Отвалообразование вскрышных пород

Лекция №7

Отвалообразование вскрышных  пород

Сущность процесса  отвалообразования

Искусственная насыпь, образующаяся в результате складирования вскрышных  пород, называется отвалом, а совокупность производственных операций по приему и размещению вскрышных пород на отвале – отвальными работами. Технология, механизация и организация отвальных работ составляют сущность и содержание процесса отвалообразования.

Отвал вскрышных  пород представляет собой геометрическое тело в виде неправильной усеченной пирамиды. он характеризуется следующими параметрами: высотой и числом ярусов (уступов), углом откоса уступов, приемной способностью, длиной и способом перемещения отвального фронта работ.

Возможная высота отвального уступа зависит в основном от  физико-механических свойств складируемых пород и пород, лежащих в основании отвала, а также от средств механизации отвальных работ.

Угол откоса отвальных уступов  обычно равен углу естественного  откоса пород, размещаемых в отвале. Он зависит от физико-механических свойств пород, их степени разрыхления и влажности.

Приемная способность отвала равна  объему породы, который можно разместить на данной площади S_o отвала при его максимальном заполнении. Приемная способность отвала (в целике) на равнинной местности определяется по формуле

                    , м³                     (7.1)

где К_н=0,8-0,9 коэффициент, учитывающий неравномерность отсыпки породы в отвал;

       К_р=1,1 – 1,2 – коэффициент, учитывающий разрыхление породы в отвале;

       h₀ – высота уступа отвала, м;

       Р₀ – периметр площади основания отвала, м;

       a₀ – угол откоса уступа отвала, град.

Длина фронта отвальных работ равна  сумме длин отдельных участков (тупиков), на которые разбивается периметр отвала. Разбивка фронта отвальных  работ на тупики позволяет рассредоточить по фронту основные и подготовительные работы при отвалообразовании. Длина отдельного тупика зависит в основном от принятого способа механизации отвальных работ, площади отвала и объема вскрышных пород, размещаемых в отвале.

Способ перемещения фронта отвальных  работ определяет схему развития отвалов в плане. Различают три  способа развития отвальных работ: параллельный, веерный и прямолинейный.

Процесс отвалообразования включает возведение первоначальных насыпей, разгрузку и складирование вскрышных пород, планировку поверхности отвала и перемещений транспортных коммуникаций на отвале.

Выбор места расположения отвалов

В зависимости от места  расположения отвала по отношению к  конечному контуру карьера  различают  внутренние отвалы, располагаемые в выработанном пространстве, и внешние отвалы, располагаемые за конечным контуром карьера. Использование внутренних отвалов позволяет сократить расстояние перемещения вскрыши и не отчуждать дополнительные площади под отвалы, сокращая тем самым объемы рекультивации земель. Однако создание внутренних отвалов возможно, когда разрабатываемое месторождение представлено горизонтальной или пологой залежью, вынимаемой на всю мощность.

Внешние отвалы создаются, как правило, при разработке наклонных и крутых месторождений, когда конечное положение подошвы карьера формируется только в конце его отработки. В начальный период разработки горизонтальной или пологой залежи, когда создается выработанное пространство карьера, вскрышные породы также вывозят на внешние отвалы.

В случае разработки горизонтальных или пологих месторождений, имеющих  значительную мощность (40-50 и более  м), одновременно создаются как внутренние, так и внешние отвалы. Вскрышу  нижних уступов складируют на внутренних отвалах, а вскрышу верхних – на внешних.

Отвалообразование при  железнодорожном транспорте

Экскаваторное отвалообразование  при использовании на карьерах  железнодорожного транспорта является ведущим (на его долю приходится 85 – 90%). Работа отвальных экскаваторов состоит  в экскавации породы, перегружаемой из думпкаров, и укладка ее в отвал. При использовании мехлопаты отвальный уступ подразделяется на два подуступа.  Мехлопата размещается на кровле нижнего подуступа, на которую производится разгрузка породы из думпкаров. Транспортные пути располагаются на кровле верхнего подуступа. Для удобства приема и последующей экскавации породы из думпкаров экскаватор на кроле нижнего подуступа образует специальную емкость (канаву) длиной, равной полуторной или двойной длине думпкара  и глубиной 0,8 – 1,0 м. Состав на отвал подвигается вагонами вперед. В приемную емкость, как правило, думпкары разгружаются поочередно. Укладка экскаватором породы в отвал производится в трех направлениях: вперед по ходу в нижний подуступ, по ходу (по фронту отвального уступа) под откос нижнего подуступа и назад в верхний подуступ.

В зависимости от физико-механических характеристик пород применяют, укладываемых в отвал, и пород  основания отвала применяют две  схемы организации работы экскаватора  на отвале.

1. Если складируемые породы и породы основания отвала устойчивы, укладка производится одновременно в верхний и нижний подуступы отвала. После заполнения отвальной заходки экскаватор возвращается в первоначальное положение и начинает отсыпку новой заходки.
2. В случае слабоустойчивых пород при прямом ходе экскаватора (от обменного пункта к тупику) производится отсыпка только нижнего подуступа. При обратном ходе экскаватор укладывает породу в верхний подуступ. При этом повышается устойчивость отвала, так как экскаватор при обратном ходе движется по уплотненной породе нижнего подуступа, что сводит к минимуму возможность оползневых явлений.

Рациональная высота отвального уступа меняется в широких  пределах и  составляет на равнине 15-30 м, а в гористой местности – 70 м и более.

Шаг переукладки отвальных  путей зависит от линейных параметров экскаватора и определяется по формуле

                                                         A₀=(R_ч+R_p)К_п                                                                  (7.2)   

где R_ч и R_p – соответственно радиус черпания и разгрузки экскаватора, м; К_п = 0,85- 0,9 коэффициент использования линейных параметров экскаватора.

1. Приемная способность отвального тупика  (по объему и в целике) между двумя переукладками пути

                                                     , м³                                                         (7.3)

2. Продолжительность t_р.т работы отвального тупика между двумя переукладками пути

                                                            , сут                                                        (7.4)

где V_c – суточная приемная способность (по объему в целике) отвального тупика, м³

                                                                V_c = n_cnq_гр, м³                                                      (7.5)

где n_c – число составов, которые могут разгружаться в сутки;

      nq_гр – объем вскрыши (в целике), перевозимый одним составом, м³;

                                                                                                                         (7.6)

где f=0,85-0,95 – коэффициент, учитывающий неравномерность работы отвала;

       Т_с – число часов работы тупика в сутки;

        t_o – время обмена поезда на отвале, ч;

        t_p – время разгрузки поезда, ч;

                                                        , ч                                                       (7.7)

где L_о – расстояние от обменного пункта до середины отвального тупика;

      v_о.ср – средняя скорость движения поезда по отвальным путям, км/ч;

       t - время на связь, ч;

                                                 t_p=nt_в, ч                                                                               (7.8)

где n – число думпкаров в составе;

       t_в – время разгрузки думпкара, ч;

3. Число отвальных тупиков в работе

                                                                                                                        (7.9)

где V_в.с – среднесуточный объем вскрыши, поступающей на отвал, м³;

4. Число тупиков в отвале

                                                                                                      (7.10)

   где t_п.т – продолжительность переукладки пути на отвальном тупике, ч.

Производительность мехлопат на отвале, как правило, в 1,2-1,3 раза выше, их производительности на карьере, что объясняется более  высоким значением коэффициента экскавации и коэффициента использования экскаваторов во времени на отвале (0,7-0,8 вместо 0,5-0,6). Использование мехлопат на отвалах возможно при складировании пород любой категории крепости. Для складирования мягких и мелко раздробленных полускальных и скальных пород широко применяются драглайны.

Плужное отвалообразование предшествовало экскаваторному, но из-за своей низкой производительности было в основном заменено последним. В настоящее  время плужное отвалообразование  находит применение на карьерах с  небольшим объемом вскрышных  работ в условиях скальных пород, допускающих высоту уступов более 15 м, при наличии большого числа тупиков, расположенных на разных горизонтах. Процесс плужного отвалообразования включает выполнение следующих операций: разгрузку породы из думпкаров под откос отвального уступа, профилирование откоса уступа (вспашка), планировка поверхности отвала для пути и передвижку пути.

Длина отвального тупика при плужном  отвалообразовании колеблется в  пределах 0,5 – 2,5 км. Высота уступов  плужных отвалов составляет 15-25 м и ограничивается их устойчивостью. Остальные параметры плужного отвалообразования рассчитываются аналогично параметрам экскаваторного отвалообразования.

Достоинством плужного отвалообразования  является использование недорогого и простого в правлении оборудования, обеспечивающего быструю разгрузку составов.

Недостатки плужных отвалов  – малая приемная способность  отвального тупика, большое число  резервных тупиков, малый шаг  передвижки путей, сложность отсыпки  мягких пород.

Абзетцерное отвалообразование. Процесс отвалообразования с помощью абзетцеров включает разгрузку думпкаров в приемную траншею, расположенную на поверхности отвала, черпание породы из траншеи,  перемещение породы в отвал, планировку поверхности отвала и передвижку путей. Абзетцер представляет собой полноповоротный многоковшовый экскаватор, имеющий разгрузочную консоль с ленточным конвейером. Отвальный уступ насыпается двумя подуступами. Абзетцер, приемная траншея и путь располагаются в этом случае на кровле нижнего подуступа. Высота абзетцерного отвала достигает 90 м. Высота верхнего подуступа 30 – 35 м, высота нижнего подуступа 40 – 55 м. Планировку поверхности отвала после его заполнения производят либо планирующей рамой абзетцера, либо бульдозером.  Пути отвальных экскаваторов обычно многорельсовые, поэтому их передвигают  путепередвигателями непрерывного  действия. Ширина отвальной заходки зависит от длины  отвальной консоли и угла ее наклона и составляет 40 – 60 м. Длина отвального тупика определяется по условию обеспечения непрерывности работы абзетцера и составляет 1 – 2 км. Техническая производительность абзетцеров составляет 2000 – 7000 м³/ч.

Бульдозерное отвалообразование. В связи с внедрением бульдозеров  мощностью 300 л.с. и более на карьерах с железнодорожным транспортом  начали применять бульдозерное отвалообразование. При этом способе отвалообразования отвальный уступ разделяется на два подуступа. Порода разгружается на кровлю нижнего подуступа (транспортные пути располагаются на кровле верхнего подуступа) и бульдозерами перемещается к его откосу. Нижний подуступ отсыпается в направлении к тупику. Верхний подуступ отсыпают наоборот. Высота верхнего подуступа принимается такой, чтобы разгруженная из думпкара порода была ниже уровня пути, т.е должна быть в пределах 1,5 – 2,5 м. Расстояние от внешнего конца шпал до верхней бровки верхнего подуступа должно быть не менее 1 м.  Высота нижнего подуступа принимается по условию устойчивости его откоса. Рациональная длина отвального тупика составляет 1,5 – 2,0 км.

 

Отвалообразование при автотранспорте.

При транспортировании  вскрыши на отвал автосамосвалами  применяется бульдозерное отвалообразование. Процесс отвалообразования в  этом случае включает разгрузку автосамосвалов на верхней площадке отвального уступа, перемещение пород под откос  уступа, ремонт и содержание автодорог.

Автосамосвалы могут разгружаться периферийным и площадным способом. В первом случае автосамосвалы разгружаются по фронту работ прямо под откос (при устойчивых отвалах) или на расстоянии 3-5 м от откоса. Затем порода бульдозерами перемещается под откос. При площадном способе автосамосвалы разгружаются по всей площади отвала. поверхность отвала планируется бульдозерами а затем укатывается катками. После этого отсыпается следующий слой, и т.д.

На крупных карьерах с целью  улучшения организации отвальных работ разгрузка и планировка осуществляются на разных участках. Ширина участка 60-80 м. Площадь S₀ отвала, длина L_ф.р фронта разгрузки, число N_о.р отвальных участков, одновременно находящихся под разгрузкой, длина L_ф.о отвального фронта, число N_б бульдозеров определяются по следующим формулам

                                                          , м                                                             (7.11)

где V_в – объем вскрыши, подлежащий размещению в отвале, м³;

       К_р =1,1-1,2 остаточный коэффициент разрыхления пород в отвале;

       Н_о – высота отвала, м;

       К_о – коэффициент, учитывающий использование площади отвала.

                                                        L_ф.р=N_аl_п, м                                                                   (7.12)