2.1.Горные породы как объект разработки.

Полезные ископаемые и их качество. К полезным ископаемым относятся все виды горных пород, добываемых для хозяйственных, строительных, промышленных и научных целей и используемых в сыром виде или после пе­реработки. При добыче полезных ископаемых открытым способом неизбежно разрабатываются покрывающие и вмещающие вскрышные породы. Полезное ископаемое и вскрышные породы объединяются понятием горная масса. Разделение пород на полезные ископаемые и вскрышные породы относительно.

Качество полезных ископаемых в недрах оценивается кондициями, которые устанавливают на различных стадиях разведки, проектирования, разработки и эксплуатации месторождений. Отклонение от кондиций при горных работах оценивается количественными и качественными потерями.

Количественные потери характеризуют уменьшение объема кондиционного полезного ископаемого вследствие оставления в недрах, отнесения к вскрышным породам, просыпания при погрузке и транспортировании и по другим причинам.

Качественные потери (разубоживание) характеризует степень примешивания к кондиционному полезному ископаемому при ведении горных работ пустой породы или некондиционных сортов полезного ископаемого.

Технологическая характеристика горных пород. Объектами открытых горных работ являются разнообразнейшие горные породы: коренные (магматические, метаморфические и осадочные), залегающие в толще земной коры на месте своего образования, и покрывающие их наносы измельченные породы, переотложенные или перенесенные.

При разработке горные породы подвергаются различного рода воздействиям, главным образом механическим: ударам, сдвигу, уплотнению, перемещению и другим, в результате чего изменяется их состояние. В общем случае различают естественно и искусственно измененное (посредством взрыва, механическими способами разрушения, водопонижением, химическим укреплением и др.) состояния горных пород.

Горному инженеру важно знать физико-технические свойства и характеристики горных пород: плотность, пористость, влажность, сопротивление различным усилиям, абразивность, вязкость, хрупкость, устойчивость, увеличение объема при разрушении и др. При воздействии на породный массив в первую очередь необходимо знание свойств пород в их естественном состоянии; для других целей (погрузка, перемещение, складирование, дробление и др.) следует определять и учитывать свойства пород в искусственно измененном состоянии. При этом свойства пород зависят как от свойств пород в естественном состоянии, так и от способа воздействия на них и стадии разработки.

Свойства пород изменяются в большом диапазоне. Поэтому принято объединять породы в группы, категории и классы с определенным диапазоном свойств и характеристик.

Для открытой разработки все горные породы целесообразно делить на группы:

скальные и полускальные (в естественном их состоянии);

разрушенные (искусственно или естественно измененные породы первой группы);

плотные, мягкие (связные) и сыпучие.

Группы пород предопределяют способы их разработки и применяемые для этого технические средства.

Скальные и полускальные породы. К скальным породам относятся большинство изверженных и метаморфических, а также некоторые осадочные породы, насы­щенные водой и характеризующиеся пределом прочности при одноосном сжатии в куске (образце) более 50 МПа. К ним относятся кварциты, граниты, базальты, габбро, колчеданы, прочные известняки, песчаники, песчанистые сланцы, кремнистые конгломераты.

К полускальным породам относятся выветренные, извержен­ные и метаморфические породы и в основном коренные осадочные породы - глинистые и песчано-глинистые сланцы, глинистые и известковистые песчаники, руды гематитовые, мергели, известковые брекчии и конгломераты, известняк-ракушечник, аргиллиты, алевролиты, гипс, каменная соль, каменные и прочные бурые угли.

Разрушенные пород. В результате воздействия взрыва, механического разрушения и дробления или природных сил (обрушение, выветривание и др.) скальные и полускальные породы переходят в разрушенное состояние и становятся пригодными для погрузки и перемещения обычными техническими средствами. Разрушенные породы различаются по степени связности, кусковатости и прочности в куске, которая соответствует прочности пород до разрушения.

Связность отражает характер связей между смежными кусками породы, сопротивление отрыву которых значительно меньше по сравнению с сопротивлением сдвигу. Степень связности зависит в первую очередь от разрыхленности разрушенных пород, а также их кусковатости, что выражается величинами сцепления К_с (связи природного характера), зацепления К_з (связи механического характера разрушения) и угла внутреннего трения пород ρ. Разрыхленность характеризует увеличение объема разрушенной породы по сравнению с занимаемым в массиве и определяется величиной коэффициента разрыхления.

Плотные, мягкие и сыпучие породы. Плотные породы включают твердые глины, мел, бурые и каменные угли, глинистые руды и др. Предел прочности пород при одноосном сжатии равен 5—20 МПа. Они способны в массиве сохранять откосы под углом до 60-70° при высоте до 10-20 м, их можно разрабатывать горными машинами без предварительного разрушения при достаточных усилиях копания (не менее 0,3—0,4 МПа). Довольно часто при отсутствии мощной техники такие породы перед выемкой взрывают или рыхлят. При быстром сдвиге плотные породы скалываются, но при длительном воздействии нагрузки они ведут себя как пластичные тела. Угол внутреннего трения ρ = 16-35°, сцепление А_с в куске составляет 0,5-4 МПа.

Мягкие породы включают песчаные глины, суглинки, супеси, мягкие угли, полностью дезинтегрированные изверженные и метаморфические породы и др. Предел прочности их при сжатии 1—5 МПа, угол внутреннего трения ρ = 14-23°, сцепление К_с=0,1-0,05МПа. Такие породы достаточно легко, без предварительного рыхления разрабатываются всеми видами выемоч­ных машин с усилиями копания 0,2-0,3 МПа и способны сохранять откосы под углом 50—60° при высоте их до 7—15 м. При высыхании эти породы становятся полутвердыми, а под действием воды набухают.

Неуплотненные глинистые породы (некоторые виды жирных тонкодисперсных гидрофильных глин, пылеватые пески, илы, заторфованные осадки, разжиженный и обводненный лёсс, почвы) имеют предел прочности при сжатии не выше 1 МПа, угол внутреннего трения р<10° и сцепление К_с не выше 0,05 МПа. Такие породы часто тиксотропны, характеризуются высокой влажностью, сжимаемостью и размываемостью. Большая часть воды является капиллярной, поэтому водоотдача не­значительна и осушение затруднено. Особенно неустойчивы пылеватые породы в водонасыщенном состоянии; при динамическом воздействии они теряют связность и практически мгновенно (будучи взвешенными в воде) приходят в движение и оплывают под пологими углами (до 3—5°).

Разрыхленные мягкие породы искусственно измененные глины, суглинки, глинистые пески и др., теряют естественное сцепление и увеличиваются в объеме на 15-30 %. После складирования в насыпи под действием веса вышележа­щей толщи они уплотняются. При невысокой влажности и отсутствии подтока воды плотность таких пород в нижней части насыпи высотой 20м и более через 1—2 года становится близкой к плотности в массиве; соответственно возрастает сцепление.

У влажных разрыхленных глинистых пород при уплотнении постепенно из пор вытесняется воздух, и далее оно происходит за счет отжима воды. Возникающее в воде давление (поровое) снижает силы трения между частицами. При низкой фильтрации (К_ф≤10^-6 м/сут) вследствие малой скорости рассеивания порового давления и вязкопластических деформаций скелета глинистые породы остаются неуплотненными в течение длительного времени, измеряемого годами. Поэтому разрыхленные мягкие породы характеризуются непостоянными показателями трения и сцепления.

К сыпучим породам относятся однородные пески. Углы откосов их в насыпях и массиве не должны превышать угла внутреннего трения ρ = 19-37°. Усилия копания в песках наименьшие, так как силы сцепления между однородными окатанными частицами практически отсутствуют. Лишь у разнозернистых песков плотного сложения существует зацепление между частицами, не превышающее 0,03 - 0,05 МПа. При динамическом воздействии сопротивление сдвигу песков резко уменьшается.

Разнородные породы обычно представлены уплотненными мягкими и сыпучими породами со скальными включениями в виде гравия, валунов, конгломератов, кремнистых или известковистых прожилковых линз и других, хаотически расположенных в массиве основной породы. Наиболее характерны разнородные породы для песчано-гравийных месторождений.

Мерзлые мягкие и сыпучие породы образуются при отрицательной температуре вследствие превращения вначале свободной, а затем и связанной воды в лед, прочно скрепляющий минеральные частицы пород. Часть связанной воды не замерзает, что является причиной сжимаемости мерзлых пород. Наимень­шим временным сопротивлением сжатию и наибольшей деформируемостью характеризуются имеющие слоистую криогенную текстуру (с прослоями льда) глинистые породы, а наименьшей деформируемостью — крупнозернистые песчаные породы со сложной текстурой. По мере понижения температуры и увеличения влажности пород (до полного водонасыщения) временное сопротивление их сжатию существенно возрастает (рис. 2.1). Прочность мерзлых мягких и сыпучих пород близка соответст­венно прочности плотных и полускальных пород. Мерзлые песчанистые породы (слитная текстура) при оттаивании имеют те же прочностные показатели, что и до промерзания.

Глинистые мерзлые породы при оттаивании часто превращаются в разжиженную массу и теряют несущую способность.

Рис.2.1. зависимость сопротивления пород сжатию от температуры:

1 – песок при влажности W=16-17%; 2,3 – супеси при W=11-12% и 21-26% 4,5 глины; при W=43-44% и 52-61%

2.2. Принципы открытых горных работ.

Типы разрабатываемых месторождений. Разрабатываемые месторождения полезных ископаемых залегают в весьма разнообразных природных условиях.

Типы месторождений различаются, прежде всего, по характерным геометрическим признакам.

1. Залежи полезных ископаемых по форме могут быть:

изометрическими развитыми более или менее одинаково во всех направлениях (массивные залежи, штоки, гнезда и т. п., рис. 1.3, в, з);

плитообразными вытянутыми преимущественно в двух направлениях при относительно небольшой мощности (пласты и пластообразные залежи, рис. 1.3, а, б, г, ж);

трубообразными и столбообразными вытянутыми преимущественно в одном направлении;

промежуточными и переходными между указанными формами (линзы, жилы, седловидные залежи, складки, перегибы, тектонически нарушенные свиты пластов) {рис. 1.3.д,е).

Форма залежей предопределяет форму карьерных полей.

2. Рельеф поверхности месторождения может быть равнинным (см. рис. 1.3, а), в виде склона возвышенности ( рис.1.3, б), в виде возвышенности ( рис. 1.3, в), холмистым (рис. 1.3, г) и, наконец, залежь может находиться под водой. От рельефа поверхности зависит порядок разработки и возможные средства механизации.

3. В зависимости от положения относительно господствующего уровня поверхности и глубины залегания различают месторождения:

поверхностного типа непосредственно выходящие на поверхность или расположенные под наносами небольшой мощности (до 20-30 м, рис. 1.3, а);

Рис. 1.3. Схемы разрабатываемых месторождений и залежей

глубинного типа расположенные значительно ниже господствующего уровня поверхности, мощность толщи пустых пород может составлять от 40 до 250м (рис. 1.3, д, е); такие месторождения могут разрабатываться открытым или подземным способом, что экономически обосновывается;

высотного типа расположенные выше господствующего уровня поверхности (рис. 1.3, 6, в); месторождения могут быть объектами открытых или подземных разработок;

высотно-глубинного типа частично расположенные выше и ниже господствующей поверхности (см. рис. 1.3,ж).

Залегание может быть согласным или несогласным с рельефом поверхности; залежь может занимать всю или часть возвышенности (склона горы). От положения залежи относительно земной поверхности зависят размеры карьера по глубине и в плане, а также применяемые технические средства, особенно транспортные.

4. По углу падения различают залежи:

пологие, характеризующиеся слабонаклонным (до 8-10°) и волнистым залеганием основной части залежи ( рис. 1.3,а,г); их частным случаем являются горизонтальные залежи;

наклонные с углами падения от 8-10 до 25-30° (рис. 1.3,6);

крутонаклонные с углами падения более 25-30° (рис. 1.3,ж);

крутые с углами падения 56-90° (см. рис. 1.3,д);

сложного залегания, характерного при антиклинальных и синклинальных складках (рис.1.3,е) и резких геологических нарушениях; оно отличается переменным направлением падения залежи.

5. По мощности залежи разделяются на весьма маломощные, малой мощности, средней мощности, мощные и весьма мощные. Такое разделение связано с зависимостью числа одновременно отрабатываемых добычных уступов от мощности залежи. Условия и порядок разработки горизонтальных и наклонных (крутонаклонных) залежей неодинаковы, поэтому численно различны для этих залежей и показатели одних и тех же классов мощности.

6. По условиям залегания

простые залежи с однородным строением, без существенных прослойков и включений; в этом случае все полезные ископаемые залежи вынимают совместно (валовый способ выемки);

сложные залежи, содержащие наряду с кондиционным полезным ископаемым некондиционные его сорта, а также прослойки или включения пустых пород с четко выраженными контактами; в этом случае необходима раздельная (селективная) разработка кондиционного и некондиционного полезного ископаемого и пустых пород;

рассредоточенные залежи, имеющие сложное строение, при котором кондиционное и некондиционное полезное ископаемое и пустые породы распределяются в толще земной коры без четкой закономерности и выраженных контактов; выбор раздельного или валового способа выемки полезного ископаемого производится после детальной эксплуатационной разведки.

7. Качество полезного ископаемого в залежи может быть распределено:

равномерно, когда качество полезного ископаемого, соответствующее требованиям потребителя, примерно одинаково в пределах залежи; в этом случае выемка (валовая или раздельная) на разных участках залежи может производиться независимо, без усреднения;

неравномерно, когда распределение качества неодинаково по глубине или в плане залежи; в этом случае необходимо планировать одновременную выемку в разных частях залежи, иметь несколько рабочих выемочных участков и усреднять качество.

8. По преобладающим типам пород месторождения могут быть представлены:

скальными вскрышными породами и полезным ископаемым;

разнородными покрывающими породами и скальными (полускальными) полезным ископаемым и вмещающими породами; в этом случае покрывающая залежи мощная толща представлена чередующимися мягкими, плотными, полускальными и скальными породами;

мягкими и плотными покрывающими породами и скальным, или полускальным полезным ископаемым и вмещающими породами;

полускальными вскрышными породами и полускальным или весьма плотным полезным ископаемым;

мягкими вскрышными породами и разнородным полезным ископаемым;

мягкими вскрышными породами и мягким или плотным полезным ископаемым.

Виды открытых горных разработок. Основные виды открытых разработок классифицируются по положению залежи относительно поверхности (рис. 1.2).

Рис. 1.3. Схемы открытых разра­боток:

а, 6, е, г и д — соотаетстмнво по­верхностного, глубинного. н« горного, нагорно-глубинного , и подводного вида

Рис.1.2. Схемы открытых разработок: а,б,в,г, и д – соответственно поверхностного, глубинного, нагорного, нагорно-глубинного и подводного вида.

1.Разработки поверхностного вида. К ним относится большинство разработок россыпей, природных строительных горных пород, значительная часть угольных и небольшая часть рудных разработок при горизонтальных и пологих залежах. Карьеры при этом неглубокие до 40-60м и имеют относительно постоянную глубину. Вскрышные породы и полезные ископаемые разнообразны, чаще мягкие и полускальные.

2. Разработки глубинного вида. К ним относятся большая часть рудных и частично угольные разработки при наклонном и крутом падении залежей. Карьеры в этом случае постепенно углубляются; конечная глубина их может достигать 800м. В таких карьерах разрабатываются все типы пород.

Рис. 1.3. Схемы открытых разра­боток:

а, 6, е, г и д — соотаетстмнво по­верхностного, глубинного. н« горного, нагорно-глубинного , и подводного вида

3. Разработки нагорного вида. К ним в основном относятся открытые разработки различных руд, горно-химического сырья, строительных горных пород и иногда угля. Залежи расположены значительно выше господствующего уровня поверхности; число рабочих уступов и размеры карьеров в плане разнообразны. Полезные ископаемые и вскрышные породы в основном скальные.

4. Разработки нагорно-глубинного вида. К ним относятся открытые разработки различных руд, горно-химического сырья, строительных горных пород и угольные разработки при сложном рельефе поверхности карьерного поля.

Полезные ископаемые и вскрышные породы скальные или полускальные, иногда разнородные.

Рис. 1.3. Схемы открытых разра­боток:

а, 6, е, г и д — соотаетстмнво по­верхностного, глубинного. н« горного, нагорно-глубинного , и подводного вида

5. Разработки подводного вида. Залежи расположены под водой, покрывающие породы обычно имеют относительно небольшую мощность. К данному виду относятся, в частности, разработки в поймах рек и со дна морей и озер. Породы мягкие, плотные, полускальные или разнородные.

Каждый из указанных видов открытых разработок отличается от другого подготовкой месторождения к эксплуатации, порядком его разработки, вскрытием рабочих горизонтов, расположением отвалов и соответственно характером комплексной механизации горных работ.

Разработки первого вида наиболее экономичны. При этом выемка полезного ископаемого осуществляется сразу на полную мощность и вскрышные породы размещаются в выработанном пространстве.

Вскрышные работы и отработка залежи полезного ископаемого при разработках глубинного вида производятся послойно в нисходящем порядке. Горную массу, как правило, перемещают вверх, на поверхность, и вскрышные породы складируют во внешние отвалы. Отработке каждого нового слоя предшествуют горно-подготовительные работы, обеспечивающие вскрытие рабочих горизонтов. Глубина карьера постепенно возрастает до предела, определяемого границами карьерного поля.

Для открытых разработок нагорного вида характерно перемещение покрывающих, вмещающих пород и добытого полезного ископаемого с применением транспорта вниз, к месту расположения отвалов и перерабатывающего комплекса.

Разработка месторождений нагорно-глубинного вида имеет характерные черты второго и третьего видов открытых разработок.