способ открытой разработки месторождений полезных ископаемых

Формула изобретения

Способ открытой разработки месторождений полезных ископаемых, включающий разделение и последовательную организацию смещения слоев покрывающей толщи пород сопкообразной формы за границы карьера путем бурения вееров скважин в плоскости смещения из буровых выработок под углом, достаточным для начала смещения слоя при подготовке поверхности скольжения в области призмы упора, заряжения и взрывания вееров скважин в области призмы упора, последующего введения самотеком глинистого раствора к моменту создания поверхности скольжения в верхней части призмы давления и затем взрывания вееров скважин в области призмы давления, вскрытие месторождения, выемку полезного ископаемого и вскрышных пород, отработку карьера до проектной глубины с отстройкой бортов и создание отвалов раздробленных вскрышных пород у контура карьера.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горной промышленности, к способам открытой разработки.

Способ открытой разработки месторождений полезных ископаемых, включающий разделение и последовательную организацию смещения слоев покрывающей толщи пород сопкообразной формы за границы карьера, выполняют путем бурения вееров скважин в плоскости смещения из буровых выработок под углом, достаточным для начала смещения слоя при подготовке поверхности скольжения в области призмы упора, заряжения и взрывания вееров скважин в области призмы упора, последующего введения самотеком глинистого раствора к моменту создания поверхности скольжения в верхней части призмы давления и затем взрывания вееров скважин в области призмы давления, вскрытие месторождения, выемку полезного ископаемого и вскрышных пород, отработку карьера до проектной глубины с отстройкой бортов и создание отвалов раздробленных вскрышных пород у контура карьера. Способ позволяет увеличить эффективность выемки полезного ископаемого при снижении объемов вскрыши и обоснованном снижении коэффициентов вскрыши и затрат на разработку месторождений полезного ископаемого.

Известен способ разработки месторождений полезных ископаемых, заключающийся в том, что вначале на месторождении выполняют горно-капитальные работы в период строительства карьера в виде капитальных и разрезных траншей, затем ведут вскрышные работы с удалением пустых пород, вмещающих полезное ископаемое, в результате чего обеспечивается доступ к месторождению [Хохряков B.C. Открытая разработка месторождений полезных ископаемых. М.: Недра. - 1974. - 264 с.].

Недостатком способа является необходимость выполнения большого объема вскрышных работ, прежде чем обеспечить доступ к полезному ископаемому. Кроме того, необходимо дробить, разрушать массивы горных пород с большим удельным расходом ВВ (до 0.6-0.8 т/м³), все это резко повышает себестоимость производства вскрышных работ на карьерах и, следовательно, себестоимость выемки полезного ископаемого.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ формирования искусственных оползней при освоении нагорных месторождений, заключающийся в том, что склоновый массив скальных пород предлагается разделить на наклонные слои и далее расчленить их на крупноразмерные блоки и затем транспортировать по наклонной поверхности. Отделение блоков от массива производится последовательно путем создания под основанием, а также у боковых и торцевых поверхностей протяженных флюидоразрывных щелей с заданной ориентацией. Для этого по заданной сетке бурят центральную, дополнительные, нагнетательные и контрольные скважины. В забойной части центральной скважины специальным устройством прорезают в плоскости разрыва дискообразную инициирующую щель. Специальным способом создается давление в нагнетаемом флюиде этой и других скважин до образования трещин и крупноплощадного разрыва, ориентированного в заданной плоскости. Во флюид постепенно вводят добавки для увеличения его вязкости, например глинку с концентрацией глинистых частей в суспензии 8-12% и более в качестве "смазки" для транспортирования отдельных блоков в слоях один за другим по высоте склона [Чернов О.И., Фрейдин А.М., Посохов Г.Е., Усков В.А. Формирование искусственных оползней при освоении нагорных месторождений // Горный журнал. - 2003. - №9. - с.15-17].

Недостатком известного способа является повышенный объем вспомогательных работ, связанный с бурением скважин по мелкоплощадной сетке, создание специальным способом больших разрывных напряжений в межскважинном пространстве и сложности транспортирования отдельных блоков один за другим по наклонной поверхности, а эффективность способа производства вскрышных работ определяется влиянием большого количества факторов горно-геологического и горно-технического характера.

Целью изобретения является увеличение эффективности выемки запасов полезного ископаемого снижением объемов вскрыши, подготавливаемого в карьере за счет буровзрывных работ, применения дорогостоящих транспортных средств и обоснованном снижении коэффициентов вскрыши на этапах разработки месторождений.

Поставленная цель достигается тем, что в способе открытой разработки месторождений полезных ископаемых, включающем разделение и последовательную организацию смещения слоев покрывающей толщи пород сопкообразной формы за границы карьера, выполняют путем бурения вееров скважин в плоскости смещения из буровых выработок под углом, достаточным для начала смещения слоя при подготовке поверхности скольжения в области призмы упора, заряжения и взрывания вееров скважин в области призмы упора, последующего введения самотеком глинистого раствора к моменту создания поверхности скольжения в верхней части призмы давления и затем взрывания вееров скважин в области призмы давления, вскрытие месторождения, выемку полезного ископаемого и вскрышных пород, отработку карьера до проектной глубины с отстройкой бортов и создание отвалов раздробленных вскрышных пород у контура карьера.

Увеличение эффективности разработки месторождений в сопках путем исключения трудоемких процессов доставки оборудования, техники в высокогорную зону для вскрытия месторождения рудоспусками и стволами и разработки его сверху вниз взрыванием скальных пород поуступно (погоризонтно), с применением взрывчатых веществ (ВВ) при удельном расходе 0.8-1 т/м³, погрузки породы и ее транспортирования на расстояние 3-5 км во внешние отвалы достигается созданием управляемых искусственных оползней, учитывая гравитационную энергию наклонных слоев в покрывающей толще сопки (горы).

Таким образом могут быть значительно уменьшены коэффициенты вскрыши при разработке месторождения открытым способом.

На основе анализа опыта оползания бортов карьеров при создании выемок и подсечении протяженных наклонных тектонических нарушений (трещин) можно заключить, что имеется четкая и надежная связь между углом наклона поверхности скольжения, физико-механическими характеристиками ослабленного слоя подстилающей поверхности и характером смещения массива пород.

При "густой" смазке типа глинка трения во всех случаях происходит плавное смещение пород по поверхности скольжения. В этом случае по данным экспериментов угол внутреннего трения породы на контакте изменяется от 22-24° до 25-26°. Сцепление породы при этом составляет 0.2-0.5 МПа. Угол наклона поверхности скольжения при меньших значениях характеристик горных пород составляет до 30-35°, а при больших значениях - до 40-43°. Последний параметр угла наклона поверхности сдвига подтверждается опытом подвижки слоев породы борта Ковдорского карьера комплексных руд под углом 43°. В этом случае преобладающего влияния глинки трения на ослабление массива не было выявлено, было констатировано, что причиной сползания пород явились неудовлетворительные параметры БВР, принятые при отработке участка.

Слой породы (оползневый блок) целесообразно транспортировать целиком без дробления на части, учитывая действующие усилия в призмах давления и упора. Учитывая подвижки слоев в откосах при углах 35-36° и в верхних зонах 38-40° поверхность скольжения необходимо формировать под углом 35-38°. Меньшие углы скольжения возможны при небольших блоках с относительно ровной поверхностью и специальном типе смазки с глинистым материалом.

При создании поверхности смещения на горизонтах, соответствующих высоте разбуривания одним станком, проводят выработки, а в них буровые камеры. Из этих камер в плоскости смещения бурят веера скважин длиной 24-25 м, таким образом, ширина одной полосы составляет 48-50 м. С учетом этого шага осуществляется разбуривание намеченной поверхности скольжения во всем слое.

После взрывания участка поверхности скольжения в области призмы упора начинается введение глинистого раствора из выработки самотеком, и после завершения работ взрываются скважины верхнего участка поверхности скольжения в области призмы давления, в результате начинается плавное смещение слоя по наклонной поверхности при соотношении усилий сдвига Т_сд и сопротивления Т_сопр, близких по величине

ТТ _сопр.

или в напряжениях:

_сд> _сп=к+tg·,

где _сд, _сп - соответственно напряжения сдвига и сопротивления; к - сцепление; - угол внутреннего трения; - напряжение.

Эффективность способа обосновывается следующими расчетными соображениями. Выемка пород объемом V обычным способом потребует затрат З:

З=C_в·V,

где С _в - себестоимость выемки 1 м³ вскрыши при применении буровзрывных работ, экскавации, транспортирования и укладки породы в отвал.

При применении способа затраты складываются из проведения горизонтальных выработок по высоте слоя З_вн, разделки буровых камер З_бк, затрат на оборудование и буровую доставочную технику З_т, бурение скважин З_бс, взрывание скважин с помощью ВВ З_вс, введение глинистого раствора З_гр.

Общие затраты составят,

З_с=З_вн +З_бк+З_т+З_бс+З_вс+З _гр

При усредненных оценках затраты можно оценить с учетом себестоимости производства работ при подземном способе разработки месторождения - при подготовке блоков к массовому взрыву бурением и взрыванием вееров скважин и проходкой подготовительных выработок.

Приняв доли затрат на проходку выработок, бурение и взрывание вееров скважин как 0.4 и 0.4 в себестоимости 1 м ³ руды на подземном руднике С_п, а соотношение себестоимостей выемки вскрыши на открытых работах и руды на подземных работах как 1:1.5, можно определить затраты на осуществление предлагаемого способа.

При ширине полосы слоя по простиранию 50 м и его мощности 60 м, а длине 250 м объем тела составит V=50·60·250=750000 м³. Затраты на его разработку традиционным способом З=30·750000=22500000=22.5 млн. руб., где 30 - себестоимость вскрыши 1 м³, руб., а затраты на осуществление способа З₂=2-2.5 млн. руб. Экономический эффект на 1 м простирания слоя - 0.4 млн. руб.

На чертежах представлен разрез месторождения с профилем смещаемого слоя по поверхности скольжения, план расположения выработок и график изменения тангенциальных напряжений от нормального напряжения при сдвижении пород в бортах карьера и с глинистым материалом.

Фиг.1. Разрез по участку месторождения со смещением слоев по поверхности скольжения:

I, II - последовательность смещения слоев;

1 - поверхность скольжения; 2 - буровая выработка; 3 - участок поверхности скольжения с глинистым материалом; 4 - рудное тело; l - расстояние по наклонной плоскости между буровыми выработками; L_д, L_y - соответственно участки призм давления и упора.

Фиг.2. Схема участка слоя по простиранию по длине L_1п с веерами скважин:

В - расстояние между буровыми выработками по простиранию слоя.

Фиг.3. График изменения тангенциального напряжения от нормального напряжения при сдвижении пород в бортах карьера (1) и с глинистым материалом (2):

К_г, К_с, _г, _с - сцепление и угол внутреннего трения с глинистым материалом и без него.

Фиг.4:

а - участок "Шумный-Крутой" (Удокан);

б - плато Расвумчорр (апатитовое месторождение - Хибины);

в - Юкспорское месторождение (Хибины).

Пример конкретного исполнения

Для месторождения медистых песчаников Удокана, залегающих под сопкообразным возвышением покрывающей толщи пород, на основе технико-экономического анализа и расчетов их показателей определены параметры слоя и угол поверхности скольжения. Аналогичные расчеты выполнены для месторождений рудника Центральный ОАО "Апатит" на участке подсечения ущелеобразным склоном наклонно падающего рудного тела и где высота крутого склона составляет 200-250 м, а его крутизна 55-80°. Аналогичные условия для применения способа имеются на апатитовом месторождении "Юкспорское", которое в настоящее время разрабатывается подземным способом. Удаление части покрывающей толщи вскрышных пород предлагаемым способом способствовала бы эффективному применению открытого способа (фиг.4 а, б, в).

В приведенном примере мощность подготавливаемого слоя к перемещению гравитационным способом составляет 50-70 м, учитывая рельеф местности, и в среднем - 60 м. Угол наклона слоя - 35°.

Подготовка слоя к смещению осуществляется в три стадии.

На первой стадии, на определенной высоте (30 м) по высоте слоя проходятся выработки сечением 2×3 м, в них на расстоянии 45-50 м друг от друга разделываются буровые камеры и начинается бурение вееров скважин по плоскости смещения слоя. На бурении скважин могут быть использованы станки типа НКР-100 и "Параматик". Диаметр скважин 100-120 мм.

На второй стадии осуществляется заряжание и взрывание вееров скважин в нижней зоне участка смещения слоя в области призмы упора.

На третьей стадии начинается введение глинистого раствора по поверхности раскрытия и после завершения работ взрываются скважины верхнего участка смещения слоя в области призмы давления. Начинается плавное смещение слоя и после его завершения аналогичные операции повторяются на противоположном участке склона, что снижает объем вскрышных работ и позволяет быстрее вскрыть месторождение и приступить к его отработке более прогрессивным открытым способом до проектной глубины с отстройкой высоких бортов и созданием отвалов за контуром карьера.

Источники информации

1. Хохряков B.C. Открытая разработка месторождений полезных ископаемых. М.: Недра. - 1974. - 264 с.

2. Чернов О.И., Фрейдин А.М., Посохов Г.Е., Усков В.А. Формирование искусственных оползней при освоении нагорных месторождений // Горный журнал. - 2003. - №9. - с.15-17 (прототип).