Конструкция и оптимизация положения вскрышной зоны на угольных разрезах

Конструкция и оптимизация положения вскрышной зоны на угольных разрезах

При различных параметрах вскрышных и добычных уступов и увеличенном угле откоса рабочего борта на некоторых этапах отработки отмечается превышение рабочей площадки нижнего вскрышного уступа над верхней площадкой верхнего добычного уступа. В результате ограничиваются вскрытые запасы по углю. Поэтому проектный угол откоса рабочей зоны оказывается несколько заниженными, что ухудшает проектный режим горных работ.

При поточной добыче угля на месторождениях с наклонным залеганием угольных пластов довольно высока интенсивность развития горных работ. Для объекта исследования, разреза

«Восточный» в Экибастузском бассейне, результаты горно-геометрического анализа по проектной схеме развития горных работ с отстройкой этапов отработки традиционно снизу вверх от разрезной траншеи по углю до дневной поверхности выявили скачкообразное изменение значений текущего коэффициента вскрыши (рис. 1). Причиной этого являются затруднения по построению конструкции рабочего борта с принятыми высотами добычных ( hд ) и вскрышных уступов ( hв )

при минимальной ширине их рабочих площадок ( Врд и Врв ) соответственно. При этом конструктивный угол откоса рабочего борта γ устанавливается заранее.

Анализ рис. 1 показывает, что в варианте с ограничением развития добычных работ нет скачкообразных изменений значений текущего коэффициента вскрыши. После ликвидации отставания вскрышных работ в период внедрения циклично-поточного вскрышного комплекса (ЦПВК) он только возрастает. При этом, начиная с гор. – 75 м, в каждых последующих двух этапах отработки его значения почти одинаковые с небольшим увеличением, но между этой парой смежных этапов отработки возрастает значительно (до 0,57 м3/т). Поэтому нами исследовался также вариант с альтернативным, по условию независимого ведения вскрышных и добычных работ. Сопоставление графиков режима горных работ этого варианта показывает, что с глубины - 25 до отметки гор. -150 м, по сравнению с проектным контуром схемы развития горных работ, динамика изменения текущего коэффициента вскрыши хуже. Объемы вскрыши в приведенном интервале глубин по альтернативному варианту больше на 34,58 млн. м3, а среднеэксплуатационный коэффициент вскрыши выше на 4,3 %.

Из-за характерного различия высоты уступов вскрышной и добычной зон положение уровня рабочей площадки нарезаемого нижнего вскрышного уступа относительно верхней площадки верхнего добычного уступа для каждого j-го этапа отработки получается различным. Или эти горизонты совпадают, или нижняя площадка нового вскрышного уступа должна быть ниже верхней площадки верхнего добычного уступа. На каждом этапе отработки в результате получается различное подвигание рабочего борта lвj (перпендикулярно простиранию угольных пластов) на уровне дневной поверхности.

Рис.1. График режима горных работ на разрезе

«Восточный» по проектной схеме реализации ЦПВК 1 – вариант с проектными контурами вскрышной зоны; 2 – альтернативный вариант с обеспечением необходимого опережения вскрышных

работ на контакте «вскрыша-уголь»

Сдерживающим фактором поддержания достигнутой мощности по углю на разрезе

«Восточный» при глубине горных работ более 200 м является не соответствие цикличной технологии выемки вскрышных пород с применением железнодорожного транспорта поточной

технологии добычи угля. Одна из причин – сложность заведения железнодорожных путей на нижние горизонты вскрышной зоны высотой порядка 135-150 м при вскрытии только с одного фланга разреза (к другому флангу примыкает торец разреза «Богатырь»). Для переходного периода замена в нижней части вскрышной зоны железнодорожного транспорта на комбинированный автомобильно-конвейерный транспорт приводит к значительному отставанию в развитии.

Для увеличения угла откоса вскрышной зоны γвi в каждом последующем этапе отработки предложена послойная выемка высоких уступов экскаваторно-автомобильными комплексами (ЭАК) поперечными заходками с изменяющимся уровнем рабочей площадки (рис. 2 и 3). На разрезе «Восточный» это обеспечит независимую интенсивную отработку высоких уступов отдельными ЭАК с обоих флангов карьерного поля при окончательном внедрении двух линий циклично-поточной технологии.

Рис. 2 . Положение нижней части вскрышной зоны после отработки верхних подуступов

в каждом из ji-ВЭАБ 1 – верхние подуступы; 2 – предохранительные бермы

 вi

В отличие от угла откоса рабочего борта (  j ) для определения угла откоса вскрышной зоны его наклонную линию необходимо проводить от верхней бровки передового уступа до

пересечения с линией на контакте «вскрыша-уголь».

Рис. 3. Схема грузотранспортной связи с верхним подуступом ВЭАБ

1 – временные автосъезды в торцах углеразреза; 2 – торец разреза;

3 – экскаватор; 4 – автосамосвал; 5 – верхний подуступ ВЭАБ; 6 – транспортные бермы

Алгоритм оптимизации положения рабочей зоны по этапам отработки при наклонном падении угольных пластов состоит из последовательности нахождения элементов его конструкции, в основном вскрышной зоны, удовлетворяющих следующему условию:

k j

Vj

kвсэ  i1  min

k j

j

 Z j i1

при kвт( j 1)  kвт( j 2)  ...  kвт( j k

) , (1)

где

kвсэ

• среднеэксплуатационный коэффициент вскрыши, м3/т; Vj
• объем вскрышных

пород в пределах j -го этапа отработки, м3; k j

• число этапов отработки в исследуемых границах

угольного разреза, шт.; Z j

• запасы угля в пределах j -го этапа отработки, т;

kвтj

• текущий

коэффициент вскрыши j -го этапа отработки, м3/т.

Далее определяются элементы конструкции рабочего борта.

Высота добычной зоны на j -ом этапе отработки угля составит:

Hдзj

при поточной технологии добычи

nдj

Hдзj

 hдн   hд ,

i 1

где

hдн

• высота нарезаемого добычного уступа, м;

nдj

(2)

• число добычных уступов в

одновременной работе на j -ом этапе отработки при поточной технологии их разработки, определяемое путем корректировки известного выражения по формуле:

n  М j  врт  hдн (ctgд  ctgду )  вmдj , (3)

В

дj

рд

• hд (ctgд
• ctg j )

здесь M j - горизонтальная мощность угольных пластов на j -ом этапе отработки, м; врт - ширина дна разрезной траншеи по углю, м; д

• рабочий угол откоса добычного уступа, град.;

ду

• устойчивый угол откоса добычного уступа, град.;

втдj

• транспортная берма на нерабочем борту на j -ом этапе отработки, м;

Врд

• ширина рабочей площадки добычного уступа без учета ширины блока-панели

Вбп д

по минимуму, м;  j

• угол падения по подошве отрабатываемого

нижнего угольного пласта в границах j -го этапа отработки, град. На определенном этапе отработки глубина угольного разреза

Hдj составит:

Hдj

 hн

• hдн

n j

 H

 

i 1

дзj

• hдн

, (4)

где hн

• мощность наносов, равная высоте передового уступа, м; n j
• количество

погашенных этапов отработки с начала разработки поля разреза.

Поскольку мощность наносов зачастую равна высоте передового уступа на вскрыше, то высота вскрышной зоны на j -ом этапе отработки

Hвзj

составит:

nвжj

nвaj

nвжj

nвanj

Hвзj 



i1

hвж 

 hвa 

i 1



i 1

hвж 



i1

hвan ,

(5)

где

hвж

• высота вскрышного уступа при их отработке ЭЖК, м;

nвжj

• количество вскрышных уступов при их отработке ЭЖК на j -ом этапе отработки;

hвa

• высота вскрышного уступа при их отработке ЭАК, м; nвaj - количество вскрышных уступов при их отработке ЭАК на j -ом этапе отработки;

hвan - высота вскрышного подуступа при их отработке ЭАК, м;

nвanj -

количество вскрышных подуступов при их отработке ЭАК на j -ом этапе отработки. При построении конструкции вскрышной зоны должно соблюдаться условие:

Hдj  Hдзj  hвап  Hвзj  Hдj  Hдзj . (6)

Поэтому:

nâæj

Häj  Häçj   hâæ

i 1 при



n

âàïj

h

âàï

nвапj : int(nвапj ) . (7)

Если

(8)

nвапj  int(nвапj ) , то

nвапj  int(nвапj )  1.

На контакте «вскрыша-уголь» вновь нарезанного вскрышного уступа ширина рабочей

площадки

Bнвj

принимается минимально возможной, но не менее ширины транспортной бермы

вта , т.е.:

вта  Внвj  ВВЭАБ . (9)

В этом случае соблюдается закон соразмерного развития горных работ на смежных уступах и обеспечивается норматив вскрытых запасов по углю.

В границах определенного промежуточного положения горных работ равномерное, плавное изменение текущего коэффициента вскрыши (от наименьшего к наибольшему значению) обеспечивается методом оптимизации положения рабочей зоны по этапам отработки. Положение вскрышной зоны по каждому этапу отработки необходимо отстраивать от дневной поверхности до контакта «вскрыша-уголь» с последующим сопряжением с конструкцией добычной зоны, формируемой от разрезной траншеи нового добычного горизонта. При этом, до получения окончательного варианта календарного графика горных работ, следует учитывать

продолжительность отработки запасов угля (выемочной единицы)

t yi , углы падения кровли

верхнего угольного пласта

kj

и откоса вскрышной зоны

 вj

по каждому этапу отработки в

исследуемых границах

Нпп . Тогда подвигание рабочего борта

lвj

на каждом этапе отработки

будет различным. С увеличением угла откоса вскрышной зоны, путем применения эффективных способов интенсивной отработки нижней его части, в каждом последующем j -ом этапе

отработки возможно обеспечить уменьшение значений lвj .

В переходной период внедрения ЦПВК верхняя часть вскрышной зоны отрабатывается ЭЖК, а нижняя ее часть – ЭАК. Проведение пуско-наладочных работ на ЦПВК № 1 и 2 и достижение проектной их мощности на границе применения ЭЖК и ЭАК предопределяет оставление концентрационного горизонта. Часть верхних вскрышных уступов прямыми заездами интенсивно отрабатывается ЭЖК. Предварительные расчеты показывают, что целесообразно под ЭЖК оставлять до 5 уступов, следовательно, появляется возможность часть рабочей площадки на 5-ом породном горизонте использовать для перегрузки автовскрыши на железнодорожный транспорт.

Увеличение ее ширины для размещения навалов автовскрыши в переходной период компенсируется более интенсивной отработкой нижней части вскрышной зоны ЭАК. Следовательно, при определении угла откоса вскрышной зоны по каждому этапу отработки переменной величиной может являться ширина концентрационного горизонта за вычетом ширины рабочей площадки (без учета бермы безопасности 6-го уступа) ЭЖК и ширины вскрышного

экскаваторно-автомобильного блока (ВЭАБ). Тогда угол откоса вскрышной зоны

 вj

после

перехода на предложенный способ отработки нижней части вскрышной зоны ЭАК определяется по выражению:

 вj  arctg

 nвжj

nвапj

nвжj



i 1



hвж 

nвапj



i 1

hвап

, (10)

ctgв



 i 1

hвж 



i 1

hвап

  Nпбjвпб  NВЭАБj BВЭАБ  nвжj Bрвж  Bнвj  Bкгj

где в

• рабочий угол откоса вскрышного уступа или подуступа, град.;

Nпбj

• количество

предохранительных берм на j -ом этапе отработки, шт.; впб

• ширина предохранительной бермы,

м; NВЭАБj - количество созданных ВЭАБ на j -ом этапе отработки, шт.; ВВЭАБ - ширина блока-

панели ВЭАБ, м;

Врвж – ширина рабочей площадки вскрышного уступа, отрабатываемого ЭЖК,

м; Вкгj

– переменная на каждом j -ом этапе отработки ширина площадки на концентрационном

горизонте, оставляемая для размещения навала автовскрыши и железнодорожного путевого развития, м.

Приведенные после перехода на новый способ отработки вскрышных уступов ЭАК элементы находятся по формулам:

вапj

Nпбj

 int0,5n

; (11)

NВЭАБ  0,5nвапj

при nвапj  2,4,6,8...;

NВЭАБ  0,5nвапj  0,5 при nвапj  1,3,5,7.... (12) На основе предложенного метода оптимизации положения рабочей зоны по этапам отработки получены данные, позволяющие минимизировать объемы выемки вскрышных пород в исследуемых границах при гарантированном вскрытии требуемого объема вскрытых запасов по каждому угольному горизонту (выемочной единице) для принятой проектной мощности разреза. Анализ рис.4 показывает, что при высоте подуступов, отрабатываемых ЭАК, 20 и 10 м, угол откоса вскрышной зоны, начиная с глубины разреза 250 м, увеличивается плавно без скачков. Но

по величине его значения чуть меньше, чем при высоте подуступов, равной 15 м.

Рис. 4. Зависимость угла откоса вскрышной зоны от глубины разреза 1 – при hвап = 20 м; 2 – при

hвап = 15 м; 3 – при hвап = 10 м

Анализ графиков на рис. 5 показывает, что высота вскрышной зоны зависит от высоты подуступов, отрабатываемых ЭАК. При высоте подуступов 20 и 15 м для исследуемого интервала глубин эти графики практически равнозначны. Здесь следует отметить, что при высоте забоя 20 м необходимо применять экскаваторы типа ЭКГ-20, а при 10 м увеличатся затраты на горно- капитальные работы по устройству временных автосъездов в торцах разрезов при начале отработки нового ВЭАБ. Поэтому наиболее предпочтителен вариант с высотой подуступов, отрабатываемых ЭАК, около 15 м. С 200 м до глубины 350 м, с учетом ввода в эксплуатацию ЦПВК и перехода на новый способ отработки ЭАК, подвигание передового уступа по рекомендуемым параметрам вскрышной зоны, по сравнению с аналитическими выкладками, меньше на 61,3 м (6,2%).

Рис. 5. Зависимость высоты вскрышной зоны от глубины разреза

1 – при hвап = 20 м; 2 – при hвап = 15 м; 3 – при hвап = 10 м

На I-м этапе отработки подвигание рабочего борта на уровне дневной поверхности минимально из-за извлечения большей части запасов относительно гор. +25м, а на II-м этапе – из- за ликвидации отставания в развитии нижней части вскрышной зоны.

Реализация созданного способа интенсивной отработки нижней части вскрышной зоны ЭАК включает определенный порядок и последовательность выемки ВЭАБ.

По предлагаемой схеме развития вскрышной зоны объем вскрыши, при добыче угля до отметки - 150м, по сравнению с проектной схемой меньше на 62,47 млн. м3, а по сравнению с

альтернативной – на 97,05 млн. м3.

По разработанной схеме нет скачкообразных изменений значений текущего коэффициента вскрыши (рис. 6). После ликвидации отставания по вскрышным работам его значения плавно увеличиваются с погружением горных работ.

Рис. 6. К обоснованию предлагаемого варианта развития вскрышной зоны на разрезе

«Восточный» при внедрении ЦПВК

1 и 2 – изменение текущего коэффициента вскрыши соответственно по альтернативной (по отношению к проектной) и предлагаемой схемам

По предлагаемому варианту развития в рассматриваемых границах среднеэксплуатационный коэффициент вскрыши составляет 1,9 м3/т, что по сравнению с проектной и альтернативной схемами формирования вскрышной зоны меньше соответственно на 8,3 и 12,4%.

Построение конструкции рабочего борта по предлагаемой схеме и расчеты с использованием модельного поперечного сечения отрабатываемого карьерного поля подтверждают сокращение сроков освоения проектной мощности разреза «Восточный» и значительное снижение требуемых объемов выемки вскрышных пород в ближайшие годы без разноса северного торца разреза с вовлечением законсервированных запасов участка 8 (по соображениям грузотранспортной связи).

При реализации разработанных метода оптимизации положения рабочей зоны по этапам отработки (при наклонном падении угольных пластов) и интенсивного способа выемки нижней части вскрышной зоны экскаваторно-автомобильно-конвейерным и частично экскаваторно- автомобильно-железнодорожным комплексами достигается увеличение угла откоса вскрышной зоны до определенной глубины и оптимизация календарного графика режима горных работ. В результате угол откоса рабочего борта увеличится с 12 до 140, что и обеспечит значительное снижение объемов выемки вскрышных пород – с глубины 200 до 350 м на 62,47 млн. м3 (8,3%).