A külszíni fejtés határértékeinek tervezésének alapelvei és módszerei
A külszíni fejtés jellemzői A külszíni fejtés az érc kitermelése szabadon (felszíni) környezetben, meghatározott földmunkák és szállítóberendezések segítségével. Meghatározó jellemzője, hogy az érc kinyeréséhez a környező kőzetet és a fedőréteget el kell távolítani, és az ércet vagy kőzetet felszíni szállítási útvonalakon vagy földalatti fejtéseken keresztül a felszínre kell szállítani. Ezt a módszert széles körben használják fémércek, kohászati nyersanyagok, építőanyagok, vegyipari nyersanyagok és szén kinyerésére.
A földalatti bányászattal összehasonlítva a külszíni fejtés – mivel egy szabad térben működik – a következő jellemzőkkel rendelkezik:
(1) A munkaterület viszonylag korlátozott, ami megkönnyíti a nagyméretű gépesített berendezések használatát. A magas szintű gépesítés és automatizálás növelheti a bányászat intenzitását és az érctermelést.
(2) Magas munkatermelékenység.
(3) Alacsonyabb bányászati költségek, ami lehetővé teszi az alacsony minőségű ércek nagymértékű kitermelését.
(4) Alacsonyabb ércveszteség és hígulás, ami kedvező az ásványkincsek kinyerése szempontjából.
(5) Rövidebb fejlesztési idő; az éves érctonnára jutó tőkekiadás alacsonyabb, mint a földalatti bányászat esetében.
(6) Forró vagy éghető érctelepek esetében a külszíni fejtés biztonságosabb lehet, mint a földalatti bányászat.
(7) Jobb munkakörülmények és általánosságban biztonságosabb működés.
(8) A külszíni fejtés jelentős por- és járműkibocsátással jár; a káros összetevőket tartalmazó robbantott kőzet bizonyos mértékben szennyezheti a környezeti levegőt, a vizet és a talajt.
(9) Nagy mennyiségű fedőréteg kerül lerakásra a hulladéklerakókban; a hulladékkezelő létesítmények jelentős földterületeket foglalnak el (hegyek, mezőgazdasági területek), és helyileg károsíthatják a környezetet.
(10) Az olyan időjárási viszonyok, mint a hó, a jég és a heves esőzés, negatívan befolyásolhatják a külszíni fejtés működését.
A bányászati határok (gödörhatárok) meghatározása a külszíni fejtésű bányák tervezésének alapja, és a gazdaságilag hatékony és biztonságos kiaknázás előfeltétele. A kutatók és a gyakorlati szakemberek világszerte régóta tanulmányozzák a gödörhatárok optimalizálását, és jelentős eredményeket értek el. Mivel azonban a külszíni bányák összetett, változó geológiai testekkel, szabálytalan fokozateloszlással és változó gazdasági paraméterekkel – nemlineáris és dinamikus tényezőkkel – szembesülnek, az optimális gödörhatárok meghatározása továbbra is nehézkes. Ez a tanulmány a gödörhatár-optimalizálás kulcsfontosságú kérdéseivel foglalkozik: áttekinti a korábbi munkákat, elemzi a gödörhatárok dinamikus jellemzőit, megvizsgálja a végső stabil rézsűszöget befolyásoló fő tényezőket, módszereket javasol egy ésszerű végső rézsű előrejelzésére, és gyors módszereket tanulmányoz a gödörhatár-sorozatok generálására és a végső gödörhatár meghatározására. A mérnöki gyakorlaton és a jelenlegi fejlesztéseken alapulva, valamint multidiszciplináris elméleteket és módszereket alkalmazva a tanulmány szisztematikus, mélyreható kutatást nyújt, amely jelentős elméleti és gyakorlati értékkel bír.
A külszíni fejtés határainak tervezési alapelvei A külszíni fejtés határainak mérete határozza meg az eltávolítandó érc és fedőréteg mennyiségét. Ahogy a fejtés határai mélyülnek és tágulnak, az ércmennyiség növekszik, de a fedőréteg is jelentősen emelkedik, ami a kitermelési arány növekedését okozza. Ezért a fejtés határainak meghatározása lényegében a kitermelési arány szabályozását jelenti, hogy az ne haladja meg a gazdaságilag elfogadható kitermelési arányt.
A határértékhez többféle leválasztási arány kapcsolódik. A szabályozáshoz melyik leválasztási arányt kell figyelembe venni; a cikk három történelmileg korai és reprezentatív tudományos nézőpontot és azok megfelelő tervezési kritériumait mutatja be:
(1) A bányahatár eltávolítási aránya nem lehet nagyobb, mint a gazdaságos eltávolítási arány Ez a kritérium megköveteli, hogy a bányahatárnál a eltávolítási arány ne haladja meg a gazdaságilag ésszerű eltávolítási arányt. Lényege annak biztosítása, hogy a bánya mélyülésével a külszíni fejtés határgazdasági haszna ne legyen rosszabb, mint a földalatti bányászaté. Vékony fedőréteggel rendelkező folyamatos érctestek esetében ez az elv a lelőhely teljes profitjának maximalizálására törekszik. Mivel célja a teljes gazdasági eredmény optimalizálása, és egyszerűen kiszámítható és alkalmazható, a ≤ kritériumot széles körben használják a kézi bányahatár-tervezésben mind belföldön, mind nemzetközi szinten. Vastag vagy szakaszos fedőréteggel rendelkező lelőhelyek esetében azonban ez a kritérium nem biztos, hogy megfelelő; így szükséges, de nem elégséges feltétele az optimális bányahatárnak.
(2) Az átlagos kitermelési arány nem haladhatja meg a gazdasági kitermelési arányt Ez a kritérium a külszíni fejtésű bányászat általános gazdasági teljesítményének szabályozását célozza, hogy az ne legyen rosszabb, mint a földalatti bányászat. A cél a kitermelhető érc maximalizálása a fejtési határterületen belül, miközben biztosítja, hogy a külszíni fejtés általános gazdaságossága ne essen a földalatti bányászaté alá. Mivel számtani átlagot használ, egyes helyi területek gazdaságilag alulteljesíthetnek a földalatti módszerekhez képest. Az ≤ átlag kritérium a ≤ fejtési határ kritériummal együtt használható: miután a fejtést a fejtési határ kritérium alapján kijelöltük, ellenőrizni kell az átlagos kitermelési arányt ezen a határon belül. Ezt a kritériumot gyakran alkalmazzák nagy értékű, ritka ásványok vagy kis lelőhelyek esetében, amikor a külszíni fejtésű kitermelés maximalizálása (a hígulás és az ércveszteség minimalizálása érdekében) kívánatos. Gyakran használják méretkő- és mészkőbányákhoz is.
(3) A termelési eltávolítási arány nem nagyobb, mint a gazdasági eltávolítási arány A termelési eltávolítási arány a bánya termelési ciklusa során tapasztalt tényleges eltávolítási/érc arányt tükrözi. A ≤ termelési kritérium alkalmazása biztosítja, hogy a termelés bármely szakaszában a külszíni fejtés gazdasági eredménye ne legyen rosszabb, mint a földalatti bányászaté. A termelési eltávolítási arány lehet egyensúlyi termelési arány vagy kiegyensúlyozatlan (időfüggő) eltávolítási arány. A termelési kritériumból származtatott bányahatárok kisebbek, mint a bányahatár-kritériumból származó határok, de nagyobbak, mint az átlagkritériumból származó határok, és így magasabb kezdeti eltávolítási és fejlesztési beruházáshoz vezetnek. Mivel a termelési eltávolítási arányt nehéz pontosan meghatározni, és a mélységgel való kapcsolata összetett, ez a kritérium kevésbé praktikus és ritkán használják.
A külszíni fejtés elemei Korlátok 3.1 Végső lejtésszög és lejtésszerkezet A végső (végső) bányalejtésszög nagymértékben befolyásolja a termelés biztonságát és a gazdasági teljesítményt. Gazdasági szempontból a meredekebb lejtés (nagyobb szög) előnyösebb, mivel a kisebb lejtésszög növeli a hulladék eltávolítását és a kitermelési arányt. A túlzott lejtésszögek azonban instabilitást okozhatnak és veszélyeztethetik a biztonságot. Ezért a végső lejtésszögnek mind a stabilitási (biztonsági), mind az üzemeltetési (bányászati) követelményeknek meg kell felelnie.
A stabilitási követelmény az, hogy a kőzettömeg tulajdonságai és a stabilitási elemzés alapján a végső rézsűszögnek biztosítania kell a rézsű stabilitását. A bányahatár-tervezési szakaszban a végső rézsűszögeket általában hasonló bányákhoz viszonyítva választják ki, majd előzetes stabilitási elemzésnek és egyszerűsített számításoknak vetik alá a rendelkezésre álló adatokkal.
3.2 Alsó (aknapadló) szélessége és elhelyezkedése (1) Minimális aljszélesség és értékek A minimális aknapadló szélességének lehetővé kell tennie a bányászati és szállítóberendezések működését és biztonságos munkavégzését. Általában nem lehet keskenyebb, mint a kezdőárok (kezdeti bevágás) szélessége; a minimális értéket a berendezések specifikációi és a szállítási elrendezés számításai határozzák meg.
(2) A gödör aljának elhelyezkedése és geometriailag hasonló (önhasonló) gödörhatárok A gödörfenék elhelyezésének alapvető kritériuma a gödörön belüli átlagos leválasztási arány minimalizálása. Előfordul, hogy a gödörfenéket a kőzetmechanikai vagy szerkezeti zónákhoz képest úgy módosítják, hogy a végső rézsűk elkerüljék a repedezett vagy szerkezetileg gyenge zónákat, javítva a stabilitást és egyszerűsítve a robbantást.
Az érctest vízszintes vastagságától függően a gödör aljának három lehetséges helye van:
Ha az érctest vízszintes vastagsága kisebb, mint a minimális fenékszélesség, akkor a gödörfenék síkját a minimális szélességhez kell rajzolni.
Ha a vízszintes vastagság megegyezik vagy kissé meghaladja a minimális fenékszélességet, akkor a gödörfenék szélességét állítsa egyenlőre az érctest vastagságával.
Ha az érctest vízszintes vastagsága jelentősen meghaladja a minimális fenékszélességet, akkor a minimális fenékszélességet kell használni.
A kiválasztott pozíciónak maximalizálnia kell a kitermelhető érc mennyiségét, minimalizálnia kell a hulladékot, és a legjobb ércminőséget kell eredményeznie – azaz maximalizálnia kell a gazdasági hasznot.
Mivel a tényleges gödörfenék szélessége nem nulla, a geometriailag hasonló gödörhatárok nem teljesen alkalmazhatók. A tervezés során eseti alapon kell meghatározni a gödörfenék helyét: (i) sík terepen mind a vastag, mind a vékony érctestek geometriailag hasonló gödörhatárokat képezhetnek; (ii) lejtős terepen, ha a vízszintes vastagság nagyobb, mint a minimális szélesség, a gödör hasonló alakú, míg a minimális szélességnél kisebb vízszintes vastagságú vékony érctesteknek további korlátozásoknak kell megfelelniük.
(3) Geometriailag hasonló gödörhatárok tervezési módszere A geometriailag hasonló gödörhatár az elméletileg optimális fenékhelyzet, amely minimalizálja az átlagos lecsupaszítási arányt – valójában az optimális fenékhelyzet, amikor a fenék szélessége nullához közelít.
3.3 Gödörmélység A gödörhatár-tervezési kritériumok lényegében meghatározzák a gazdaságilag indokolt gödörmélységet. Az érctest folytonosságától és a csapáshossztól függően a gödrök hosszú vagy rövid gödrökre oszthatók. Ha a hossz-szélesség arány meghaladja a 4:1-et, akkor a gödör "hlong", és a végfalon lévő érc térfogata viszonylag kicsi; kézi tervezésnél a végfal hozzájárulása gyakran elhanyagolható. Ha az arány kisebb, mint 4:1, akkor a gödör "hshort", és a végfalon lévő érc a teljes mennyiség 15–20%-át vagy többet is kitehet, és ezt figyelembe kell venni.
(1) A gödörmélység előzetes meghatározása geológiai keresztmetszeteken Három módszer létezik a gödörmélység meghatározására geológiai keresztmetszeteken: (a) analitikus módszer, (b) grafikus módszer és (c) tervelemzési (sémaelemzési) módszer. A tervelemzési módszer a legszélesebb körben elterjedt. Lépései a következők: 1) több lehetséges gödörmélység javaslata; 2) a gödörhatár-szétszedési arányok kiszámítása minden mélységhez; 3) elemzési görbék ábrázolása és egy kezdeti mélység kiválasztása.
(2) Alsó magasság beállítása keresztmetszeteken Állítsa be az aknaalj magasságát a keresztmetszeteken; a beállított magasság a tervezési aknamélység.
(3) Külszíni munkagödör határainak kijelölése (manuális módszer) A munkagödör határainak manuális kijelölése három fő lépésből áll:
Rajzolja meg az aknapadló elméleti kerületét a tervezési mélységben: minden keresztmetszeten, hossz-szelvényen és mellékmetszeten rajzolja meg az aknahatárt a tervezési mélységben; majd ábrázolja a rétegtani szint alaprajzát ezen a magasságon. Vetítse ki az aknapadló végpontjait a metszetekből a tervrajzra, és kösse össze őket az elméleti padlókerület megkapásához. Simítsa a vonalláncot görbévé a tervezési aknapadló kerületének kialakításához. Ellenőrizze, hogy a padló méretei megfelelnek-e a szállítási elrendezés és a berendezések üzemeltetési követelményeinek – az egyenességnek, a görbületi sugaraknak és a padlóhossznak meg kell felelniük a műszaki szabványoknak.
Rajzolja meg a gödör határát: a topográfiai-geológiai terven ábrázolja a tervezési padló kerületét, majd belülről kifelé haladva rajzolja meg az egyes padkákhoz (azaz padkákhoz és rézsűkhöz) padkalábakat és koronákat a kiválasztott rézsűelemeknek megfelelően. A gödör bemélyített részei zárt padkalábakat alkotnak a terven; a domboldali részeken padkalábvonalak lehetnek, amelyek azonos magasságú szintvonalakba illeszkednek.
Rajzolja meg a végleges boxutca-tervét: a boxutca-határon jelölje ki a szállító és fejlesztési utakat (vonaltervezés), majd alulról kifelé rajzolja meg a padkafelületeket és a platformokat a végső konfigurációhoz. Szükség esetén tervezze meg a padkák közötti rámpaplatformokat is. Ellenőrizze és módosítsa a kezdeti boxutca-határ tervet, mivel az úttervezés és a fejlesztési korlátozások enyhíthetik a lejtésszögeket és növelhetik a lecsupaszodást.
(4) A munkagödör szélének keresztmetszeteinek rajzolása A végleges munkagödör alaprajz alapján rajzoljon három reprezentatív keresztmetszetet a megfelelő méretarányban. A hosszmetszet vonalát a terv kulcsfontosságú alsó szélességi pontjain keresztül kell meghúzni; a padszélességeket használva egymás után felfelé kell vetíteni a keresztmetszetek kiegészítéséhez.
Külszíni aknahatárok meghatározása és optimalizálása A fent leírt, általánosan alkalmazott tervezési elvek alapján a aknahatár meghatározásának és optimalizálásának módszere és lépései a következők:
(1) Gödörmélység meghatározása. Hosszú gödrök esetén először minden geológiai keresztmetszeten meg kell határozni a mélységet, majd a hosszmetszetekkel kell beállítani a fenékmagasságot. Rövid, nagy mélység-szélesség arányú gödrök esetén figyelembe kell venni a végfal tágulási hatásait. Ha a mélység nem határozható meg közvetlenül a szelvényekből, akkor több lehetséges mélység esetén is számítsa ki a gödörhatár-eltávolítási arányokat a tereprajzokon, és válassza ki azt a mélységet, ahol a gödörhatár-eltávolítási arány megegyezik a gazdaságilag ésszerű eltávolítási aránnyal.
(2) Határozza meg a bányapadló kerületét a tervrajzon. A bányapadló szélessége lehet nagyobb vagy kisebb, mint az érctest vízszintes vastagsága, de meg kell felelnie a minimális szélességi követelménynek. Az alapelv az érckinyerés maximalizálása a hulladék minimalizálása mellett. A minimális fenékszélességnek biztosítania kell a biztonságos termelést és a bányászati és szállítóberendezések normál működését; a gyakorlatban ez megfelel a kiinduló árok szélességének, és a módszertől és a berendezéstől függ – jellemzően a biztonság érdekében legalább 20–30 m.
Az alsó szintmagasság és a végpontok rögzítése után rajzolja meg az elméleti padlókerületet a keresztmetszetek végpontjainak a rétegtani tervre való kivetítésével a tervezési szintmagasságon, majd azok összekapcsolásával. A szállítás megkönnyítése érdekében a padlókerületnek a lehető legegyenesebbnek kell lennie; az ívelt részeknek meg kell felelniük a berendezések minimális görbületi sugarainak.
(3) Határozza meg a rézsűszerkezetet és a rézsűszögeket. A rézsűállandóság elengedhetetlen a biztonságos termeléshez. A rézsűszög helyes megválasztása a stabilitás biztosításának elsődleges eszköze. A műszaki és stabilitási követelmények keretein belül a lehető legmeredekebb végső rézsűszöget kell alkalmazni a hulladék eltávolításának minimalizálása érdekében. A rézsűszögek meghatározásakor vegye figyelembe a kőzet tulajdonságait, a geológiai szerkezetet, a hidrogeológiát, a bányászati módszert és berendezéseket, a tervezett bánya élettartamát és az éghajlatot. Ahol lehetséges, végezzen kőzetmechanikai vizsgálatokat és rézsűállandósági számításokat. Mivel a meglévő számítási módszerek nem mindig tökéletesek, a gyakorlatban a végső rézsűszögeket gyakran hasonló bányák és empirikus adatok alapján választják ki.
(4) Rajzolja meg a végleges alaprajzot. A lépések a következők:
Vigye át a meghatározott aknapadló kerületet átlátszó papírra, és helyezze rá a topográfiai-geológiai térképre; belülről kifelé haladva rajzolja meg a padlábakat a lejtőelemeknek megfelelően.
Szállítóutak kiépítése.
Tekintse át és módosítsa az előzetes végleges bányatervét.
Vetítse ki a végleges tervet keresztmetszetekre úgy, hogy a metszeti határok egyezzenek a tervvel. Mivel a lejtési szög, a padló szélessége és mélysége erősen befolyásolja a végső munkagödör határait, dinamikus kiértékelési indexrendszer hozható létre a külszíni munkagödör határainak modellezésére és optimalizálására. A továbbfejlesztett BP neurális hálózati algoritmusok felhasználhatók a stabil végső lejtési szögek előrejelző modelljeinek létrehozására. A háromdimenziós számítógépes szimuláció támogathatja a termelés hatékony, vizuális ütemezését. A számítógépes szimulációs módszerek lehetővé teszik a munkagödör határainak további optimalizálását.
Következtetés A külszíni fejtés meghatározott földmunkák és szállítóeszközöket használ egy szabadon lévő munkatérben. A végső akna lejtési szöge, a aknapadló szélessége és helye, valamint a aknamélység jelentősen befolyásolja a termelés biztonságát és gazdaságosságát. A aknahatárok meghatározása összetett feladat, amely megköveteli az alapelvek betartását, miközben rugalmasan alkalmazkodik a helyszíni körülményekhez az ésszerű tervezés elérése érdekében. Ez a tanulmány áttekintette a aknahatár-optimalizálás kulcsfontosságú kérdéseit, elemezte a külszíni fejtési határok jellemzőit, megvizsgálta a stabil végső lejtési szöget befolyásoló elsődleges mutatókat és az ésszerű végső lejtés előrejelzésére szolgáló módszereket, valamint megvitatta a aknahatárok optimalizálására szolgáló megközelítéseket.
