1 Режим горных работ. Горно-геометрический анализ карьерных полей.
2 Преобразование графиков горно-геометрического анализа в календарный график.
3 Построение рационального календарного графика.
1 Режим горных работ. Горно-геометрический анализ карьерных полей
Одним из основных решений, принимаемых при проектировании карьера, является определение последовательности отработки запасов.
Режим горных работ – это последовательность выполнения вскрышных и добычных работ в карьере, определённая по объёмам, местам проведения и календарным срокам, обеспечивающая планомерную, безопасную и экономически эффективную разработку месторождения.
Считают, что режим горных работ установлен, если найдено положение начальных горных выработок, главное направление развития работ, календарное распределение объемов вскрышных и добычных работ по годам (этапам) разработки карьера, отвечающее экономическим критериям и обеспечивающее достижение установленных технических показателей и требований потребителей продукции.
Исследование режима горных работ и определение рационального варианта развития работ для различных типов месторождений и видов карьерных полей осуществляют по единой методике, включающей проведение горно-геометрического анализа месторождения, построение календарного графика разработки, регулирование календарного и обоснование рационального графиков.
Горно-геометрический анализ карьерных полей — это совокупность методов изучения месторождения полезных ископаемых или его участка, предназначенного для разработки открытым способом, с помощью которых устанавливают закономерности изменения горно-геометрических показателей разработки по мере развития горных работ. Исходными материалом для анализа являются топографические планы.
В процессе горно-геометрического анализа прежде всего исследуют зависимость поэтапно извлекаемых объёмов вскрышных пород и полезных ископаемых от положения горных работ в карьере на отдельных этапах. Для этого устанавливают граници карьера, эскизно намечают технологию разработки и ряд возможных вариантов начального положения горных выработок и направлений развития работ.
Для каждого выбранного варианта развития работ строят график зависимости извлекаемых объёмов от положения горных работ. Для крутопадающих – V=f(H), горизонтальных – V = f(L). На этом графике по одной оси откладывают положение горных работ, а по другой — соответствующие ему объемы горной массы, полезного ископаемого и вскрышных пород.
Построенные для карьера графики являются основой для получения исходных календарных графиков V — f(Т) и разработки их улучшенных вариантов.
Исходным материалом для горно-геометрического анализа поперечные геологические сечения, погоризонтные планы или топографические планы
Порядок проведения горно-геометрического анализа следующий:
1. Эскизно намечают основные технологические решения открытой разработки месторождения (вскрытие, система разработки, технология, механизация работ и т.д.).
2. Ориентировочно устанавливают углы откосов бортов карьера: рабочего, нерабочего и на момент погашения.
Точные значения углов устанавливают графически после принятия основных технологических решений.
3. Определяют глубину и контуры карьера [проектом может предусматриваться отработка карьера этапами (участками, зонами) по глубине или по простиранию с изменением по мере отработки этапов вариантов вскрытия, систем разработки, технологии и механизации работ; в этом случае углы откосов бортов можно устанавливать для каждого этапа отдельно].
4. Намечают начальные положения и возможные направления развития работ, а также определяют ширину дна разрезной траншеи.
Для каждого рассматриваемого варианта развития работ на исходных геологических разрезах (планах) наносят границы карьера, один из вариантов начального положения горных работ (дна разрезной траншеи) и ряд промежуточных положений (этапов) горных работ, соответствующих одному из возможных направлений их развития. Для этого от нижних бровок разрезных траншей на каждом горизонте наносят линии откоса рабочих бортов.
5. Определяют этапные объемы (объемы между смежными положениями границ этапа) горной массы, полезного ископаемого и вскрышных пород, по которым по каждому геологическому профилю (плану) строят график зависимости извлекаемых объемов от положения горных работ V=f(H) (для крутопадающих и наклонных месторождений) и V = f(L) (для горизонтальных и пологопадающих месторождений). На этом графике по одной из осей откладывают положения (этапы) работ, а по другой — соответствующие им объемы.
6. Определяют суммарные этапные объемы горной массы, вскрыши и полезного ископаемого по всему месторождению путем раздельного сложения этих показателей для соответствующих этапов, найденных по отдельным геологическим разрезам (планам). По значениям суммарных объемов строят график, выражающий зависимость поэтапно извлекаемых объемов горной массы, вскрыши и полезного ископаемого для всего карьера.
Аналогично строят графики и исследуют соответствующие зависимости и для других вариантов начального положения горных работ и направлений их развития.
7. Определяют годовую производительность карьера по полезному ископаемому на весь срок существования карьера.
8. Строят исходные календарные графики V =f(Т), выражающие зависимость извлекаемых объемов горной массы, вскрыши и полезного ископаемого от времени разработки при принятом месте начала и направлении развития горных работ путем преобразования графиков
9. Проводят преобразование — улучшение исходных графиков V =f(Т)т.е. приведение их к некоторому желательному (рациональному) виду.
10. Сравнивают календарные графики, полученные для различных направлений развития работ по некоторому принятому критерию и обосновывают выбор одного из них в качестве рационального.
При исследовании режима горных работ необходимо рассматривать не только различные варианты направления развития работ для какой-либо одной эскизно принятой технологии разработки месторождения и выполнения работ, но и варианты, отличающиеся друг от друга самими технологиями.
2 Преобразование графиков горно-геометрического анализа в календарный график.
Календарное планирование горных работ включает: трансформацию графиков горно-геометрического анализа в календарный график горных работ; анализ этого графика и его регулирование; составление, на основе отрегулированного календарного графика, календарного плана горных работ в табличной форме.
Необходимость трансформации графика горно-геометрического анализа вызвана тем, что в практической деятельности при составлении планов горных работ оперируют не с погоризонтными объемами работ, а с годовыми объемами по полезному ископаемому и по вскрышным породам. Поэтому появляется необходимость в трансформации сводного графика текущих объемов применительно к календарным периодам по годам эксплуатации карьера.
Трансформация графика осуществляется следующим образом. По известной (расчетной) производительности Ар карьера по полезному ископаемому определяется срок отработки i-го слоя с запасами Qпi полезного ископаемого (лет):
Исходя из срока отработки слоя и объема вскрыши в нем, определяют годовую необходимую производительность карьера по вскрыше (ПВ) в течение срока отработки слоя:
,
где Кт.э – слоевой (текущий) эксплуатационный коэффициент вскрыши, м3/т.
Для выполнения трансформации графика режима горных работ строятся графики вскрышных и добычных работ, совмещенные с таблицей, включающей исходные данные по горизонтам и результаты расчетов. После выполнения расчетов строится календарный график вскрышных и добычных работ.
Календарный график имеет интегральное свойство: общая площадь, заключенная между осью времени Т и графиком вскрыши (угля) до какой-либо ординаты временной отметки, означает общий извлекаемый объем вскрыши (угля) при ведении горных работ за указанный период.
3 Построение рационального календарного графика.
Проектной практикой и многими исследованиями доказано, что экономически целесообразно организовывать работу карьера таким образом, чтобы его производительность по полезному ископаемому и горной массе была сравнительно постоянной в течение достаточно длительных периодов времени, т.е. чтобы работа в эти периоды характеризовалась достаточно постоянными значениями эксплуатационного коэффициента вскрыши.
Первоначальный календарный график разработки, обладающий такими характеристиками, может быть получен только в частном случае — при разработке горизонтальных выдержанных по мощности залежей, равнинном рельефе местности и применении одной системы разработки с постоянными параметрами — длиной фронта работ, высотой уступов и шириной рабочих площадок. В других условиях залегания горизонтальных и пологопадающих месторождений и при изменении параметров системы разработки, а также для наклонных и крутопадающих залежей первоначальный календарный график, как правило, имеет существенные колебания объемов вскрышных работ по периодам разработки.
Поэтому возникает необходимость его выравнивания и приведения к определенному виду — рациональному календарному графику. Рациональный календарный график должен обеспечивать быстрое достижение установленной производительности карьера по всем видам полезных ископаемых и надежное ее поддержание в течение длительного периода. Этого достигают путем переноса пиковых объемов вскрышных работ на другие периоды разработки.
Принципиально возможны три способа выравнивания календарного графика:
• уменьшением на период пиковых объемов вскрыши производительности карьера по полезному ископаемому;
• переносом выполнения части пиковых объемов вскрыши на более поздние периоды;
• переносом выполнения части пиковых объемов вскрыши на более ранние периоды.
В первом случае снижение ежегодных объемов вскрыши возможно за счет снижения производительности по полезному ископаемому, при сохранении первоначально принятой производительности. Теоретически это должно вести к удлинению первоначально принятого периода отработки. Естественно, что изменение производительности по полезному ископаемому должно быть согласовано с потребителями продукции и предусмотрено в экономической деятельности предприятия.
Во втором случае часть объемов добычных работ переносят с периода t2 на период t3 За период t3 производительность карьера по вскрыше увеличивается, а в целом на протяжении периода t2 + t3 ее можно считать постоянной/
В третьем случае производительность карьера по вскрыше в период t2 искусственно увеличивают до установленного уровня.
Как известно, принципиальное отличие открытых горных работ от подземных заключается в том, что удаляемые из карьера покрывающие и вмещающие полезное ископаемое вскрышные породы, как правило, по объемам в несколько раз превосходят добычу полезного ископаемого. Так как вмещающие породы, составляющие основную часть вскрыши, по физико-механическим свойствам, трудозатратам, а, значит, и по себестоимости разработки близки к полезному ископаемому, то полная себестоимость добычи формируется, в основном, из затрат на вскрышные работы. Поэтому определение производительности по вскрыше – весьма важная проектная задача.
Чтобы обеспечить стабильную производительность по горной массе, необходимо определить и усреднить эксплуатационный коэффициент вскрыши. Для этих целей широко используется метод, предложенный А.И.Арсентьевым. В его основу положен график нарастающих объемов вскрышных пород в зависимости от нарастающих объемов полезного ископаемого 
.
Согласно этому методу, усреднение эксплуатационного коэффициента вскрыши осуществляется за счет изменения ширины рабочих площадок. Были выявлены два возможных крайних значения ширины рабочих площадок в процессе эксплуатации карьера:
· минимально необходимая ширина при добычных и вскрышных работах на максимально возможном количестве рабочих уступов и при максимально допустимом угле откоса рабочего борта 
(рис.7, а);
· максимально возможная ширина при работе на одном рабочем уступе до полной его отработки с приходом работ на заранее подготовленный нижележащий уступ и т.д. Угол откоса рабочего борта 
(рис.7, б). В этом случае горная масса из карьера извлекается практически послойно.
Для определения и усреднения эксплуатационных коэффициентов вскрыши строятся положения горных работ в карьере на момент окончания подготовки каждого горизонта для варианта ведения работ с минимальными рабочими площадками, подсчитываются объемы полезного ископаемого и пород, извлекаемые на каждом горизонте и по карьеру в целом за период подготовки каждого горизонта, и записываются по форме, составленной в табл.2.
Объемы полезного ископаемого и пород для построения графика
| Горизонт подготовки | Горизонт выемки | Объемы руды и пород за период подготовки каждого горизонта | Нарастающие объемы руды и пород, м3 | ||||||||||||||
| ¼ | |||||||||||||||||
| V | P | V | P | V | P | … | V | P | V | P | V | P | V | P | V | P | |
| … | |||||||||||||||||
| Объемы п.и. и пород в слое | |||||||||||||||||
| Нарастающие по слоям объемы руды и пород, м3 |
Объемы полезного ископаемого и пород, соответствующие объемам работ на горизонтах за период подготовки горизонта, суммируются по строкам нарастающим итогом, и полученные результаты используются для построения графика 
для варианта работ при 
и 
т.е. при минимальных рабочих площадках и максимальном угле откоса рабочего борта.
Поскольку две указанные выше кривые описывают работу карьера с двумя крайними значениями ширины рабочих площадок, то все остальные варианты работы карьера должны характеризоваться кривыми, находящимися в области между этими кривыми. Прямая в области между этими кривыми будет соответствовать стабильному (усредненному) значению эксплуатационного коэффициента вскрыши, определяемому как тангенс угла наклона прямой к оси абсцисс.
Для реализации методики необходимо иметь поперечные разрезы или погоризонтные планы с нанесенными границами карьера на конец отработки; знать схему вскрытия и направление развития горных работ в карьерном пространстве, а также параметры элементов принятой системы разработки.
На рис.8 приведен график 
. Каковы его особенности? Коэффициент вскрыши на нем определяется тангенсом угла наклона касательной к кривой 
в данной точке. Работа с постоянным коэффициентом вскрыши должна выражаться на графике прямой линией. Для определения коэффициента вскрыши на графике 
не обязательно замерять угол наклона касательной, можно определить разность координат точек конца и начала рассматриваемого периода и вычислить 
.
Начало кривых на оси ординат указывает, что в начальный период работы карьера добыча полезного ископаемого отсутствует.
Конечные точки кривых должны совпадать (точка F на рис.8), так как при любом варианте работ из карьера извлекаются одни и те же объемы полезного ископаемого и пород.
Очевидно, что работе с постоянным эксплуатационным коэффициентом вскрыши на графике соответствует прямые, лежащие в области между кривыми при 
и 
Для каждой из кривых рабочие площадки имеют постоянную (минимальную или максимальную) ширину, в то время как для усредненного эксплуатационного коэффициента вскрыши, т.е. для прямой в области между кривыми, они будут переменной ширины. Значит, усреднение эксплуатационного коэффициента вскрыши, отражаемое прямыми в области между кривыми для и 
, будет заключаться в перераспределении объемов вскрыши за счет изменения ширины рабочих площадок.