Открытые горные работы Лекция 5 Отвалообразование вскрышных пород

Сущность процесса отвалообразования

Отвал — это искусственная насыпь, которая образуется при складировании вскрышных пород. Отвальные работы представляют собой совокупность производственных операций по приему и размещению вскрышных пород на отвале. Технология, механизация и организация отвальных работ являются основой процесса формирования отвала.

Отвал вскрышных пород имеет геометрическую форму неправильной усеченной пирамиды. Его параметры включают в себя высоту и количество уступов, угол откоса уступов, приемную способность, длину и способ перемещения отвального фронта.

Возможная высота уступа отвала зависит прежде всего от физико-механических свойств складируемых пород и пород, находящихся в основании отвала, а также от использованных средств механизации отвальных работ.

Угол откоса уступов отвала обычно соответствует естественному углу откоса пород, размещаемых в отвале. Этот угол зависит от физико-механических свойств пород, степени их разрыхления и влажности.

Приемная способность отвала определяется объемом породы, который может быть размещен на данной площади отвала при его максимальном заполнении. Приемная способность отвала на равнинной местности рассчитывается по специальной формуле:

$V_{o} = \frac{K_{н}}{К_{р}} [S_{0} \sum h_{0} - P_{0} (\sum h_{0})^{2} c t g α_{0} + \frac{1}{3} π (\sum h_{0})^{3} c t g^{2} α_{0}]$ , м³ (7.1)

где:

К_н=0,8-0,9 коэффициент, учитывающий неравномерность отсыпки породы в отвал;

К_р=1,1 – 1,2 – коэффициент, учитывающий разрыхление породы в отвале;

h₀ – высота уступа отвала, м;

Р₀ – периметр площади основания отвала, м;

₀ – угол откоса уступа отвала, град.

Фронт отвальных работ может быть разбит на отдельные участки, которые называются тупиками. Длина каждого тупика зависит от способа механизации работ, площади отвала и объема вскрышных пород. Разбивка фронта на тупики позволяет распределить работы по всему фронту при формировании отвала.

Существуют три способа развития отвальных работ: параллельный, веерный и прямолинейный. Каждый из них определяет схему размещения отвалов на плане.

Процесс отвалообразования включает в себя несколько этапов. Сначала строятся первоначальные насыпи, затем происходит разгрузка и складирование вскрышных пород. После этого поверхность отвала планируется и производятся перемещения транспортных коммуникаций на отвале.

Выбор места расположения отвалов

Отвалы могут быть внутренними или внешними в зависимости от их расположения относительно конечного контура карьера. Внутренние отвалы находятся в выработанном пространстве, а внешние отвалы располагаются за конечным контуром карьера.

Использование внутренних отвалов позволяет сократить расстояние для перемещения вскрыши и не требует дополнительных земель под отвалы, что уменьшает объемы рекультивации земель. Однако создание внутренних отвалов возможно только в случае разработки горизонтальной или пологой залежи, которая может быть вынута полностью.

Внешние отвалы, как правило, формируются при разработке наклонных и крутых месторождений, где конечное положение подошвы карьера определяется только в конце разработки. В начальный период разработки горизонтальной или пологой залежи, когда карьер создает выработанное пространство, вскрышные породы также вывозятся на внешние отвалы.

При разработке горизонтальных или пологих месторождений с большой мощностью (40-50 и более метров), одновременно создаются и внутренние, и внешние отвалы. Вскрыша с нижних уступов складируется на внутренних отвалах, а вскрыша с верхних уступов — на внешних.

Отвалообразование при железнодорожном транспорте

На карьерах, где применяется железнодорожный транспорт, экскаваторное отвалообразование составляет основную часть (85-90%) от общего объема работ. Задача отвальных экскаваторов — выкопать породу, которая перегружается из думпкаров, и уложить ее в отвал. При использовании мехлопаты, отвальный уступ делится на два подуступа. Мехлопата размещается на нижнем подуступе, где происходит разгрузка породы из думпкаров. Верхний подуступ служит для размещения транспортных путей. Чтобы упростить прием и последующую экскавацию породы из думпкаров, экскаватор на кроле нижнего подуступа формирует специальную емкость (канаву), длина которой равна полуторной или двойной длине думпкара, а глубина — 0,8-1,0 м. Состав на отвал перемещается вагонами вперед. Думпкары обычно разгружаются поочередно в приемную емкость. Укладка породы в отвал экскаватором выполняется в трех направлениях: вперед в нижний подуступ, параллельно откосу нижнего подуступа (по фронту отвального уступа) и назад в верхний подуступ.

В зависимости от физико-механических свойств укладываемых пород и основания отвала, существуют две схемы работы экскаватора на отвале. При устойчивых породах и основании отвала, укладка породы производится одновременно в верхний и нижний подуступы отвала. После заполнения отвальной заходки, экскаватор возвращается в исходное положение и начинает отсыпку новой заходки. В случае слабоустойчивых пород, экскаватор при прямом ходе (от обменного пункта к тупику) отсыпает породу только в нижний подуступ. При обратном ходе, экскаватор укладывает породу в верхний подуступ. Это повышает устойчивость отвала, так как экскаватор при обратном ходе перемещается по уплотненной породе нижнего подуступа, что минимизирует риск оползневых явлений.

Рациональная высота отвального уступа меняется в широких пределах и составляет на равнине 15-30 м, а в гористой местности – 70 м и более.

Шаг переукладки отвальных путей зависит от линейных параметров экскаватора и определяется по формуле

A₀=(R_ч+R_p)К_п (7.2)

где R_ч и R_p – соответственно радиус черпания и разгрузки экскаватора, м; К_п = 0,85- 0,9 коэффициент использования линейных параметров экскаватора.

1.Приемная способность отвального тупика (по объему и в целике) между двумя переукладками пути

$V_{0 . т} = \frac{h_{0} A_{0} L_{о . т}}{К_{р}}$ , м³ (7.3)

2.Продолжительность t_р.т работы отвального тупика между двумя переукладками пути

$t_{р . т} = \frac{V_{о . т}}{V_{c}}$ , сут (7.4)

где V_c – суточная приемная способность (по объему в целике) отвального тупика, м³

V_c = n_cnq_гр, м³ (7.5)

где:

n_c – число составов, которые могут разгружаться в сутки;

nq_гр – объем вскрыши (в целике), перевозимый одним составом, м³;

$n_{c} = \frac{f T_{c}}{t_{o} + t_{p}}$ (7.6)

где:

f=0,85-0,95 – коэффициент, учитывающий неравномерность работы отвала;

Т_с – число часов работы тупика в сутки;

t_o – время обмена поезда на отвале, ч;

t_p – время разгрузки поезда, ч;

$t_{o} = \frac{2 L_{o}}{v_{о . с р}} + τ$ , ч (7.7)

где:

L_о – расстояние от обменного пункта до середины отвального тупика;

v_о.ср – средняя скорость движения поезда по отвальным путям, км/ч;

— время на связь, ч;

t_p=nt_в, ч (7.8)

где:

n – число думпкаров в составе;

t_в– время разгрузки думпкара, ч;

3.Число отвальных тупиков в работе

$N_{т . р} = \frac{V_{в . с}}{V_{c}}$ (7.9)

где V_в.с – среднесуточный объем вскрыши, поступающей на отвал, м³;

4.Число тупиков в отвале

$N_{т . о} = N_{т . р} (1 + \frac{t_{п . т}}{t_{р . т}})$ (7.10)

где t_п.т – продолжительность переукладки пути на отвальном тупике, ч.

Производительность мехлопат на отвале обычно в 1,2-1,3 раза выше, чем на карьере. Это объясняется более высоким коэффициентом экскавации и коэффициентом использования экскаваторов во времени на отвале (0,7-0,8 вместо 0,5-0,6). Мехлопаты могут быть использованы на отвалах для складирования пород любой категории прочности. Однако при складировании мягких и мелко раздробленных полускальных и скальных пород широко применяются драглайны.

Плужное отвалообразование ранее использовалось перед введением экскаваторного отвалообразования, однако его низкая производительность привела к преобладанию экскаваторных методов. В настоящее время плужное отвалообразование находит свое применение на карьерах с небольшим объемом вскрышных работ в условиях скальных пород, где допустима высота уступов более 15 м и имеется большое количество тупиков, расположенных на разных горизонтах. Процесс плужного отвалообразования включает разгрузку породы из думпкаров под откос отвального уступа, профилирование откоса уступа (вспашку), планировку поверхности отвала для установки пути и передвижку пути.

Длина отвального тупика при плужном отвалообразовании может колебаться от 0,5 до 2,5 км. Высота уступов плужных отвалов составляет 15-25 м и ограничивается их устойчивостью. Остальные параметры плужного отвалообразования рассчитываются аналогично параметрам экскаваторного отвалообразования.

Плужное отвалообразование имеет преимущество в использовании недорогого и простого оборудования, что обеспечивает быструю разгрузку составов. Однако у плужных отвалов есть недостатки, такие как низкая пропускная способность отвального тупика, необходимость в большом количестве резервных тупиков, ограниченный шаг передвижки путей и сложность отсыпки мягких пород.

Абзетцерное отвалообразование предоставляет возможность разгрузки думпкаров в приемную траншею, расположенную на поверхности отвала, захватывание породы из траншеи, перемещение породы в отвал, планировку поверхности отвала и передвижку путей. Абзетцер – это полноповоротный многоковшовый экскаватор с разгрузочной консолью, оснащенный ленточным конвейером. Отвальный уступ при абзетцерном отвалообразовании состоит из двух подуступов, где абзетцер, приемная траншея и путь размещаются на кровле нижнего подуступа. Высота абзетцерного отвала может достигать 90 м, высота верхнего подуступа составляет 30-35 м, а высота нижнего подуступа – 40-55 м. После заполнения отвала, планировку его поверхности могут производить либо планирующая рама абзетцера, либо бульдозер. Пути отвальных экскаваторов обычно многорельсовые, и их передвижение осуществляется путепередвигателями непрерывного действия. Ширина отвальной заходки зависит от длины отвальной консоли и угла ее наклона и составляет 40-60 м. Длина отвального тупика определяется для обеспечения непрерывной работы абзетцера и варьирует от 1 до 2 км. Техническая производительность абзетцеров составляет от 2000 до 7000 м³/ч.

В карьерах, с использованием бульдозеров мощностью 300 л. с. и выше, применяют метод бульдозерного отвалообразования. При этом отвальный уступ делится на два подуступа. Порода разгружается на кровлю нижнего подуступа, а транспортные пути располагаются на кровле верхнего подуступа. Бульдозеры перемещают породу к откосу верхнего подуступа, в то время как нижний подуступ отсыпается в направлении тупика. Высота верхнего подуступа выбирается таким образом, чтобы разгруженная порода была ниже уровня пути, обычно в пределах 1,5-2,5 м. Расстояние от внешнего конца шпал до верхней бровки верхнего подуступа должно быть не менее 1 м. Высота нижнего подуступа определяется по условию устойчивости его откоса. Рациональная длина отвального тупика составляет 1,5-2,0 км.

Отвалообразование при автотранспорте

При использовании автосамосвалов для транспортировки вскрыши на отвал, применяется метод бульдозерного отвалообразования. В этом процессе, автосамосвалы разгружаются на верхней площадке отвального уступа, порода перемещается под откос уступа, а также осуществляется ремонт и обслуживание автодорог.

Разгрузка автосамосвалов может происходить по двум способам: периферийному и площадному. При периферийном способе, автосамосвалы разгружаются либо непосредственно у откоса (если отвал устойчив), либо на расстоянии 3-5 метров от откоса. Затем бульдозеры перемещают породу под откос. При площадном способе, автосамосвалы разгружаются по всей площади отвала. После разгрузки, поверхность отвала планируется с помощью бульдозеров и укатывается катками. Затем отвал покрывается следующим слоем и так далее.

На больших карьерах для улучшения организации отвальных работ, разгрузка и планировка производятся на разных участках. Ширина каждого участка составляет от 60 до 80 метров. Площадь отвала (S₀), длина фронта разгрузки (L_ф.р), количество одновременно разгружаемых участков (N_о.р), длина отвального фронта (L_ф.о) и количество бульдозеров (N_б) определяются по соответствующим формулам.

$S_{o} = \frac{V_{в} К_{р}}{Н_{о} К_{о}}$ , м (7.11)

где:

V_в – объем вскрыши, подлежащий размещению в отвале, м³;

К_р =1,1-1,2 остаточный коэффициент разрыхления пород в отвале;

Н_о – высота отвала, м;

К_о – коэффициент, учитывающий использование площади отвала.

L_ф.р=N_аl_п, м (7.12)

где l_п =18-20 м – ширина полосы по фронту, занимаемая автосамосвалом;

N_а– число одновременно разгружающихся самосвалов.

$N_{a} = N_{ч} \frac{t_{р . м}}{60}$ (7.13)

где:

N_ч – число автосамосвалов, разгружающихся на отвале в течение часа;

t_р.м – продолжительность разгрузки и маневрирования автосамосвала, мин;

$N_{ч} = \frac{П_{к . ч} К_{н е р}}{V_{a}}$ (7.14)

где:

П_к.ч – часовая производительность карьера по вскрыше, м³;

К_нер =1,25-1,5 коэффициент неравномерности работы карьера;

V_a – объем вскрыши, провозимый автосамосвалом за 1 час, м³;

$N_{о . р} = \frac{L_{ф . р}}{60 \div 80}$ (7.15)

L_ф.о=(60-80)N_y (7.16)

где N_y – общее число участков;

N_y=N_o.p+N_о_._п+N_o (7.20)

где:

N_o_._p,N_о.п – число отвальных участков, находящихся одновременно в работе и планировке соответственно;

N_o =(0,5-1) N_o_._p – число резервных участков.

N_б=N_б.рК_ин(7.21)

где:

N_б.р– число рабочих бульдозеров;

К_ин = 1,3-1,4 коэффициент инвентарного парка бульдозеров;

$N_{б . р} = \frac{V_{б}}{П_{б}}$ (7.22)

где:

V_б – сменный объем бульдозерных работ, м³;

П_б – сменная производительность бульдозера, м³;

V_б=П_к.чТ_смК_з (7.23)

где:

Т_см – продолжительность смены, ч;

К_з =0,5-0,7 коэффициент заваленности отвала породой.

Отвалообразование при конвейерном транспорте

При использовании ленточных конвейеров для транспортировки вскрыши, как правило, применяется консольные ленточные отвалообразователи. Консольный отвалообразователь — это одноопорная металлическая ферма, установленная на поворотной платформе, которая имеет свободное перемещение. На карьерах часто используются отвалообразователи на шагающем и рельсово-шагающем ходу, такие как ОШ-650/75, ОШ-4500/87, ОШР-5000/95, ОШР-1250/220, где О — отвалообразователь, Ш — шагающий, ШР — шагающе-рельсовый, (часовая производительность отвалообразователя в разрыхленной горной массе) / (радиус разгрузки). Также используются отвалообразователи на гусеничном ходу, произведенные в бывшей ГДР и ФРГ.

Процесс отвалообразования с использованием консольных ленточных отвалообразователей включает несколько основных операций: прием, транспортирование и укладку породы в отвал, планировку поверхности отвала и передвижение ленточных конвейеров. Технологическое отвальное оборудование включает магистральный конвейер, отвальный ленточный конвейер и консольный ленточный отвалообразователь, который принимает породу с ленточного отвалообразователя и откладывает ее в отвал. Для перегрузки породы с магистрального конвейера на отвальный, применяются передвижные разгрузочные устройства. Для увеличения приемной способности отвала, между отвалообразователем и отвальным конвейером, устанавливаются ленточные перегружатели. Породу в отвалы можно сыпать в один или два яруса. В случае двухъярусного отвала, сначала откладывается нижний ярус, а при обратном движении (без перемещения конвейеров) — верхний ярус. Отвальная заходка осуществляется путем поворота отвальной консоли в горизонтальной плоскости.

При применении консольных ленточных отвалообразователей, работа может осуществляться веерной, токовой или параллельной схемами. Планировка поверхности отвалов выполняется с помощью бульдозеров, а перемещение отвальных ленточных конвейеров осуществляется турнодозерами. Высота отвала, формируемого консольными ленточными отвалообразователями, зависит от физико-механических свойств пород и характеристик отвалообразователей. При двухъярусной отсыпке, для сухих рыхлых пород, высота составляет примерно 50-60 метров, а для влажных рыхлых пород — 35-40 метров. Ширина отвальной заходки определяется линейными параметрами отвалообразователей и устойчивостью пород, и рассчитывается с использованием соответствующей формулы:

А_о=L_ст—b, м (7.24)

где:

L_ст – вылет стрелы отвалообразователя, м;

b – безопасное расстояние от оси отвалообразователя до верхней бровки отвального уступа, м.

Использование консольных отвалообразователей в комплекте с ленточными конвейерами и многоковшовыми экскаваторами позволяет осуществить автоматизацию производства вскрышных работ.

Pro