскрышных работ на каждый год эксплуатации с учетом подготовки вскрытых запасов. От точек b`₁, b`<sub>2</sub>, b`₃ проводят верти­кальные линии до пересечения с графиком нарастающих объемов вскрышных пород (точки b" ₁, b" ₂, b" ₃ и т. д.). Последние проектируют на правую вертикальную шкалу (точки В₁, В₂, В₃ и т. д.). Отрезки 0B₁, В₁В₂, В₂В₃ и т. д. в принятом масштабе показывают требуемые годовые объемы вскрышных работ. Эти объемы вносят в последнюю строку табл. 3.

 

Таблица 2. Годовые объемы добычных и вскрышных работ

Показатель	Продолжительность работ, год
Плановый годовой объем добычных работ, тыс. м3	-
Планируемый объем вскрытых запасов на начало следующего года, тыс. м3									-
Годовой объем вскрыш­ных работ, тыс. м3

 

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: