Организация карьерного хозяйства

Совокупность открытых горных выработок, служащих для разработки месторождения, называется карьером. Также карьером называют горное пред­приятие, осуществляющее открытую разработку месторождения. В угольной промышленности термину «карьер» соответствует термин «разрез». Схема руд­ного карьера помещена на рис. 2.17. При разработке месторождения открытым способом его разбивают на горизонтальные слои. Одновременно ведется отработка нескольких слоев, что приводит к ступенчатой форме карьера. Каждая ступенька карьера, представляющая часть слоя, носит название уступа, который характеризуется высотой и углом откоса. Площадку уступа, на которой распо­лагается добычное оборудование, называют горизонтом. Высота уступа, т. е. расстояние по вертикали между верхней и нижней площадкой уступа, состав­ляет обычно 10—15 м. Боковые поверхности, ограничивающие карьер, называют бортами. Борт, на котором ведут добычу, называют рабочим. Линия, соединяю­щая верхнюю бровку карьера с нижней бровкой нижнего уступа при максималь­ной (предельной) глубине карьера, носит название линии погашения. При этом величина образующегося угла зависит от устойчивости пород и глубины карьера. Обычно угол погашения составляет 35—50°.

При открытом способе добычи вместе с рудой приходится извлекать боль­шое количество пустых пород, окружающих рудное тело, и перемещать их на значительное расстояние. Процесс удаления пустых пород называют вскрыш­ными работами, а извлечение руды — добычными. При этом выделяют следующие производственные операции: отбойку, погрузку, транспортировку и отвалообразование.

Рис. 2.17. Схема открытого способа разработки и элементы карьера:

1 — экскаватор; 2 — автосамосвал; 3 — бульдозер; 4— буровой станок; 5— рабо­чие горизонты;  6— взорванная масса; 7 — рудное тело; 8 — скважины; 9— въездная траншея на IV горизонт; 10 — съезд на I горизонт; 11— отвал пустых пород

Основной способ отбойки горных пород при вскрытии горизонта и добычи — буро-взрывные работы. Они состоят из бурения шпур или скважин, закладки зарядов взрывчатых веществ и их взрывания. Шпуры диаметром 30—75 мм и глубиной до 5 м бурят перфораторами, электросверлами и вращательно-ударными машинами. Скважины, отличающиеся от шпуров большими размерами (глу­бина более 5 м, диаметр 50—300 мм), бурят станками: ударно-канатными, вращательно-ударными, пневмоударными, вращательными и огневого бурения.

На открытых работах для бурения скважин в, основном применяют самоходные шарошечные станки вращательного бурения и станки огневого бурения.

Выемку и погрузку горных пород в карьерах осуществляют одноковшовыми и многоковшовыми экскаваторами. Транспортирование руды на обогатитель­ную фабрику, а пустых пород в отвалы осуществляют различными видами транс­порта — автомобильным, рельсовым, конвейерным, гидротранспортом. Отвалообразование заключается в размещении пустых пород в специально отведенные для этого места. В зависимости от способа транспортирования пустых пород в отвал различают следующие системы разработки месторождений открытым способом; бестранспортные, транспортно-отвальные, транспортные   и комбинированные. При бестранспортной системе перемещение пустых пород осуществляют драглайном или механической лопатой в выработанное пространство. Она при­меняется обычно при относительно небольшом количестве пустых пород и поло­гом залегании пласта.

При транспортно-отвальных системах перемещение пород осуществляют консольными отвалообразователями или транспортно-отвальными мостами в вы­работанное пространство. Они применяются для пологих пластов при использо­вании многочерпаковых экскаваторов и большом объеме пустых пород, в ряде случаев в сочетании с вывозом их в отвал.

Транспортные системы разработки характеризуются перемещением пустых пород в отвал автомобильным, железнодорожным и конвейерным транспортом. Они используются при наклонных и крутопадающих пластах, а также мощных залежах, когда нет возможности разместить отвалы внутри карьера.

В последнее время все большее распространение при открытых работах получает гидромеханизация. Ее сущность заключается в разрушении породы напорной струей воды (размыв) и транспортировке ее по трубам в отвал в виде пульпы. С этой целью применяют специальные гидромониторы и плавучие зем­снаряды. 

Гидромеханизацию для разрушения твердых пород применяют редко. Поэтому ее используют в сочетании с транспортными системами для транспор­тировки пульпы. По производительности труда, себестоимости гидромехани­зация имеет лучшие показатели, чем экскаваторная разработка.

В настоящее время на горнорудных предприятиях около 50% перевозок горной массы осуществляют автомобильным транспортом с применением много­тонных автосамосвалов; 43% — железнодорожным транспортом с применением электровозов и тепловозов; 3,5% — гидротранспортом; 2,5% — конвейерным транспортом. Более 80% руды, добываемой открытым способом, получают из карьеров глубиной свыше 100 м. С увеличением глубины разработки отношение объема пустых пород, которые необходимо удалить для добычи руды на том или ином горизонте, к запасам руды на этом горизонте (так называемый контурный коэффи­циент вскрыши) возрастает. С увеличением глубины также усложняется работа автомобильного и рельсового транспорта.

Буровзрывные работы: оборудование, технология, используемые

Взрывные вещества

На предприятиях, осуществляющих добычу полезных ископае­мых открытым способом, сосредоточено большое количество раз­нообразной техники, с помощью которой ведутся добыча и пере­мещение значительных объемов горной массы. На горных пред­приятиях постоянно вводится новое, высокопроизводительное горно-транспортное и обогатительное оборудование. Внедряются новые средства автоматизации и механизации технологических процессов, в том числе вспомогательных.

Подразделение оборудования для открытых горных работ по месту в технологическом процессе позволяет выделить следую­щие его классы:

машины для подготовки горных пород к выемке; выемочно-погрузочные машины; выемочно-транспортирующие машины; транспортные машины; отвалообразующие машины; сортировочно-обогатительное оборудование; машины для вспомогательных работ;

оборудование для механизации спускоподъемных операций и очистки скважин и др.

Машины каждого класса делятся на группы, в каждой группе различают типы машин, отличающиеся не характером выполня­емой работы, а только конструкцией узлов. Каждый тип машин может иметь несколько типоразмеров, отличающихся парамет­рами, но имеющих одинаковую конструкцию. Так, класс выемоочно-погрузочных машин делится на две группы: одноковшо­вые экскаваторы и многоковшовые экскаваторы. Группа одно­ковшовых экскаваторов подразделяется на типы: с прямой лопатой, с обратной лопатой, стругом, драглайном, грейфером. Типы машин классифицируются по следующим признакам: назначению и роду работы, вместимости ковша, виду рабочего оборудования и др.

Буровые станки открытых разработок.Для разведки, вскрытия или добычи твердых, жидких и газообразных полезных ископаемых, а также для различных вспомогательных целей в горных породах бурят вертикальные, горизонтальные или наклонные шпуры и скважины. Бурение проводится с помощью буровой установки комплекс оборудования, включающего в себя буровую вышку (мачту), силовой привод, механизм передвижения. Бурение горной порода можно проводить механическим и немеханическим способами. Механический способ реализуется в машинах ударного, вращательного, ударно-вращательного бурения, когда разрушение горной породы выполняется инструментом под действием прикладываемых к нему силовых нагрузок.

Удары по породе для ее разрушения можно наносить буровым инструментом, периодически падающим с некоторой высоты на забой под действием собственного веса. Так осуществляется бурение ударно-канатными станками.

При вращательном способе бурения разрушение забоя скважины скалыванием, смятием, истиранием осуществляется вра­щающимся инструментом с приложением к нему значительных осевой нагрузки и момента. Этот способ реализуется в станках вращательного бурения шарошечными долотами и резцовыми коронками.

При ударно-вращательном способе бурения буровой инстру­мент непрерывно вращается вокруг своей оси и по нему наносят­ся удары. Осевое усилие прикладывается к инструменту для нейт­рализации сил отдачи, действующих на него в момент удара. Этот способ применяется в станках ударно-вращательного бурения с погружными пневмоударниками и бурильными молотками.

Немеханическим (физическим) способом проводится термиче­ское, взрывное, гидравлическое, электрогидравлическое, ультра­звуковое и комбинированное бурение. При этом способе бурения силовые нагрузки на горную породу передаются через жидкую или газообразную среду. Несмотря на создание новых немеханических способов бурения, механический способ является преобладающим.

По типу привода буровые станки делятся на электрические и  тепловые, работающие от двигателя внутреннего сгорания (ДВС).

По назначению буровые станки делятся на машины для бурения шпуров и небольших скважин и машины для бурения скважин среднего и большого диаметра вертикального и наклонных направлений.

Основные параметры буровых станков определяются диаметром, глубиной и углом наклона пробуриваемой скважины. Станки для бурения взрывных скважин на открытых горных  работах изготовляются следующих типов: СБШ- станки вращательного бурения шарошечными долота(шарошечного бурения), пяти типоразмеров (с номинальными диаметрами бурения 160, 200, 250, 320 и 400 мм), для пород средней крепости и крепких, т.е. с коэффициентом крепости 6 <f< 18 (2СБШ-200-32, 5СБШ-200-36, ЗСБШ-200-60, СБШ-250МНА-32, СБШ-250-55, СБШ-320-36);

СВБ-станки вращательного бурения с резцовыми коронками(чекового бурения), с номинальным диаметром скважины 160 мм различной глубиной бурения, для пород с коэффициентом крепости f≤6 (СБР-160А-24, СБР-160Б-32, 2СБР-160-24, СБР-200А-32(48) - проектируется);

CБУ-станки ударно-вращательного бурения (пневмоударного бурения) двух типоразмеров (с номинальными диаметрами бурения 105 и 125 мм), для трудновзрываемых пород с коэффици­ентом крепости 6 < f< 18 (СБУ-100Г-35, СБУ-100П-35, СБУ-100Н-35, СБУ-125-32, СБУ-125А-52). Возможно изготовление стан­ков комбинированного бурения, сочетающих в себе механичес­кий и немеханический способы бурения.

Наибольшее распространение на открытых горных работах по­лучили станки вращательного бурения шарошечными долотами, которыми выполняется около 80 % всех объемов бурения. Осталь­ные 20 % выполняются станками вращательного бурения резцо­выми коронками, а также станками ударно-вращательного и ком­бинированного бурения. Кроме того, на открытых горных работах используются станки ударного бурения.

Станки вращательного бурения шарошечными долотами.К станкам вращательного бурения относятся станки шарошеч­ного бурения типа СБШ, предназначенные для бурения взрыв­ных вертикальных и наклонных скважин на открытых горных раз­работках в сухих и обводненных, монолитных и трещиноватых породах средней крепости и крепких. Бурение осуществляется в Р^езультате приложения к шарошечному долоту значительного крутящего момента и больших осевых усилий. Разрушение породы осуществляется шарошечным долотом, во время вращения которого при постоянном усилии подачи зубья (штыри) шарошек скалывают и раздавливают горную породу. Разрушенная горная порода удаляется сжатым воздухом, поступающим в скважину по пустотелым буровым штангам.

Рис. 2.18. Станок шарошечного бурения СБШ:

1 — мачта; 2— вращатель; 3 — буровой став; 4— машинное отделение; 5— перед­ний цилиндр выравнивания станка; 6 — пылеподавляющая установка; 7 -гусеничные тележки

Станки вращательного бурения резцовыми коронками.Сущность бурения этими станками заключается в следующем. Буровой инструмент вращается от двигателя через редуктор и по­дается на забой механизмом подачи или под действием веса привода вращателя и бурового става, состоящего из последовательно соединенных шнековых штанг и резцовой головки. Станки используются для бурения взрывных скважин по углю и породам при f≤6. Эти станки часто называют ранками шнекового бурения.

Рис.2.19. Схема станка вращательного бурения резцовыми коронками:

1-вращатель; 2 — направляющие; 3 — полиспаст; 4 -шнековая штанга;

5 — резцовая коронка

Станки вращательного бурения резцовыми коронками имеют вращатель 1 (рис. 2.19), скользящий по вертикальным направляющим 2. Подъем вращателя производится лебедкой с по­мощью подъемного каната, образующего поли­спаст 3. В патроне вращателя укрепляется шне­ковая штанга 4 с прикрепленной к ней резцо­вой коронкой 5. Разрушенная порода удаляется из скважины на поверхность шнеком.

Существу­ют станки вращательного бурения горизонталь­ных скважин и для шнекобуровой выемки угля из тонких пластов мощностью 0,6 — 2 м. Основная их особенность состоит в наличии механизма подачи. В нашей стране такие станки распространения пока не получили и имеются лишь в единичных экземплярах.

Станки ударно-вращательного бурения.Бурение станками ударно-вращательного бурения основано на комбинированном способе разрушения породы, объединяющем основные достоинства ударного и вращательного воздействия на породу.

Отличительной особенностью этих стан­ков является наличие погружного пневмо-ударника. Пневмоударнику 7 (рис. 2.20) через штангу 2 передается вращение от вращателя 3, установленного на плите 4. Подачу бурового става на забой и создание осевого усилия осу­ществляют с помощью подающего механизма 5. Вращатель перемещается по мачте 6, изменение угла наклона которой осуществляется гидроцилиндром 7. Станками можно бурить вертикальные и наклонные скважины в породах с f< 18 диаметром до 200 мм. Американская фирма «Интер-солл Рэнд» выпускает станки для бурения погружными пневмо-ударниками скважин диаметром до 850 мм.                               

Рис.2.20. Схема станка ударно-вращательного бурения: 1- пневмоударник; 2 — штанга; 3 — вращатель; 4 — плита; 5 — подающий механизм; 6— мачта; 7— гидроцилиндр подъема; 8 — двигатель.

Станки комбинированного бурения.Станки комбинированного бурения являются универсальным машинами, позволяющими вести бурение скважин в сложных горно-геологических условиях с перемежающимися породами различной крепости и структуры. Эффективность разрушения твердых горных пород достигается комбинированным воздействием на породу различных механических и немеханических способов бурения.

Из немеханических способов бурения широкое применение получил термический, который в сочетании с механическим спо­собом позволяет эффективно бурить плотные породы большой крепости. При термическом бурении разруше­ние горной породы происходит вслед­ствие интенсивного одностороннего на­гревания забоя скважины раскаленны­ми струями газов. Наиболее эффектив­но разрушаются кварцсодержащие по­роды, имеющие низкую теплопровод­ность при большом коэффициенте ли­нейного расширения.

Сущность термомеханического спосо­ба бурения заключается в том, что на­грев породы вызывает значительное сни­жение ее прочности, а окончательное разрушение достигается механическим способом. При термомеханическом бурении станок оснащен термошарошечным рабо­чим инструментом. Высокотемператур­ные газовые струи, вытекающие из со­пел 3 (рис. 2.21) термобура, разрушают и ослабляют горную породу на забое сква­жины. С помощью шарошечного бурового инструмента 4 производится разрушение породы.

Термошарошечный рабочий инструмент, закрепленный на штанге 5, вращается с помощью вращателя 1. Рабочие компоненты- керосин, кислород и вода подаются к входному коллектору 2 на вращателе и далее по каналам в штанге поступают к горелке термобура. Разрушенная порода выносится парогазовой смесью.

Рис. 2.21. Схема станка комбинированного(термомеханического) бурения:

1 - вращатель; 2 - коллектор; 3 — сопла; 4 — буровой инструмент; 5 — штанга

Зарядные и забоечные машины для открытых горных работ.Для заряжания скважин на карьерах применяются машины МЗ-3; МЗ-4: МЗ-8: МЗ-12.

Универсальная пневмозарядная машина МЗ-3предназначена для заряжания сухих и отводненных скважин россыпными ВВ и смесями ВВ по гибкому рукаву длиной до 10 м.

Машина представляет собой автомобиль-контейнер с устрой­ством для получения ВВ и пневматического транспортирования полученных ВВ в скважину по гибкому рукаву.

Машина смонтирована на базе шасси автомобиля КрАЗ-2565.

На шасси машины установлена рама, на верхнем основании ко­торой помещается бункер, который разделен на два отсека для одновременной транспортировки двух компонентов.

Шнеками компоненты транспортируются к шлюзовому питате­лю, где смешиваются с сжатым воздухом и по гибкому материалопроводу подаются в скважину. Приводом шнеков и питателя служат индивидуальные гидро­двигатели. Маслонасосом через форсунку впрыскивается дизельное топ­ливо в шнек со смесью ВВ, смешивается дизельное топливо и ам­миачная селитра.

Для забойки взрывных скважин применяются забоечные маши­ны ЗС-1Б и ЗС-2М. Они установлены на шасси автомобиля и предназначены для транспортировки забоечного материала на уступы карьера и меха­нической подачи его в скважины. Устройство: бункер, короб, конусная воронка, скребковый кон­вейер, гидрокран для загрузки забоечного материала. Привод забоечной машины осуществляется от двигателя базо­вого автомобиля. На Лениногорском полиметаллическом комбинате открытым спо­собом добывают руды на Андреевском и Тишинском карьерах, отли­чающихся горнотехническими условиями и объемами производства.

С 1968 г. на открытых горных работах применяют гранулирован­ные (гранулиты АС-4 и АС-8) и водонаполненные (акватол 65/35) взрывчатые вещества, удельный вес которых составляет 50-55%. Для механизированного заряжания скважин новыми ВВ серийно выпус­каются транспортно-зарядные машины МЗС-1, СУЗН-5М (НИПИгормаш), и «Акватол» (Гипроникель). Машина МЗС-1предназначена для гранулированных ВВ. Для условий Андреевского и Тишинского карьеров разработа­ны транспортно-зарядные машины МЗ-1 и «Универсал». Они пред­назначены для приготовления и пневматического заряжания сква­жин гранулированными и водонаполненными ВВ (игданиты, гранулиты, зерногранулиты, граммоналы и акватолы) .

Транспортно-зарядная машина МЗ-1смонтирована на базе автомобиля МАЗ-500. Она состоит из бункера, вмещающего 4 т ВВ, в нижней части которого установлен унифицированный пнев­матический дозатор МПД-2 с гидронасосом; бака для воды (или дизельного топлива и др.) емкостью 0,8 м³ с подогревом выхлопны­ми газами от двигателя автомобиля; гидрокрана грузоподъемнос­тью 1 т и контейнера для загрузки ВВ в бункер. Машина имеет пульт с ручным, автоматическим, дистанционным и программным управле­нием и компрессор КТ-6 производительностью 8,5 м³/мин и давле­нием 4,5 кГ/см².

Транспортно-зарядная машина «Универсал» мон­тируется на базе автосамосвала (например, КрАЗ-223) и в отличие от машины МЗ-1 выполнена с двумя съемными бункерами емкос­тью 5 м3 каждый. В случае применения самосвалов МАЗ-525 или БелАЗ-540 емкость бункеров может быть увеличена пропорцио­нально грузоподъемности машин.

Зарядно-доставочная машина МДЗ-1 предназначе­на для доставки сухих акватольных смесей 65/35 С или М-15 от загрузочных пунктов взрывчатых веществ к местам производства взрывных работ на карьерах и для перегрузки смесей ВВ в уста­новки типа Акватол-2(2М) и другие машины, а также для доставки и непосредственного заряжания скважин сухими гранулированными ВВ (гранулотол, зерногранулиты, гранулиты, игданит).

Смесительно-зарядная машина «Акватол- 1У»предназначе­на для приготовления, доставки и заряжания водонаполненных взрывчатых веществ типа акватолов и на основе горячего раствора окислителя на открытых горных работах .

Приготовление горячего раствора окислителя предусматрива­ется как на стационарном пункте, так и в самой машине с помощью «острого пара». Загрузка машины сухими компонентами предусмотрена либо на загрузочном пункте, либо с помощью доставочно-зарядных машин.

Смесительно-зарядная машина «Акватол-3»предназначена для приготовления и заряжания водосодержащих взрывчатых ве­ществ (ВВВ).

Применяется на открытых горных разработках при взрывных работах по добыче руд черных и цветных металлов и других по­лезных ископаемых, а также в гидротехническом и промышленном строительстве. Приготовление горячего раствора, являющегося основным ком­понентом ВВВ, производится как на стационарном пункте, так и в самой машине с помощью «острого пара».

Загрузка машины сухими компонентами ВВ предусмотрена либо на загрузочном пункте, либо с помощью передвижных растаривающих машин.

Рис. 2.22. Смесительно-зарядная машина «Акватол-3»

Машина зарядная самоходная СУЗН-5Апредназна­чается для заряжания сухих и обводненных скважин любыми сорта­ми рассыпных ВВ и смесей ВВ по гибкому шлангу длиной до 10 м, приготовления в процессе заряжания различных взрывчатых смесей игданитов, зерногранулитов, в любой пропорции аммиачной селитры и тротила, регулирования энергии заряда по высоте скважины.