Основания горнотранспортного анализа для карьеров

В.И. Белозеров
ООО «Экопроекткарьер», г. Москва, Российская Федерация
Горная Промышленность №1 / 2025 p. 36-39

Аннотация: Для более полного учета работы транспорта при проектировании и планировании открытых горных работ, в частности, при проведении горно-геометрического анализа, предложенного акад. В.В. Ржевским, разработан горнотранспортный анализ. При формировании конечного контура карьера предложено учитывать динамику параметров транспортных полутраншей по мере углубления карьера. В развитие горно-геометрического анализа разработан метод расчета работы при подъеме массивов пород, представленных в виде проекций на вертикальную плоскость геологического разреза карьерного поля. Массивы горных пород изображаются при этом в виде трапеций, треугольников и прямоугольников. Предложен показатель «коэффициент транспорта» – отношение работы на подъем вскрышных пород к работе на подъем полезного ископаемого на поверхность. Установлено, что если плотность пород существенно отлична, то при расчете коэффициента транспорта более правильно определять его как соотношение масс. При определенных условиях этому может соответствовать и коэффициент вскрыши. Предложено учитывать полную работу транспорта в карьере и на поверхности применением критерия «приведенная высота подъема». Проверена эффективность изложенных положений на примере конкретного карьера. Представлен порядок формирования грузопотоков и трасс транспортных коммуникаций в динамике горных работ. Изложенное позволяет прийти к суждению, что представленные материалы являются очередным шагом при аналитическом исследовании открытых горных работ. Автор благодарит Г.Ф. Фокину и А.Д. Аргентову за помощь в работе над статьей.

Ключевые слова: горно-геометрический анализ, горнотранспортный анализ, траншея, дорога, коммуникация, трапеция, грузопоток, приведенные показатели, контур карьера

Анализ геометрических параметров и объёмов горных работ проводится на всех этапах проектирования и текущего планирования.

Академиком В.В. Ржевским разработан метод геометрического анализа карьерных полей. Целью его является определение соотношения объёмов вскрыши и добычи по мере развития горных работ [1]. Для карьерных полей вытянутой формы, представленных крутопадающими залежами, наиболее детально разработан метод, называемый «осаждение трапеций», или просто метод трапеций на поперечных геологических разрезах карьерного поля. В результате анализа устанавливается, как изменяется коэффициент вскрыши, что позволяет в дальнейшем регулировать ведение добычных и вскрышных работ таким образом, чтобы сглаживать колебания этого коэффициента по мере углубления карьера, который для открытых горных работ характеризуется значительной изменчивостью.

Подразумевается, что изменение затрат пропорционально объёмам работ, но, как известно, с углублением карьера увеличивается работа и стоимость транспорта и, как следствие, стоимость единицы горной массы. Этот метод разрабатывался в шестидесятые годы, которые сопровождались бурным развитием открытых горных работ и снижением затрат. Поэтому данный фактор не был учтен. Предполагалось, что в будущем эта тенденция сохранится. Практически это предположение не подтвердилось. Для учета этого фактора предлагается проводить горнотранспортный анализ карьерного поля, который позволяет учесть этот фактор [2]. Он проводится в последовательности, описанной ниже.

Влияние параметров транспорта на угол наклона борта конечного контура карьера

При установлении главных параметров карьера существенное значение имеет угол наклона борта конечного контура карьера. Он уменьшается при увеличении количества и ширины капитальных полутраншей или, иначе говоря, наклонных транспортных берм [3]. Количество транспортных берм зависит от схемы вскрытия, которая устанавливается, как правило, вручную и зависит от квалификации проектировщика.

Ширина транспортной бермы определяется для автотранспорта, который, как правило, закладывается при проектировании новых карьеров и зависит от ширины дороги, проложенной по этой транспортной берме. Ширина проезжей части Шпч, как известно, слагается из ширины двух автосамосвалов (2Ш_а) (при двустороннем движении), зазоров между ними и зазоров между колесом машины и краем проезжей части. Введем понятие: коэффициент запаса ширины проезжей части

где n – количество полос движения.

Исследования показали, что чем выше скорости, тем шире должны быть зазоры. При установлении ширины транспортной бермы надо также учитывать величину разноса борта карьера. С увеличением глубины увеличивается разнос борта карьера на каждую единицу ширины транспортной бермы, т.е. ширины проезжей части дороги. Поэтому для нижней группы горизонтов следует принимать меньшую величину зазора. При снижении скорости движения величина зазоров и, следовательно, проезжей части, уменьшается. На предварительной стадии расчетов может быть принят:

– к_з =1,3 для нижней группы горизонтов;

– к_з = 1,5 для средней группы горизонтов;

– к_з = 1,7 для верхней группы горизонтов.

Для нижней группы горизонтов продольный уклон дороги принимается предельным по условиям требований безопасности. Для верхней группы горизонтов уклон смягчается путем увеличения глубины заложения капитальной траншеи.

Транспортная работа при горнотранспортном анализе карьерного поля

Посмотрим, как изменяется транспортная работа по этапам углубления карьера на конкретном примере, представленном на геологическом разрезе карьерного поля большой протяженности. Приняты следующие параметры карьера: глубина 210 м, ширина пласта полезного ископаемого 50 м, угол наклона пласта 60°, угол откоса борта конечного контура карьера 40°, угол наклона рабочего борта карьера 10°.

Пример транспортно-геометрического анализа карьерного поля. Высота, эквивалентная приведенной транспортной работе: – вскрышных пород; – полезного ископаемого; h – глубина этапа от поверхности; hпр – высота над поверхностью, эквивалентная приведенной транспортной работе; Hпр – суммарная приведенная высота

Определим параметры работы транспорта по подъему горной массы из карьера по методике, аналогичной методике академика В.В. Ржевского. Отстраиваем промежуточные контуры карьера по этапам углубления карьера. Глубина этапа – 30 м. Проводим прямые от полезного ископаемого под углом наклона рабочего борта карьера. При пересечении этих прямых с линией поверхности, или с конечным контуром карьера, образуются фигуры в виде трапеций и треугольников, а по полезному ископаемому – в виде параллелограммов. Определяем глубину центра тяжести каждой фигуры от поверхности, равную средней высоте подъема этой геометрической фигуры на поверхность. Как известно, центр тяжести (ц.т.) трапеции лежит на прямой, соединяющей середины оснований, ц.т. треугольника – в точке пересечения медиан, ц.т. параллелограмма – в точке пересечения диагоналей. Определяем средневзвешенную высоту подъема вскрышных пород для лежачего и висячего боков залежи для каждого этапа разработки. По правилам определения средневзвешенной величины умножаем для каждого этапа высоту подъема на площадь фигуры для лежачего и висячего боков. Сумма этих произведений, деленная на сумму площадей, равна средневзвешенной высоте подъема. Определяем высоту подъема полезного ископаемого для каждого этапа. Произведение площади фигуры на высоту подъема есть транспортная работа A. Отношение транспортной работы на подъем вскрышных пород A_в к транспортной работе подъема полезного ископаемого Aп представляет собой коэффициент транспорта к_т:

Определяем коэффициент вскрыши из известной зависимости:

к_в = F_в/F_п,

где F_в, F_п – площади трапеций и параллелограммов вскрыши и полезного ископаемого.

Из представленных результатов расчета видно, что с увеличением глубины карьера коэффициент транспорта увеличивается по отношению к коэффициенту вскрыши из-за увеличения транспортной работы. Следовательно, коэффициент вскрыши лишь приближенно учитывает количество затрат, потому что не отражает рост затрат на транспорт при увеличении глубины карьера. Поэтому, желательно, при определении порядка разработки карьера наряду с коэффициентом вскрыши использовать предлагаемый коэффициент транспорта.

Изложенное относится к случаю, если плотности вскрышных пород и полезного ископаемого отличаются незначительно. При большей разнице работа транспорта, определяемая в тоннах, будет существенно различна на единицу объема горной массы. Следовательно, плотность пород в этом случае следует учитывать при определении коэффициента транспорта, а также коэффициента вскрыши. Площадь трапеций или параллелограммов с большей плотностью следует увеличивать на соотношение плотностей. Центры тяжести площадей фигур при этом не меняют своего положения. Для данного примера примем соотношение плотности вскрышных пород к плотности полезного ископаемого 2 : 1, что характерно для угольных месторождений. Тогда приведенные выше значения коэффициентов к_в и кт увеличиваются в 2 раза.

Эти значения более правильно отражают соотношение затрат на транспортирование вскрышных пород и полезного ископаемого. Затраты на буровзрывные и экскаваторные работы для более мягких пород также уменьшаются, поэтому коэффициент вскрыши с учетом плотности пород также более точно отражает соотношение затрат на их разработку. Такие же результаты получаются при представлении пород не в объеме, а в их массе. Следует считать, что такой подход является целесообразным при горнотранспортных расчетах. Рассмотрим раздельно работу на перемещение вскрышных пород (на рисунке показано пунктиром) и полезного ископаемого (штрих-пунктиром) к сооружениям на поверхности. Следует учесть, что транспорт работает не только в карьерном поле, но и на поверхности. Эту часть работы транспорта следует рассматривать как постоянную величину. Поэтому работа на перемещение грузов растет в меньшей степени, чем глубина карьера.

Проведенный анализ предопределяет возможность оценки работы транспорта на последовательных стадиях проектноплановых расчетов.

Оценка работы транспорта на предпроектной стадии расчетов

Условия транспортирования неравнозначны по уклону (i) дорог и сопротивлению движению (w). Для приведения к сопоставимому виду вводится понятие приведенного расстояния (lпр). Это расстояние транспортирования приводится к стандартному участку с определёнными условиями: iст, wст. При таком подходе высота подъёма может быть выр ажена через равновеликое по энергетическим или другим затратам приведенное расстояние транспортирования.

Приведенное расстояние равно:

lпр_j = l_j (i_ст + w_ст ) / (i_j + w_j),

где l_j, i_j, w_j – соответственно длина, уклон и сопротивление качению текущего участка пути.

За стандартный участок целесообразно принять участок подъема с характерными условиями:

уклон i_ст = 0,07;

сопротивление качению w_ст = 0,03 (покрытие щебеночное).

Приведенная высота подъема равна:

h_прj = (i_j + w_j) l_прj.

Для более полного учета энергозатрат следует учитывать затраты на перемещение самих транспортных средств. Для автотранспорта это коэффициент тары ктр. Коэффициент тары есть отношение массы самого транспортного средства к массе перевозимого груза. Для современных карьерных автомобилей его можно принять равным 0,7. Для участков с подъемом груза учитываются только затраты энергии в грузовом направлении.

Выделение энергии при спуске порожнего автомобиля не реализуется и принимается равным нулю. Для горизонтальных участков (i = 0) следует учитывать затраты энергии на возвращение порожних транспортных средств. Формула принимает следующий вид:

l_пр = h_пр (1+2к_тр) / (i + w).

В рассматриваемом случае примем, что перемещение горной массы производится по горизонтальным участкам (i = 0):

вскрышных пород на отвалы по щебеночному покрытию (w = 0,03), полезного ископаемого – до пунктов приема по дорогам с капитальным покрытием (w = 0,02). При принятом допущении работа по подъему горной массы на высоту величины этапа (30 м) будет соответствовать приведенному расстоянию транспортирования:

для вскрышных пород lпр = 30/0,03 (1+2х0,7) = 415 м;

для полезного ископаемого lпр = 30/0,02 (1+2х0,7) = 625 м.

Эти расстояния и принимаем для расчета, т.е. транспортирование по поверхности соответствует подъему грузов на высоту этапа (30 м). Вскрышные породы поднимаются также на величину от одного до двух отвальных ярусов высотой по 30 м, т.е. высоты этапа. В результате приведенная высота подъема горной массы увеличилась для вскрыши на 2–3 этапа, а для полезного ископаемого – на 1 этап. Таким образом, для первого этапа разработки приведенная высота подъема вскрышных пород h_пр1 больше высоты подъема их до поверхности (h_в1=10 м) на 60 м и равна 70 м (при одном отвальном ярусе). Для полезного ископаемого h_пр1 = 45 м (h_п1 = 15 м). (При плотности вскрышных пород большей, чем полезного ископаемого, разность приведенных высот увеличивается в еще большей степени. В нашем примере при соотношении плотности 2 : 1 приведенная высота подъема вскрышных пород hпр увеличивается в 2 раза, пропорционально увеличению энергозатрат, и равна 140 м).

Первоначальное соотношение высот, т.е. коэффициент транспорта, изменилось с 10/15 = 0,7 на 70/45 = 1,55.

Соответственно изменился и коэффициент транспорта ктi.

Изложенное показывает, что учет работы транспорта на поверхности позволяет более объективно оценивать его работу. Это может быть учтено для условий конкретного предприятия. Помимо соотношения энергетических и других затрат имеет значение их увеличение с глубиной разработки. В нашем примере примем одинаковую приведенную высоту Hпр на поверхности, равную высоте двух этапов – 60 м.

В таком случае приведенная высота подъема составляет: для вскрышных пород: для 1-го этапа – 70 м, для 3-го – 116 м, для 7-го – 250 м; для полезного ископаемого 1-го этапа – 75 м, для 3-го – 135 м, для 7-го – 255 м.

Результаты показывают, что энергозатраты для вскрышных пород увеличиваются для последнего этапа в 3,6 раза, для полезного ископаемого – в 3,4 раза, в среднем 3,5 раза. Таким образом, расчет по приведенным показателям позволяет давать оценку увеличения энергетических затрат и, соответственно, транспортной работы по мере углубления карьера Приведенная высота подъема грузов определяется простым измерением глубины блока горной массы от горизонта суммарной приведенной транспортной работы Hпр. Работа, выраженная в энергозатратах, пропорциональна эксплуатационным расходам. Капитальные затраты имеют более сложное соотношение. Они изменяются с увеличением времени движения. В карьерных условиях скорость транспортирования автомобилями весьма стабильна, поэтому и время движения, как правило, пропорционально расстоянию транспортирования. Таким образом, расчеты по энергетическим показателям позволяют на предварительной стадии получать представление об ожидаемых экономических затратах. Следующим этапом применения горнотранспортного анализа является формирование грузопотоков горных пород, соответствующих схем вскрытия рабочих горизонтов и транспортных схем на нерабочих горизонтах карьера.

Распределение грузопотоков и формирование схем вскрытия

В железнодорожном транспорте, как известно, транспортная схема формируется по условию вписывания трассы железнодорожных путей в пространство карьера. В этом случае в месте выхода трассы на поверхность располагается, как правило, железнодорожная станция. При автомобильном транспорте порядок формирования транспортной схемы другой.

Трассирование начинается от пунктов приема горной массы на поверхности карьера: приёмных сооружений обогатительных фабрик, железнодорожных станций, складов полезных ископаемых и отвалов вскрышных пород. От этих пунктов, как правило, по кратчайшему расстоянию проводится трасса к бортам карьера, где закладываются внешние траншеи. В первую очередь прокладывается вскрывающая выработка, позволяющая обеспечить доступ к полезному ископаемому. В первоначальный период разработки участки трасс могут прокладываться вкрест простирания бортов карьера или под углом к нему. Эти трассы служат дольше, чем трассы, проложенные вдоль борта карьера. Оптимальным является проложение трассы в точку, в которой обеспечивается наименьшая транспортная работа на горизонте. В этом случае может быть применено правило акад.

Л.Д. Шевякова, по которому это условие достигается при проведении трассы в пункт, который делит грузы на горизонте на 2 равные части:

∑Г_л = ∑Г_п,

где ∑Г_л и ∑Г_п – величины груза слева и справа от пункта своза.

Эту точку акад. Л.Д. Шевяков назвал «оптимальный пункт своза» (о.п.с.) [4].

Рабочий горизонт образует, как правило, замкнутую линию. В этом случае требуется определить точку на этой линии, от которой грузы направляются в противоположные стороны. Назовем ее «оптимальный пункт разделения грузов» (о.п.р.). Ранее автором было доказано, что этот пункт находится в точке наиболее – и равноудаленной от о.п.с. [5]. Это же правило действует при проведении и двух трасс на рабочий горизонт. Грузы первоначально разделяются на 2 равные части:

∑L_{пр п} = ∑L_{пр л}.

Для каждой части устанавливается о.п.с., к которому проводится своя трасса. К каждому пункту примыкания трассы к горизонту грузы перемещаются по правилу Шевякова. Однако это правило, разработанное для подземных работ, где грузы перемещаются только по горизонтали, имеет свои ограничения для карьерных условий, где тот же транспорт выполняет и подъем грузов. Если трассы имеют разную длину, оптимизация работы на горизонте не обеспечивает оптимизацию перемещения грузов до пунктов приема горной массы. К более короткой трассе следует перемещать большее количество грузов, чем к более длинной. При этом пункт о.п.р. смещается в сторону длинной трассы на величину, равную половине разности длины трасс ∆l. Положение о.п.р. определяется из выражения:

L_о = ½ (L_л + L_п + L_г), км,

где L_о – приведенное расстояние от любого из пунктов приема грузов, км:

L_л, L_п – приведенная длина левой и правой трассы, км;

L_г – приведенное расстояние между трассами по горизонту, км.

Если не удается провести трассы к этим о.п.с., то грузы также перераспределяются между трассами в их фактическом положении.

Положение о.п.с. зависит от порядка подвигания и положения фронта работ на горизонте. При кольцевой и двухбортовой системах разработки, когда положение грузов – горной массы симметрично, о.п.с. может находиться в любой точке горизонта, при однобортовой системе – в середине фронта работ, при веерном подвигании – на расстоянии 2/3 от точки поворота.

Если грузы распределены на плоскости, что имеет место на нижнем горизонте карьера, о.п.с. находится практически в центре тяжести геометрической фигуры, образуемой этим горизонтом.

Формирование трасс имеет свои закономерности.

Теоретически наилучшее положение трассы – прямолинейное по вертикали и горизонтали от пункта приема груза до о.п.с. Практически это неосуществимо, но может служить ориентиром.

Наименьшая длина трассы в рабочей зоне достигается при кратчайшем расстоянии между вышележащим и нижележащим временными съездами на рабочей площадке карьера.

Наименьшая транспортная работа достигается при проведении трасс дорог в одном направлении при их равном удалении друг от друга. Чем больше трасса соответствует этому критерию, тем меньше транспортная работа. Производится своевременное переустройство их по мере развития горных работ, которое завершается их выходом на конечный контур карьера, где они располагаются уже по генеральной схеме, элементы формирования которой изложены в начале работы.

Выводы

1. При формировании контуров карьера следует дифференцировать параметры транспортных траншей по зонам и этапам развития карьера.

2. Для определения работы транспорта на основе метода трапеций, который разработал акад. В.В. Ржевский, предлагается способ подъема геометрических фигур на поверхность.

Отношение работы на подъем вскрышных пород к работе на подъем полезного ископаемого названо «коэффициентом транспорта» – кт. Этот показатель отображает увеличение транспортной работы при углублении карьера.

3. Учет работы транспорта показал, что коэффициент транспорта более соответствует затратам при представлении количества горных пород не в объемных показателях, а по массе. При большой разности плотности пород этому может соответствовать и коэффициент вскрыши.

4. Для учета работы транспорта на поверхности карьера введено понятие «приведенная высота». Эта величина определяется через эквивалентную транспортную работу при перемещении пород на поверхности и на отвале. Высота отвальных ярусов добавляется к высоте подъема в карьере. Это позволяет полностью учесть величину работы транспорта. При решении примера с увеличением глубины разработки с 30 до 210 м, т.е. в 7 раз, транспортная работа при принятом расстоянии транспортирования на поверхности увеличилась лишь в 3,5 раза.

5. Распределение грузопотоков начинается с определения оптимального положения пунктов примыкания трасс к рабочим горизонтам карьера по условию наименьшей транспортной работы на горизонте (так называемых оптимальных пунктов своза грузов (о.п.с.). Возможно ближе к этим точкам проводятся трассы дорог, устанавливается их наилучшее взаиморасположение и производится своевременное переустройство по мере развития горных работ. 6. Оптимальный пункт своза грузов располагается: при двухбортовой системе разработки – в любом месте; при однобортовой – в середине фронта работ; при веерной – на расстоянии 2/3 от пункта поворота. Наименьшая длина трассы автодороги обеспечивается при минимальном расстоянии между смежными съездами на рабочих горизонтах.

7. Изложенные основания горнотранспортного анализа позволили дополнить и усовершенствовать горно-геометрический анализ карьерного поля. Вместе с другими положениями он позволяет совершенствовать принятие проектно-плановых решений.

Список литературы

1. Ржевский В.В. Открытые горные работы. Ч. 2. Технология и комплексная механизация. Изд. 4-е. М.: Недра, 1985. – С. 458-465.

2. Федотов Г.С., Пастихин Д.В. Методика оптимизации положения вскрывающих выработок при проектировании конечных контуров карьера // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2020. – №3. (СВ №8). – С. 14-20.

3. Ганжаргал С., Истомин В.В., Белозеров В.И. и др. Формирование транспортных схем и комплексов оборудования карьера // Горный журнал. – 1998. – №3. – С. 16-24. Изд. дом «Руда и металлы», Москва.

4. Шевяков Л.Д. О нахождении оптимальных пунктов при перемещении масс по траектории. Докл. АН СССР. – 1942. – Т.36 – №7. – С. 217-219.

5. Белозеров В.И. Исследование схем вскрытия карьеров при применении автотранспорта. Автореф. дис. .... канд. техн. наук. – М.: МГИ, 1974.