Процесс подготовки пород к выемке является начальным в единой технологической цепи на карьерах. От него зависят производительность комплекса оборудования и технико-экономические показатели разработки месторождения. Он включает широкий перечень работ, направленных на изменение естественного состояния горных пород с целью создания благоприятных условий для успешного протекания последующих производственных процессов (выемка и погрузка, транспортирование, отвалообразование), обеспечения безопасности производства и выдачи сырья определенного качества.
Подготовка горных пород к выемке включает: осушение горных пород, вовлекаемых в разработку; предохранение их от промерзания; повышение устойчивости откосов уступов; разупрочнение, изменение агрегатного состояния породного массива (оттайка мерзлых пород); его разрушение (разрыхление) и другие виды воздействия.
Разработку мягких, сыпучих и выветрелых пород в их обычном состоянии ведут всеми видами погрузочного оборудования без предварительной подготовки к выемке.
Для выемки из массива плотных и наименее прочных полускальных пород используют машины с повышенными усилиями копания. Однако чаще всего необходимо механическое рыхление такого грунта тракторными агрегатами или взрывное разрушение его.
Скальные и полускальные породы нуждаются в предварительном разрушении, как правило, с использованием энергии взрыва.
При отрицательных температурах мягкие, сыпучие и рыхлые породы переходят в мерзлое (криогенное) состояние с резким увеличением прочностных характеристик. Поэтому их невозможно или нерационально разрабатывать без предварительной подготовки к выемке, включающей комплекс мер по защите от промерзания, оттаиванию, гидравлическому разупрочнению, взрывному или механическому разрушению.
Для предохранения массива от промерзания площадки и откосы уступов утепляют теплоизоляционными материалами: мхом, опилками, шлаком, минеральной ватой и др. С этой же целью применяют пенопласты, пенолед и замороженную водовоздушную пену, наносимые пеногенераторными установками, проводят вспашку и рыхление поверхностного слоя на глубину до 0,3–0,4 м, боронование – на глубину до 0,2 м, иногда глубокое (1,0–1,8 м и более) рыхление экскаваторами, что уменьшает в 2–3 раза промерзание пород.
Производят снегозадержание с периодическим дождеванием поверхности снега, улучшающим его теплоизоляционные свойства. Россыпные месторождения защищают от промерзания затоплением водой.
В районах с длительным периодом низких отрицательных температур ведут оттайку мерзлых пород паром, водой через забивные паро- и гидроиглы. Используют также поверхностный или глубинный электрообогрев. Поверхностный обогрев токами высокой частоты осуществляют через полосовые электроды в виде сеток из тонкой медной проволоки, укладываемые на откосы уступа. При глубинном электрообогреве переменным током промышленной частоты напряжением 12–380 В электроды размещают в полостях, пробуренных на глубину промерзания породы по квадратной или шахматной сетке на расстоянии 0,5–0,7 м один от другого. В результате нагрева такой породы и передачи тепла вышележащим слоям происходит их постепенное оттаивание снизу вверх. Расход электроэнергии при этом составляет до 70 МДж/м3. Использование усовершенствованных электроигл с напряжением 1–2 В и током 2 А снижает расход электроэнергии до 30 МДж/м3 [29].
В ряде случаев эффективен поверхностный пожог – сжигание слоя угля толщиной 0,2–0,35 м на поверхности слоя мерзлых пород. Расход топлива на 1 м3 породы составляет: дров – 0,11–0,17 м3, угля – 30–60 кг, торфа – 120–140 кг. [29].
Обводненность забоев и большая влажность пород усложняют функционирование выемочно-погрузочного и транспортного оборудования вследствие налипания, намерзания горной массы к транспортным сосудам и рабочим органам машин, снижения несущей способности грунта, проведения специальных мероприятий по защите токоприемников и электрооборудования от попадания влаги. Помимо предварительного осушения карьерного поля и защиты его от вод поверхностного стока (см. п. 2.6) может возникнуть необходимость в создании локальных систем осушения, например в дренировании горизонтальными скважинами, пробуренными в основании уступа. Возможно также использование электроосмоса – движения воды в грунтах под влиянием постоянного электрического тока, вызывающего осушение грунта в зоне положительного электрода и скопление воды у отрицательного. Для экранирования водотоков создают барражные завесы при помощи шпунтового ограждения, вливания в траншеи, щели или нагнетания через скважины цементных растворов и твердеющих составов.
При открытой разработке месторождений полезных ископаемых очень важно обеспечить устойчивость уступов и не допускать их деформаций в течение всего срока существования карьера. Основой специальной технологии управления состоянием массива является искусственное укрепление неустойчивых участков и упрочнение горных пород (табл. 3.1).
Искусственное укрепление во многих случаях предпочтительнее разноса бортов и дает значительный экономический эффект. Использование специальной технологии заоткоски уступов при погашении бортов карьеров экономически оправдано, начиная с глубины
10–20 м, т. е. практически со второго уступа от поверхности [30].
Таблица 3.1. Способы искусственного укрепления откосов (по В. В. Ржевскому)
| Группы способов | Средства укрепления | Условия применения |
| Механическое укрепление | Железобетонные сваи | Массивы со слаборазвитой трещиноватостью, подсеченные поверхностями ослабления, с падением в сторону выработанного пространства под углами 20°50° |
| Анкеры, шпоны и гибкие тросовые тяжи | Крупноблочные маловыветрелые массивы, сланцевые, слоистые твердые породы с падением в сторону выемки под углами 40°-60° | |
| Подпорные и защитные стенки, контрфорсы | Слаботрещиноватые, легко выветривающиеся полускальные породы | |
| Железобетонные и подпорные стенки и контрфорсы | Нарушенные массивы сложной структуры с пересслаиванием пород | |
| Упрочнение пород | Цементация, нагнетание укрепляющих растворов из полимерных материалов, смолизация | Трещиноватые скальные породы, склонные к интенсивному выветриванию или выщелачиванию |
| Изолирующие защитные покрытия | Набрызг бетона по металлической сетке, смолизация, битумизация | Сильнотрещиноватые породы, склонные к интенсивному выветриванию или выщелачиванию |
| Комбинированн | Сочетание механического | Сложные инженерно- |
Подготовку пород к выемке ведут следующими способами: механическими (исполнительными органами горных машин); гидравлическими (нагнетанием, насыщением водой, растворением); физическими (токами высокой и промышленной частоты, электромагнитным полем, высокотемпературной газовой струей и пр.); химическими; с использованием энергии взрыва; комбинированными. На выбор способа подготовки влияют: вид и свойства пород, мощность предприятия, требования к качеству добываемого сырья, а также климатические условия.
Гидравлические способы основаны на использовании энергии высоконапорных водяных струй (импульсных водометов), напорного или безнапорного водонасыщения.
Область применения физических и химических способов подготовки горных пород к выемке ограничена, чаще всего из-за отсутствия мобильных, экономичных установок, наличия жестких требований к свойствам разрушаемых пород (электропроводность, термобуримость и т. п.), большого расхода энергии, топлива, химических реагентов и вредного воздействия последних на окружающую среду. Эти способы нашли применение при вторичном дроблении некондиционных по размерам кусков породы (см. п. 3.13).
Наиболее универсально и эффективно взрывное разрушение – основной способ подготовки к выемке на месторождениях с полускальными и скальными породами. Если применение взрывчатых веществ нежелательно (при отделении блоков облицовочного камня) или недостаточно экономично, успешно используют механические способы подготовки пород к выемке.