Поэтому открытый способ разработки на длительное время был в основном вытеснен подземным, при котором не требовалось выемки пустых пород. Лишь с конца XIX века в связи с внедрением горных машин открытые работы начали получать широкое распространение. С этого времени, а особенно в 30-50 годы XX столетия, применение открытого способа разработки непрерывно расширялось во всем мире. Так, если в 1950 г. доля добычи угля открытым способом составляла 11 %, то к 1980 г. она увеличилась до 38 %, а по Кузбассу составляет более 40 %. За это же время объем добычи железной руды возрос с 44 до 88%.
В России наиболее старыми являются Уральские железорудные карьеры. Горные работы в них ведутся с XVIII века - на Гороблагодатском с 1735 г., на Высокогорном с 1781 г. Однако техническая оснащенность карьеров была низкой - преобладали ручная погрузка и конная откатка грузов. Горное машиностроение было развито слабо. Путиловский завод, единственный в России изготовлявший экскаваторы, выпустил всего 25 штук. Они были громоздкие, малопроизводительные, с паровым приводом и на железнодорожном ходу.
Значительное развитие открытых горных работ началось в период первых пятилеток. Были введены в действие такие крупные карьеры, как Магнитогорский железорудный (1930 г.), Коунрадский меднорудный (1936 г.), Краснобродский и Бачатский угольные разрезы (1948-1950 гг.) и др.
Рисунок 2.1. Схема открытой разработки месторождения: 1 - экскаватор;
2 - автосамосвал; 3 - бульдозер; 4 - буровой станок; 5 - рабочие горизонты; 6 - взорванная масса; 7 - залежь полезного ископаемого;
8 - скважины; 9 - въездная траншея; 10 - отвал пустых пород
Наиболее быстрое развитие открытых горных работ началось в послевоенный период, чему способствовал выпуск современного карьерного горнотранспортного оборудования. В период 1947-1950 гг. на карьеры стали поступать экскаваторы СЭ-3, драглайны ЭШ-4/40, ЭШ-6/60, ЭШ-14/65, большегрузные автосамосвалы и думпкары и другая техника, что способствовало значительному улучшению технико-экономических показателей открытого способа добычи. Для разработки скальных пород в дальнейшем были созданы новые буровые станки шарошечного и огневого бурения, карьерные экскаваторы мехлопаты с ковшом вместимостью до 20 м3, думпкары грузоподъемностью 180 т, автосамосвалы грузоподъемностью 110-180 т, а также целая серия вспомогательного оборудования.
С внедрением новой техники совершенствовались технология ведения горных работ и параметры карьеров. Сейчас проектируются карьеры глубиной до 700 м. Высота уступа увеличилась с 7 до 40 м. Широкое применение получили бестранспортные и транспортно-отвалъные технологические схемы, повысилась интенсивность отработки (углубка карьеров достигает 15-20 м/год), возросла производственная мощность карьеров.
Одной из характерных особенностей открытых горных является необходимость удаления значительных объемов покрывающих и вмещающих пород. Поэтому, при открытой разработке различают вскрышные и добычные работы.
Под вскрышными работами понимают совокупность производственных процессов по выемке и удалению пустых пород, обеспечивающих доступ к полезному ископаемому.
Добычными работами называют совокупность производственных процессов по извлечению полезного ископаемого из недр земли.
Объем вскрышных работ обычно в несколько раз превышает объем добычных, а при добыче ценных полезных ископаемых - и в 10-20 раз. Вскрышные и добычные работы ведутся совместно, причем вскрышные несколько опережают добычные во времени и пространстве. Вскрышу укладывают в специальные насыпи - отвалы. Совокупность объемов пустых пород и полезного ископаемого называют горной массой.
Количественная оценка удаляемых вскрышных пород производится с помощью специального показателя - коэффициента вскрыши. Под ним понимают объемное ли весовое количество пустых пород, приходящееся на единицу объема или массы полезного ископаемого. Коэффициент вскрыши показывает, какое количество вскрыши необходимо переместить в отвалы для добычи единицы полезного ископаемого. Коэффициент вскрыши измеряется в т/т, м3/м3, м3/т.
Различают несколько основные виды коэффициентов вскрыши (рисунок 2.2):
средний (Кср) - отношение объема вскрышных пород в конечных контурах карьера к запасам полезного ископаемого в этих же контурах;
текущий (Кт) - перемещаемых в отвалы в течение месяца, квартала, полугодия, года,
эксплуатационный (Кэ) - отношение объема вскрышных пород к объему полезного ископаемого за период эксплуатации карьера;
граничный (Кгр) - максимально допустимое соотношение объемов пустых пород и полезного ископаемого, при котором открытая разработка месторождения экономически целесообразна.
Рисунок 2.2. Схемы к расчету коэффициентов вскрыши: а - средний; б - текущий; в - эксплуатационный; г - граничный
Разработка месторождения открытым способом рентабельна, когда себестоимость добычи полезного ископаемого (Со) не превышает какой-то допустимой величины (Си). В качестве допустимой себестоимости чаще всего принимают оптовую цену за 1 м3 полезного ископаемого или себестоимость добычи подземным способом. Граничное условие Со = Си. Границу открытых горных работ (предельную глубину карьера) устанавливают по величине граничного коэффициента вскрыши, из условия Кср ? Кгр. В ходе разработки месторождения открытым способом мож-но выделить четыре периода: подготовительный, строительный, эксплуатационный, заключительный.
Подготовительный период включает работы по подготовке месторождения, осушению и ограждению от вод поверхностного стока.
В строительный период входят работы по созданию начального фронта вскрышных и добычных работ, строительство транспортных коммуникаций.
Эксплуатационный период охватывает горные работы по вскрыше и добыче в пределах плана.
Заключительный период - это работы по рекультивации нарушенных горными работами земель.
Степень экономической эффективности открытых горных работ характеризуется величиной технико-экономических показателей, к основным из которых относятся прибыль, рентабельность, себестоимость.
Под прибылью понимается разница между ценностью реализуемой товарной продукции и затратами на ее производство.
Рентабельность - это отношение прибыли, полученной в течение года, к общей величине средств (основных и оборотных фондов), находящихся на предприятии.
Себестоимость (Со) - затраты, приходящиеся на 1 т добычи полезного ископаемого, складываются из затрат на собственно добычу (Сд) и вскрышу (Св):
Со = Сд + Св·К,
где К - коэффициент вскрыши, т/т.
Преимущества открытых горных работ по сравнению с подземными состоят в следующем:
- применение более мощной и производительной техники, в результате чего достигается лучшие технико-экономические показатели - производительность труда в 5-8 раз выше, а себестоимость добычи в 2-4 раза ниже, чем на шахтах;
- капитальные затраты, связанные со строительством карьера в 2-4 раза меньше, чем на строительстве шахт одинаковой с карьером мощностью;
- более высокие темпы роста производительности труда и снижения затрат на добычные работы;
- на карьерах меньше потери полезного ископаемого и легче производить раздельную выемку различных сортов руд;
- при открытой разработке месторождений легче увеличить в случае надобности производственную мощность предприятия;
- на карьерах обеспечиваются более высокая безопасность труда и лучшие производственные условия.
Вместе с тем открытым разработкам свойственны и недостатки:
- необходимость отчуждения больших земельных угодий для размещения карьеров и отвалов пустых пород;
- понижение уровня грунтовых вод на больших площадях;
- зависимость от климатических условий, что наиболее сильно проявляется в условиях сурового климата.
2.2 Основные понятия, элементы и параметры карьера
Карьер в хозяйственном значении - это горное предприятие, осуществляющее открытую разработку месторождения, а в техническом значении - это совокупность открытых горных выработок, служащих для разработки месторождения. Угольные карьеры обычно называют разрезами.
Месторождения или его часть, разрабатываемые одним карьером, называется карьерным полем. Площадь карьерного поля обычно составляет от 0,5 до 4 тыс. га. Участок земной поверхности, занимаемый карьером, его службами и цехами, называется земельным отводом. Площадь земельного отвода во много раз превышает площадь карьерного поля. На рисунке 2.3 представлена схема основных объектов карьера в границах земельного отвода.
Рисунок 2.3. Схема основных объектов: 1 - карьерное поле; 2 - отвал вскрышных пород; 3 - железнодорожная станция; 4 - административный корпус; 5 - дробильно-сортировочная фабрика; 6 - граница земельного отвода
В процессе горных работ поверхность карьерного поля полностью нарушается и в толще земной коры образуется открытое выработанное пространство.
Месторождение при открытой разработке разделяется на отдельные горизонтальные или наклонные слои. Каждый верхний слой отрабатывают с опережением по отношению к нижнему, в результате чего борт карьера, т. е. его боковые поверхности, имеют ступенчатую, или уступную, форму.
Уступом называется часть толщи пород, имеющая рабочую поверхность в форме ступени и разрабатываемая самостоятельными средствами выемки, погрузки и транспорта (рисунок 2.4). Обычно высота уступа принимается не менее высоты черпания экскаватора и на большинстве карьеров составляет 10-15 м, а иногда достигает 20-40 м.
Рисунок 2.4. Схема уступа: 1 - верхняя площадка уступа; 2 - нижняя площадка уступа; 3 - откос уступа; 4 - верхняя бровка уступа; 5 - нижняя бровка уступа; 6 - забой уступа; б - угол откоса уступа
Различают рабочие и нерабочие уступы. На рабочих уступах производится выемка пород или добыча полезного ископаемого. Уступ имеет нижнюю и верхнюю площадки, откос и бровки.
Откосом уступа называется наклонная поверхность, ограничивающая уступ со стороны выработанного пространства. Линии пересечения откоса уступа с его верхней и нижней площадками называются соответственно верхней и нижней бровками.
Горизонтальные поверхности рабочего уступа, ограничивающие его по высоте, называют нижней и верхней площадками. Площадка, на которой расположено оборудование для разработки, называется рабочей площадкой. Ширина рабочих площадок составляет 40-70 м и более. Площадка уступа, характеризуемая высотной отметкой, называется горизонтом. Площадки, на которых работы не производятся, называются бермами. Различают предохранительные и транспортные бермы.
Угол наклона уступа б к горизонтальной плоскости называется углом откоса уступа. Угол откоса рабочих уступов обычно равен 65-80°, а нерабочих - 45-60°.
Поверхность уступа, являющаяся непосредственным объектом горных работ и перемещающаяся в результате ведения этих работ, называется забоем уступа.
Уступ разрабатывают последовательными параллельными полосами - заходками с применением или без применения буровзрывных работ.
Часть заходки по ее длине, подготовленная для разработки, называется фронтом работ уступа. Суммарная протяженность фронтов работ уступов составляет фронт работ карьера.
Боковые поверхности, ограничивающие карьер, называют бортами карьера. Борт карьера, на котором производят горные работы, называют рабочим бортом, на котором горные работы уже не производят - нерабочим.
Нижняя, обычно горизонтальная поверхность - это дно (подошва) карьера. Линии пересечения бортов карьера с поверхностью и дном образуют верхний и нижний контуры карьера. Контуры, достигнутые к моменту окончания горных работ, называют конечными. Условную поверхность, проходящую через верхний и нижний контуры карьера, именуют откосам борта карьера, а угол, образованный откосом борта и его проекцией на горизонтальную плоскость - углом откоса борта карьера.
К основным параметрами карьера относят: конечную глубину, размеры по дну и на поверхности, углы откоса бортов, общий объем горной массы и запасы полезного ископаемого в его контурах.
2.3 Система разработки месторождений
По определению акад. В.В. Ржевского «под системой открытых горных разработок понимается определенный порядок выполнения подготовительных, вскрышных и добычных работ, обеспечивающий для данного месторождения безопасную, экономичную и полную выемку кондиционных запасов полезного ископаемого».
При разработке горизонтальных и пологих месторождений полезных ископаемых с незначительной мощностью вскрыши и полезного ископаемого подготовительные работы обычно завершаются в период горно-капитальных работ, когда создается первичный фронт вскрышных и добычных работ на карьере посредством проходки разрезных траншей. Система разработки таких месторождений относится к группе сплошных систем (с постоянным положением рабочей зоны), так как практически зона по глубине за весь период эксплуатации месторождения остается неизменной (рисунок 2.5).